tÍtulo do trabalho...trabalho são descritas as estruturas que compõem o sistema extravasor e os...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
Deacutebora Saccaro Turella
CRITEacuteRIOS DE DIMENSIONAMENTO PARA BACIA DE
DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
Porto Alegre
junho 2010
DEacuteBORA SACCARO TURELLA
CRITEacuteRIOS DE DIMENSIONAMENTO PARA BACIA DE
DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
Trabalho de Diplomaccedilatildeo apresentado ao Departamento de
Engenharia Civil da Escola de Engenharia da Universidade Federal
do Rio Grande do Sul como parte dos requisitos para obtenccedilatildeo do
tiacutetulo de Engenheiro Civil
Orientador Marcelo Giulian Marques
Coorientador Alexandre Augusto Mees Alves
Porto Alegre
junho 2010
DEacuteBORA SACCARO TURELLA
CRITEacuteRIOS DE DIMENSIONAMENTO PARA BACIA DE
DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
Este Trabalho de Diplomaccedilatildeo foi julgado adequado como preacute-requisito para a obtenccedilatildeo do
tiacutetulo de ENGENHEIRO CIVIL e aprovado em sua forma final pelo Professor Orientador e
pela Coordenadora da disciplina Trabalho de Diplomaccedilatildeo Engenharia Civil II (ENG01040) da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Porto Alegre 14 de julho de 2010
Prof Marcelo Giulian Marques
PhD pelo Deacutepartement de Geacutenie Civil
Universiteacute LavalQueacutebec
Orientador
Alexandre Augusto Mees Alves
Mestre em Recursos Hiacutedricos e Saneamento
Ambiental UFRGSPorto Alegre
Coorientador
Profa Carin Maria Schmitt
Coordenadora
BANCA EXAMINADORA
Eng Mauriacutecio Dai Praacute
Me pela UFRGS
Eng Rafael Andreacute Wiest
Me pela UFRGS
Eng Alexandre Augusto Mees Alves
Me pela UFRGS
Prof Marcelo Giulian Marques
PhD pela Universiteacute LavalQueacutebec
Dedico este trabalho agrave minha famiacutelia
AGRADECIMENTOS
Agradeccedilo ao Prof Marcelo Giulian Marques pela orientaccedilatildeo pela motivaccedilatildeo e por todos os
conhecimentos positivos proporcionados para o meu aprendizado e para a elaboraccedilatildeo deste
trabalho
Agradeccedilo ao doutorando Alexandre Augusto Mees Alves coorientador deste trabalho pela
oportunidade de aprendizado pelo apoio e pela grande contribuiccedilatildeo na realizaccedilatildeo deste
trabalho
Agradeccedilo a professora Carin coordenadora deste trabalho por sempre ajudar no correto
andamento do mesmo e pela motivaccedilatildeo
Agradeccedilo a todos aqueles que direta ou indiretamente colaboraram na execuccedilatildeo deste
trabalho
Aprender eacute a uacutenica coisa de que a mente nunca se cansa
nunca tem medo e nunca se arrepende
Leonardo da Vinci
RESUMO
TURELLA D S Criteacuterios de dimensionamento para bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I 2010 86 f Trabalho de Diplomaccedilatildeo (Graduaccedilatildeo em Engenharia Civil) ndash
Departamento de Engenharia Civil Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto
Alegre
O presente trabalho aborda os criteacuterios de projeto para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I e apresenta um estudo de caso onde satildeo aplicados
estes criteacuterios Esta estrutura eacute uma das obras que pode vir a compor o sistema extravasor de
uma barragem que eacute o dispositivo responsaacutevel pela seguranccedila da obra nos periacuteodos de cheias
por onde satildeo descartadas as vazotildees excedentes A partir da revisatildeo bibliograacutefica foi feita uma
anaacutelise sobre as obras que compotildeem este sistema de seguranccedila que satildeo obrigatoriamente
vertedouro e dissipador de energia mas dependendo das condiccedilotildees topograacuteficas geoloacutegicas
construtivas e de arranjo podem ser necessaacuterias outras estruturas complementares tais como
canal de aproximaccedilatildeo canal raacutepido canal de descarga entre outros Na primeira etapa do
trabalho satildeo descritas as estruturas que compotildeem o sistema extravasor e os tipos de
dissipadores de energia que satildeo os dispositivos com a finalidade de dissipar a energia cineacutetica
do escoamento vertido e adequaacute-lo ao curso natural do rio minimizando os possiacuteveis efeitos
erosivos do escoamento que poderiam comprometer a fundaccedilatildeo e consequentemente a
seguranccedila da barragem Na fase seguinte parte-se para o detalhamento de bacias de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico apresentando os modelos existentes mais frequentes
classificados de acordo com a United Statates Bureau of Reclamation Como o dissipador em
anaacutelise utiliza o ressalto hidraacuteulico eacute feita uma descriccedilatildeo deste fenocircmeno que ocorre na
transiccedilatildeo do regime raacutepido para o regime lento com elevada intensidade de turbulecircncia e
consequentemente com significativa dissipaccedilatildeo de energia Nesta etapa satildeo abordadas de
forma mais minuciosa as bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I Apoacutes a exposiccedilatildeo
destas estruturas satildeo definidos e detalhados os criteacuterios de projeto necessaacuterios para um
dissipador situado em condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas similares agraves do Brasil sendo por fim
apresentado uma anaacutelise em um caso hipoteacutetico onde satildeo aplicados os conhecimentos
apresentados neste trabalho
Palavras-chave sistema extravasor dissipador de energia bacia de dissipaccedilatildeo ressalto
hidraacuteulico criteacuterios de projeto
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa 18
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui 21
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia com
dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 21
Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal (perfil
Creager) 25
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas e (b) Barragem Takato Dam
Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas 26
Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa e (b) vertedouro da
barragem Monticello Dam na Califoacuternia 28
Figura 7 vertedouro em sifatildeo 28
Figura 8 concha de arremesso 31
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso 31
Figura 10 dissipador salto de esqui 32
Figura 11 vertedouro em degraus 33
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 33
Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 34
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II 35
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III 36
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do dissipador
de energia da Barragem de Bonnevile 36
Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia da
Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia 37
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 38
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas 39
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana 39
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico 40
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico 41
Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro 43
Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico 44
Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo 45
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 50
Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico 56
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
localizaccedilatildeo limite a jusante para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico 59
Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante Nj
eacute insuficiente para a altura yl requerida 60
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente para
o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos nas posiccedilotildees possiacuteveis de se
formarem 60
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados 61
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem 61
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 65
Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro 68
Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m 72
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m 73
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura 75
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m 78
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m 79
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura 81
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I 83
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 46
Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 47
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 48
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura 53
Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros 54
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas 54
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 71
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 71
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m 72
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados 73
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal 74
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 74
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados 74
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 77
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 77
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m 78
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados 79
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal 80
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 80
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados 80
LISTA DE SIacuteMBOLOS
v Velocidade [LT]
g aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
yr altura conjugada raacutepida [L]
Fr nuacutemero de Froude
Q vazatildeo [Lsup3T]
A aacuterea da seccedilatildeo transversal [Lsup2]
yl altura conjugada lenta [L]
Lr comprimento do rolo [L]
Frr nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto
Lj comprimento do ressalto hidraacuteulico [L]
Hr carga no iniacutecio do ressalto [L]
Hl carga no final do ressalto [L]
H carga [L]
y altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
vc velocidade criacutetica [LT]
Ln comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico [L]
Lb comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
e espessura da bacia e ancoragem [L]
CL altura dos muros laterais [L]
R raio de transiccedilatildeo [L]
Q1000 vazatildeo de 1000 anos de tempo de retorno [Lsup3T]
Tw tail water altura da lamina drsquoaacutegua no leito do rio [L]
Qp cheia de projeto [Lsup3T]
Qmaacutexmax cheia maacutexima maximorum [Lsup3T]
Tr tempo de retorno [T]
Q10000 cheia decamilenar (10000 anos de tempo de retorno) [Lsup3T]
Qmax cheia maacutexima [Lsup3T]
B largura da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
va velocidade de aproximaccedilatildeo [LT]
zr cota do ponto onde ocorre o iniacutecio do ressalto [L]
HT carga a montante [L]
z cota da crista do vertedouro [L]
h altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro [L]
Cf cota de fundo [L]
Nj niacutevel de jusante [L]
fator de correccedilatildeo da curva chave
a declividade de montante da soleira terminal
s altura da soleira terminal [L]
zt diferenccedila de cota entre o topo da soleira terminal e o leito de jusante [L]
ts espessura do topo da soleira terminal [L]
f folga a ser somada na altura dos muros laterais [L]
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
53
5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
73
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
75
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
76
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
77
A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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78
Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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80
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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82
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
84
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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_____ Pesquisa sobre o termo Dam Disponiacutevel em
lthttpuploadwikimediaorgwikipediacommonsthumbbbaRessalto32JPG250px-
Ressalto32JPGgt Acesso em 19 maio 2010
DEacuteBORA SACCARO TURELLA
CRITEacuteRIOS DE DIMENSIONAMENTO PARA BACIA DE
DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
Trabalho de Diplomaccedilatildeo apresentado ao Departamento de
Engenharia Civil da Escola de Engenharia da Universidade Federal
do Rio Grande do Sul como parte dos requisitos para obtenccedilatildeo do
tiacutetulo de Engenheiro Civil
Orientador Marcelo Giulian Marques
Coorientador Alexandre Augusto Mees Alves
Porto Alegre
junho 2010
DEacuteBORA SACCARO TURELLA
CRITEacuteRIOS DE DIMENSIONAMENTO PARA BACIA DE
DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
Este Trabalho de Diplomaccedilatildeo foi julgado adequado como preacute-requisito para a obtenccedilatildeo do
tiacutetulo de ENGENHEIRO CIVIL e aprovado em sua forma final pelo Professor Orientador e
pela Coordenadora da disciplina Trabalho de Diplomaccedilatildeo Engenharia Civil II (ENG01040) da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Porto Alegre 14 de julho de 2010
Prof Marcelo Giulian Marques
PhD pelo Deacutepartement de Geacutenie Civil
Universiteacute LavalQueacutebec
Orientador
Alexandre Augusto Mees Alves
Mestre em Recursos Hiacutedricos e Saneamento
Ambiental UFRGSPorto Alegre
Coorientador
Profa Carin Maria Schmitt
Coordenadora
BANCA EXAMINADORA
Eng Mauriacutecio Dai Praacute
Me pela UFRGS
Eng Rafael Andreacute Wiest
Me pela UFRGS
Eng Alexandre Augusto Mees Alves
Me pela UFRGS
Prof Marcelo Giulian Marques
PhD pela Universiteacute LavalQueacutebec
Dedico este trabalho agrave minha famiacutelia
AGRADECIMENTOS
Agradeccedilo ao Prof Marcelo Giulian Marques pela orientaccedilatildeo pela motivaccedilatildeo e por todos os
conhecimentos positivos proporcionados para o meu aprendizado e para a elaboraccedilatildeo deste
trabalho
Agradeccedilo ao doutorando Alexandre Augusto Mees Alves coorientador deste trabalho pela
oportunidade de aprendizado pelo apoio e pela grande contribuiccedilatildeo na realizaccedilatildeo deste
trabalho
Agradeccedilo a professora Carin coordenadora deste trabalho por sempre ajudar no correto
andamento do mesmo e pela motivaccedilatildeo
Agradeccedilo a todos aqueles que direta ou indiretamente colaboraram na execuccedilatildeo deste
trabalho
Aprender eacute a uacutenica coisa de que a mente nunca se cansa
nunca tem medo e nunca se arrepende
Leonardo da Vinci
RESUMO
TURELLA D S Criteacuterios de dimensionamento para bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I 2010 86 f Trabalho de Diplomaccedilatildeo (Graduaccedilatildeo em Engenharia Civil) ndash
Departamento de Engenharia Civil Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto
Alegre
O presente trabalho aborda os criteacuterios de projeto para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I e apresenta um estudo de caso onde satildeo aplicados
estes criteacuterios Esta estrutura eacute uma das obras que pode vir a compor o sistema extravasor de
uma barragem que eacute o dispositivo responsaacutevel pela seguranccedila da obra nos periacuteodos de cheias
por onde satildeo descartadas as vazotildees excedentes A partir da revisatildeo bibliograacutefica foi feita uma
anaacutelise sobre as obras que compotildeem este sistema de seguranccedila que satildeo obrigatoriamente
vertedouro e dissipador de energia mas dependendo das condiccedilotildees topograacuteficas geoloacutegicas
construtivas e de arranjo podem ser necessaacuterias outras estruturas complementares tais como
canal de aproximaccedilatildeo canal raacutepido canal de descarga entre outros Na primeira etapa do
trabalho satildeo descritas as estruturas que compotildeem o sistema extravasor e os tipos de
dissipadores de energia que satildeo os dispositivos com a finalidade de dissipar a energia cineacutetica
do escoamento vertido e adequaacute-lo ao curso natural do rio minimizando os possiacuteveis efeitos
erosivos do escoamento que poderiam comprometer a fundaccedilatildeo e consequentemente a
seguranccedila da barragem Na fase seguinte parte-se para o detalhamento de bacias de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico apresentando os modelos existentes mais frequentes
classificados de acordo com a United Statates Bureau of Reclamation Como o dissipador em
anaacutelise utiliza o ressalto hidraacuteulico eacute feita uma descriccedilatildeo deste fenocircmeno que ocorre na
transiccedilatildeo do regime raacutepido para o regime lento com elevada intensidade de turbulecircncia e
consequentemente com significativa dissipaccedilatildeo de energia Nesta etapa satildeo abordadas de
forma mais minuciosa as bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I Apoacutes a exposiccedilatildeo
destas estruturas satildeo definidos e detalhados os criteacuterios de projeto necessaacuterios para um
dissipador situado em condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas similares agraves do Brasil sendo por fim
apresentado uma anaacutelise em um caso hipoteacutetico onde satildeo aplicados os conhecimentos
apresentados neste trabalho
Palavras-chave sistema extravasor dissipador de energia bacia de dissipaccedilatildeo ressalto
hidraacuteulico criteacuterios de projeto
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa 18
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui 21
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia com
dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 21
Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal (perfil
Creager) 25
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas e (b) Barragem Takato Dam
Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas 26
Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa e (b) vertedouro da
barragem Monticello Dam na Califoacuternia 28
Figura 7 vertedouro em sifatildeo 28
Figura 8 concha de arremesso 31
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso 31
Figura 10 dissipador salto de esqui 32
Figura 11 vertedouro em degraus 33
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 33
Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 34
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II 35
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III 36
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do dissipador
de energia da Barragem de Bonnevile 36
Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia da
Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia 37
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 38
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas 39
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana 39
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico 40
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico 41
Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro 43
Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico 44
Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo 45
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 50
Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico 56
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
localizaccedilatildeo limite a jusante para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico 59
Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante Nj
eacute insuficiente para a altura yl requerida 60
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente para
o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos nas posiccedilotildees possiacuteveis de se
formarem 60
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados 61
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem 61
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 65
Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro 68
Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m 72
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m 73
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura 75
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m 78
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m 79
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura 81
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I 83
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 46
Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 47
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 48
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura 53
Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros 54
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas 54
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 71
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 71
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m 72
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados 73
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal 74
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 74
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados 74
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 77
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 77
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m 78
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados 79
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal 80
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 80
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados 80
LISTA DE SIacuteMBOLOS
v Velocidade [LT]
g aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
yr altura conjugada raacutepida [L]
Fr nuacutemero de Froude
Q vazatildeo [Lsup3T]
A aacuterea da seccedilatildeo transversal [Lsup2]
yl altura conjugada lenta [L]
Lr comprimento do rolo [L]
Frr nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto
Lj comprimento do ressalto hidraacuteulico [L]
Hr carga no iniacutecio do ressalto [L]
Hl carga no final do ressalto [L]
H carga [L]
y altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
vc velocidade criacutetica [LT]
Ln comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico [L]
Lb comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
e espessura da bacia e ancoragem [L]
CL altura dos muros laterais [L]
R raio de transiccedilatildeo [L]
Q1000 vazatildeo de 1000 anos de tempo de retorno [Lsup3T]
Tw tail water altura da lamina drsquoaacutegua no leito do rio [L]
Qp cheia de projeto [Lsup3T]
Qmaacutexmax cheia maacutexima maximorum [Lsup3T]
Tr tempo de retorno [T]
Q10000 cheia decamilenar (10000 anos de tempo de retorno) [Lsup3T]
Qmax cheia maacutexima [Lsup3T]
B largura da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
va velocidade de aproximaccedilatildeo [LT]
zr cota do ponto onde ocorre o iniacutecio do ressalto [L]
HT carga a montante [L]
z cota da crista do vertedouro [L]
h altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro [L]
Cf cota de fundo [L]
Nj niacutevel de jusante [L]
fator de correccedilatildeo da curva chave
a declividade de montante da soleira terminal
s altura da soleira terminal [L]
zt diferenccedila de cota entre o topo da soleira terminal e o leito de jusante [L]
ts espessura do topo da soleira terminal [L]
f folga a ser somada na altura dos muros laterais [L]
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
14
1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
15
obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
21
Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
22
31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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58
r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
59
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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60
Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
61
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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62
ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
63
Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
65
Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
69
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
71
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
75
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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76
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
77
A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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82
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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_____ Pesquisa sobre o termo Dam Disponiacutevel em
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Ressalto32JPGgt Acesso em 19 maio 2010
DEacuteBORA SACCARO TURELLA
CRITEacuteRIOS DE DIMENSIONAMENTO PARA BACIA DE
DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
Este Trabalho de Diplomaccedilatildeo foi julgado adequado como preacute-requisito para a obtenccedilatildeo do
tiacutetulo de ENGENHEIRO CIVIL e aprovado em sua forma final pelo Professor Orientador e
pela Coordenadora da disciplina Trabalho de Diplomaccedilatildeo Engenharia Civil II (ENG01040) da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Porto Alegre 14 de julho de 2010
Prof Marcelo Giulian Marques
PhD pelo Deacutepartement de Geacutenie Civil
Universiteacute LavalQueacutebec
Orientador
Alexandre Augusto Mees Alves
Mestre em Recursos Hiacutedricos e Saneamento
Ambiental UFRGSPorto Alegre
Coorientador
Profa Carin Maria Schmitt
Coordenadora
BANCA EXAMINADORA
Eng Mauriacutecio Dai Praacute
Me pela UFRGS
Eng Rafael Andreacute Wiest
Me pela UFRGS
Eng Alexandre Augusto Mees Alves
Me pela UFRGS
Prof Marcelo Giulian Marques
PhD pela Universiteacute LavalQueacutebec
Dedico este trabalho agrave minha famiacutelia
AGRADECIMENTOS
Agradeccedilo ao Prof Marcelo Giulian Marques pela orientaccedilatildeo pela motivaccedilatildeo e por todos os
conhecimentos positivos proporcionados para o meu aprendizado e para a elaboraccedilatildeo deste
trabalho
Agradeccedilo ao doutorando Alexandre Augusto Mees Alves coorientador deste trabalho pela
oportunidade de aprendizado pelo apoio e pela grande contribuiccedilatildeo na realizaccedilatildeo deste
trabalho
Agradeccedilo a professora Carin coordenadora deste trabalho por sempre ajudar no correto
andamento do mesmo e pela motivaccedilatildeo
Agradeccedilo a todos aqueles que direta ou indiretamente colaboraram na execuccedilatildeo deste
trabalho
Aprender eacute a uacutenica coisa de que a mente nunca se cansa
nunca tem medo e nunca se arrepende
Leonardo da Vinci
RESUMO
TURELLA D S Criteacuterios de dimensionamento para bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I 2010 86 f Trabalho de Diplomaccedilatildeo (Graduaccedilatildeo em Engenharia Civil) ndash
Departamento de Engenharia Civil Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto
Alegre
O presente trabalho aborda os criteacuterios de projeto para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I e apresenta um estudo de caso onde satildeo aplicados
estes criteacuterios Esta estrutura eacute uma das obras que pode vir a compor o sistema extravasor de
uma barragem que eacute o dispositivo responsaacutevel pela seguranccedila da obra nos periacuteodos de cheias
por onde satildeo descartadas as vazotildees excedentes A partir da revisatildeo bibliograacutefica foi feita uma
anaacutelise sobre as obras que compotildeem este sistema de seguranccedila que satildeo obrigatoriamente
vertedouro e dissipador de energia mas dependendo das condiccedilotildees topograacuteficas geoloacutegicas
construtivas e de arranjo podem ser necessaacuterias outras estruturas complementares tais como
canal de aproximaccedilatildeo canal raacutepido canal de descarga entre outros Na primeira etapa do
trabalho satildeo descritas as estruturas que compotildeem o sistema extravasor e os tipos de
dissipadores de energia que satildeo os dispositivos com a finalidade de dissipar a energia cineacutetica
do escoamento vertido e adequaacute-lo ao curso natural do rio minimizando os possiacuteveis efeitos
erosivos do escoamento que poderiam comprometer a fundaccedilatildeo e consequentemente a
seguranccedila da barragem Na fase seguinte parte-se para o detalhamento de bacias de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico apresentando os modelos existentes mais frequentes
classificados de acordo com a United Statates Bureau of Reclamation Como o dissipador em
anaacutelise utiliza o ressalto hidraacuteulico eacute feita uma descriccedilatildeo deste fenocircmeno que ocorre na
transiccedilatildeo do regime raacutepido para o regime lento com elevada intensidade de turbulecircncia e
consequentemente com significativa dissipaccedilatildeo de energia Nesta etapa satildeo abordadas de
forma mais minuciosa as bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I Apoacutes a exposiccedilatildeo
destas estruturas satildeo definidos e detalhados os criteacuterios de projeto necessaacuterios para um
dissipador situado em condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas similares agraves do Brasil sendo por fim
apresentado uma anaacutelise em um caso hipoteacutetico onde satildeo aplicados os conhecimentos
apresentados neste trabalho
Palavras-chave sistema extravasor dissipador de energia bacia de dissipaccedilatildeo ressalto
hidraacuteulico criteacuterios de projeto
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa 18
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui 21
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia com
dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 21
Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal (perfil
Creager) 25
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas e (b) Barragem Takato Dam
Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas 26
Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa e (b) vertedouro da
barragem Monticello Dam na Califoacuternia 28
Figura 7 vertedouro em sifatildeo 28
Figura 8 concha de arremesso 31
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso 31
Figura 10 dissipador salto de esqui 32
Figura 11 vertedouro em degraus 33
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 33
Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 34
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II 35
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III 36
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do dissipador
de energia da Barragem de Bonnevile 36
Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia da
Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia 37
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 38
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas 39
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana 39
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico 40
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico 41
Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro 43
Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico 44
Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo 45
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 50
Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico 56
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
localizaccedilatildeo limite a jusante para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico 59
Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante Nj
eacute insuficiente para a altura yl requerida 60
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente para
o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos nas posiccedilotildees possiacuteveis de se
formarem 60
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados 61
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem 61
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 65
Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro 68
Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m 72
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m 73
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura 75
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m 78
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m 79
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura 81
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I 83
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 46
Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 47
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 48
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura 53
Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros 54
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas 54
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 71
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 71
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m 72
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados 73
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal 74
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 74
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados 74
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 77
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 77
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m 78
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados 79
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal 80
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 80
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados 80
LISTA DE SIacuteMBOLOS
v Velocidade [LT]
g aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
yr altura conjugada raacutepida [L]
Fr nuacutemero de Froude
Q vazatildeo [Lsup3T]
A aacuterea da seccedilatildeo transversal [Lsup2]
yl altura conjugada lenta [L]
Lr comprimento do rolo [L]
Frr nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto
Lj comprimento do ressalto hidraacuteulico [L]
Hr carga no iniacutecio do ressalto [L]
Hl carga no final do ressalto [L]
H carga [L]
y altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
vc velocidade criacutetica [LT]
Ln comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico [L]
Lb comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
e espessura da bacia e ancoragem [L]
CL altura dos muros laterais [L]
R raio de transiccedilatildeo [L]
Q1000 vazatildeo de 1000 anos de tempo de retorno [Lsup3T]
Tw tail water altura da lamina drsquoaacutegua no leito do rio [L]
Qp cheia de projeto [Lsup3T]
Qmaacutexmax cheia maacutexima maximorum [Lsup3T]
Tr tempo de retorno [T]
Q10000 cheia decamilenar (10000 anos de tempo de retorno) [Lsup3T]
Qmax cheia maacutexima [Lsup3T]
B largura da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
va velocidade de aproximaccedilatildeo [LT]
zr cota do ponto onde ocorre o iniacutecio do ressalto [L]
HT carga a montante [L]
z cota da crista do vertedouro [L]
h altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro [L]
Cf cota de fundo [L]
Nj niacutevel de jusante [L]
fator de correccedilatildeo da curva chave
a declividade de montante da soleira terminal
s altura da soleira terminal [L]
zt diferenccedila de cota entre o topo da soleira terminal e o leito de jusante [L]
ts espessura do topo da soleira terminal [L]
f folga a ser somada na altura dos muros laterais [L]
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
21
Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
41
Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
43
Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
44
Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
47
Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
49
bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
51
d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
55
fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
61
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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62
ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
63
Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
65
Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
69
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
__________________________________________________________________________________________
Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
82
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
84
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MEES A A A Caracterizaccedilatildeo das solicitaccedilotildees hidrodinacircmicas em bacias de dissipaccedilatildeo
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
85
ORTIZ J P Macroturbulecircncia de Escoamento a Jusante de Estruturas de Dissipaccedilatildeo por
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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_____ Pesquisa sobre o termo Dam Disponiacutevel em
lthttpuploadwikimediaorgwikipediacommonsthumbbbaRessalto32JPG250px-
Ressalto32JPGgt Acesso em 19 maio 2010
Dedico este trabalho agrave minha famiacutelia
AGRADECIMENTOS
Agradeccedilo ao Prof Marcelo Giulian Marques pela orientaccedilatildeo pela motivaccedilatildeo e por todos os
conhecimentos positivos proporcionados para o meu aprendizado e para a elaboraccedilatildeo deste
trabalho
Agradeccedilo ao doutorando Alexandre Augusto Mees Alves coorientador deste trabalho pela
oportunidade de aprendizado pelo apoio e pela grande contribuiccedilatildeo na realizaccedilatildeo deste
trabalho
Agradeccedilo a professora Carin coordenadora deste trabalho por sempre ajudar no correto
andamento do mesmo e pela motivaccedilatildeo
Agradeccedilo a todos aqueles que direta ou indiretamente colaboraram na execuccedilatildeo deste
trabalho
Aprender eacute a uacutenica coisa de que a mente nunca se cansa
nunca tem medo e nunca se arrepende
Leonardo da Vinci
RESUMO
TURELLA D S Criteacuterios de dimensionamento para bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I 2010 86 f Trabalho de Diplomaccedilatildeo (Graduaccedilatildeo em Engenharia Civil) ndash
Departamento de Engenharia Civil Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto
Alegre
O presente trabalho aborda os criteacuterios de projeto para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I e apresenta um estudo de caso onde satildeo aplicados
estes criteacuterios Esta estrutura eacute uma das obras que pode vir a compor o sistema extravasor de
uma barragem que eacute o dispositivo responsaacutevel pela seguranccedila da obra nos periacuteodos de cheias
por onde satildeo descartadas as vazotildees excedentes A partir da revisatildeo bibliograacutefica foi feita uma
anaacutelise sobre as obras que compotildeem este sistema de seguranccedila que satildeo obrigatoriamente
vertedouro e dissipador de energia mas dependendo das condiccedilotildees topograacuteficas geoloacutegicas
construtivas e de arranjo podem ser necessaacuterias outras estruturas complementares tais como
canal de aproximaccedilatildeo canal raacutepido canal de descarga entre outros Na primeira etapa do
trabalho satildeo descritas as estruturas que compotildeem o sistema extravasor e os tipos de
dissipadores de energia que satildeo os dispositivos com a finalidade de dissipar a energia cineacutetica
do escoamento vertido e adequaacute-lo ao curso natural do rio minimizando os possiacuteveis efeitos
erosivos do escoamento que poderiam comprometer a fundaccedilatildeo e consequentemente a
seguranccedila da barragem Na fase seguinte parte-se para o detalhamento de bacias de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico apresentando os modelos existentes mais frequentes
classificados de acordo com a United Statates Bureau of Reclamation Como o dissipador em
anaacutelise utiliza o ressalto hidraacuteulico eacute feita uma descriccedilatildeo deste fenocircmeno que ocorre na
transiccedilatildeo do regime raacutepido para o regime lento com elevada intensidade de turbulecircncia e
consequentemente com significativa dissipaccedilatildeo de energia Nesta etapa satildeo abordadas de
forma mais minuciosa as bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I Apoacutes a exposiccedilatildeo
destas estruturas satildeo definidos e detalhados os criteacuterios de projeto necessaacuterios para um
dissipador situado em condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas similares agraves do Brasil sendo por fim
apresentado uma anaacutelise em um caso hipoteacutetico onde satildeo aplicados os conhecimentos
apresentados neste trabalho
Palavras-chave sistema extravasor dissipador de energia bacia de dissipaccedilatildeo ressalto
hidraacuteulico criteacuterios de projeto
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa 18
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui 21
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia com
dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 21
Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal (perfil
Creager) 25
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas e (b) Barragem Takato Dam
Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas 26
Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa e (b) vertedouro da
barragem Monticello Dam na Califoacuternia 28
Figura 7 vertedouro em sifatildeo 28
Figura 8 concha de arremesso 31
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso 31
Figura 10 dissipador salto de esqui 32
Figura 11 vertedouro em degraus 33
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 33
Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 34
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II 35
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III 36
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do dissipador
de energia da Barragem de Bonnevile 36
Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia da
Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia 37
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 38
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas 39
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana 39
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico 40
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico 41
Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro 43
Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico 44
Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo 45
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 50
Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico 56
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
localizaccedilatildeo limite a jusante para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico 59
Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante Nj
eacute insuficiente para a altura yl requerida 60
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente para
o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos nas posiccedilotildees possiacuteveis de se
formarem 60
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados 61
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem 61
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 65
Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro 68
Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m 72
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m 73
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura 75
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m 78
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m 79
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura 81
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I 83
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 46
Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 47
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 48
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura 53
Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros 54
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas 54
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 71
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 71
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m 72
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados 73
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal 74
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 74
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados 74
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 77
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 77
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m 78
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados 79
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal 80
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 80
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados 80
LISTA DE SIacuteMBOLOS
v Velocidade [LT]
g aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
yr altura conjugada raacutepida [L]
Fr nuacutemero de Froude
Q vazatildeo [Lsup3T]
A aacuterea da seccedilatildeo transversal [Lsup2]
yl altura conjugada lenta [L]
Lr comprimento do rolo [L]
Frr nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto
Lj comprimento do ressalto hidraacuteulico [L]
Hr carga no iniacutecio do ressalto [L]
Hl carga no final do ressalto [L]
H carga [L]
y altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
vc velocidade criacutetica [LT]
Ln comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico [L]
Lb comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
e espessura da bacia e ancoragem [L]
CL altura dos muros laterais [L]
R raio de transiccedilatildeo [L]
Q1000 vazatildeo de 1000 anos de tempo de retorno [Lsup3T]
Tw tail water altura da lamina drsquoaacutegua no leito do rio [L]
Qp cheia de projeto [Lsup3T]
Qmaacutexmax cheia maacutexima maximorum [Lsup3T]
Tr tempo de retorno [T]
Q10000 cheia decamilenar (10000 anos de tempo de retorno) [Lsup3T]
Qmax cheia maacutexima [Lsup3T]
B largura da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
va velocidade de aproximaccedilatildeo [LT]
zr cota do ponto onde ocorre o iniacutecio do ressalto [L]
HT carga a montante [L]
z cota da crista do vertedouro [L]
h altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro [L]
Cf cota de fundo [L]
Nj niacutevel de jusante [L]
fator de correccedilatildeo da curva chave
a declividade de montante da soleira terminal
s altura da soleira terminal [L]
zt diferenccedila de cota entre o topo da soleira terminal e o leito de jusante [L]
ts espessura do topo da soleira terminal [L]
f folga a ser somada na altura dos muros laterais [L]
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
14
1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
__________________________________________________________________________________________
Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
15
obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
68
Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
69
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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70
Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
71
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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72
Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
73
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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74
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
75
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
77
A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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78
Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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80
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
84
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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SCHREIBER G P Usinas Hidreleacutetricas Satildeo Paulo Edgar Bluumlncher 1977
TAMADA K Dissipaccedilatildeo de Energia na Engenharia Hidraacuteulica Resumo de Aula Satildeo
Paulo [1991]
TRIERWEILER NETO E F Avaliaccedilatildeo do Campo de Pressotildees em Ressalto Hidraacuteulico
Formado a Jusante de uma Comporta com Diferentes Graus de Submergecircncia 2006
194 f Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Recursos Hiacutedricos e Saneamento Ambiental) ― Programa
de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Recursos Hiacutedricos e Saneamento Ambiental Universidade Federal do
Rio Grande do Sul Porto Alegre
UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Design
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Disponiacutevel em lthttpjornaloncomp=3224gt Acesso em 30 nov 2009
VERTEDOUROS em degraus Material do Departamento de Engenharia Hidraacuteulica e
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lthttpwwwehrufmgbrdocsehrposgrad16pdfgt Acesso em 24 jan 2010
VISCHER D L HAGER W H Introduction In _____ Energy Dissipators Zurich A A
Balkema 1995 v 9
WIEST R A Avaliaccedilatildeo do Campo de Pressotildees em Ressalto Hidraacuteulico Formado a
Jusante de Um Vertedouro com Diferentes Graus de Submergecircncia 2008 158 f
Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Engenharia) ― Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Recursos Hiacutedricos
e Saneamento Ambiental Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre
WIKIPEDIA Enciclopeacutedia gratuita online Pesquisa sobre o termo Dam Disponiacutevel em
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
86
_____ Pesquisa sobre o termo Dam Disponiacutevel em
lthttpuploadwikimediaorgwikipediacommonsthumbbbaRessalto32JPG250px-
Ressalto32JPGgt Acesso em 19 maio 2010
AGRADECIMENTOS
Agradeccedilo ao Prof Marcelo Giulian Marques pela orientaccedilatildeo pela motivaccedilatildeo e por todos os
conhecimentos positivos proporcionados para o meu aprendizado e para a elaboraccedilatildeo deste
trabalho
Agradeccedilo ao doutorando Alexandre Augusto Mees Alves coorientador deste trabalho pela
oportunidade de aprendizado pelo apoio e pela grande contribuiccedilatildeo na realizaccedilatildeo deste
trabalho
Agradeccedilo a professora Carin coordenadora deste trabalho por sempre ajudar no correto
andamento do mesmo e pela motivaccedilatildeo
Agradeccedilo a todos aqueles que direta ou indiretamente colaboraram na execuccedilatildeo deste
trabalho
Aprender eacute a uacutenica coisa de que a mente nunca se cansa
nunca tem medo e nunca se arrepende
Leonardo da Vinci
RESUMO
TURELLA D S Criteacuterios de dimensionamento para bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I 2010 86 f Trabalho de Diplomaccedilatildeo (Graduaccedilatildeo em Engenharia Civil) ndash
Departamento de Engenharia Civil Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto
Alegre
O presente trabalho aborda os criteacuterios de projeto para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I e apresenta um estudo de caso onde satildeo aplicados
estes criteacuterios Esta estrutura eacute uma das obras que pode vir a compor o sistema extravasor de
uma barragem que eacute o dispositivo responsaacutevel pela seguranccedila da obra nos periacuteodos de cheias
por onde satildeo descartadas as vazotildees excedentes A partir da revisatildeo bibliograacutefica foi feita uma
anaacutelise sobre as obras que compotildeem este sistema de seguranccedila que satildeo obrigatoriamente
vertedouro e dissipador de energia mas dependendo das condiccedilotildees topograacuteficas geoloacutegicas
construtivas e de arranjo podem ser necessaacuterias outras estruturas complementares tais como
canal de aproximaccedilatildeo canal raacutepido canal de descarga entre outros Na primeira etapa do
trabalho satildeo descritas as estruturas que compotildeem o sistema extravasor e os tipos de
dissipadores de energia que satildeo os dispositivos com a finalidade de dissipar a energia cineacutetica
do escoamento vertido e adequaacute-lo ao curso natural do rio minimizando os possiacuteveis efeitos
erosivos do escoamento que poderiam comprometer a fundaccedilatildeo e consequentemente a
seguranccedila da barragem Na fase seguinte parte-se para o detalhamento de bacias de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico apresentando os modelos existentes mais frequentes
classificados de acordo com a United Statates Bureau of Reclamation Como o dissipador em
anaacutelise utiliza o ressalto hidraacuteulico eacute feita uma descriccedilatildeo deste fenocircmeno que ocorre na
transiccedilatildeo do regime raacutepido para o regime lento com elevada intensidade de turbulecircncia e
consequentemente com significativa dissipaccedilatildeo de energia Nesta etapa satildeo abordadas de
forma mais minuciosa as bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I Apoacutes a exposiccedilatildeo
destas estruturas satildeo definidos e detalhados os criteacuterios de projeto necessaacuterios para um
dissipador situado em condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas similares agraves do Brasil sendo por fim
apresentado uma anaacutelise em um caso hipoteacutetico onde satildeo aplicados os conhecimentos
apresentados neste trabalho
Palavras-chave sistema extravasor dissipador de energia bacia de dissipaccedilatildeo ressalto
hidraacuteulico criteacuterios de projeto
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa 18
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui 21
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia com
dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 21
Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal (perfil
Creager) 25
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas e (b) Barragem Takato Dam
Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas 26
Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa e (b) vertedouro da
barragem Monticello Dam na Califoacuternia 28
Figura 7 vertedouro em sifatildeo 28
Figura 8 concha de arremesso 31
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso 31
Figura 10 dissipador salto de esqui 32
Figura 11 vertedouro em degraus 33
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 33
Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 34
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II 35
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III 36
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do dissipador
de energia da Barragem de Bonnevile 36
Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia da
Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia 37
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 38
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas 39
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana 39
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico 40
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico 41
Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro 43
Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico 44
Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo 45
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 50
Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico 56
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
localizaccedilatildeo limite a jusante para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico 59
Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante Nj
eacute insuficiente para a altura yl requerida 60
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente para
o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos nas posiccedilotildees possiacuteveis de se
formarem 60
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados 61
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem 61
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 65
Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro 68
Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m 72
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m 73
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura 75
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m 78
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m 79
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura 81
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I 83
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 46
Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 47
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 48
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura 53
Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros 54
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas 54
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 71
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 71
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m 72
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados 73
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal 74
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 74
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados 74
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 77
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 77
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m 78
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados 79
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal 80
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 80
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados 80
LISTA DE SIacuteMBOLOS
v Velocidade [LT]
g aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
yr altura conjugada raacutepida [L]
Fr nuacutemero de Froude
Q vazatildeo [Lsup3T]
A aacuterea da seccedilatildeo transversal [Lsup2]
yl altura conjugada lenta [L]
Lr comprimento do rolo [L]
Frr nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto
Lj comprimento do ressalto hidraacuteulico [L]
Hr carga no iniacutecio do ressalto [L]
Hl carga no final do ressalto [L]
H carga [L]
y altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
vc velocidade criacutetica [LT]
Ln comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico [L]
Lb comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
e espessura da bacia e ancoragem [L]
CL altura dos muros laterais [L]
R raio de transiccedilatildeo [L]
Q1000 vazatildeo de 1000 anos de tempo de retorno [Lsup3T]
Tw tail water altura da lamina drsquoaacutegua no leito do rio [L]
Qp cheia de projeto [Lsup3T]
Qmaacutexmax cheia maacutexima maximorum [Lsup3T]
Tr tempo de retorno [T]
Q10000 cheia decamilenar (10000 anos de tempo de retorno) [Lsup3T]
Qmax cheia maacutexima [Lsup3T]
B largura da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
va velocidade de aproximaccedilatildeo [LT]
zr cota do ponto onde ocorre o iniacutecio do ressalto [L]
HT carga a montante [L]
z cota da crista do vertedouro [L]
h altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro [L]
Cf cota de fundo [L]
Nj niacutevel de jusante [L]
fator de correccedilatildeo da curva chave
a declividade de montante da soleira terminal
s altura da soleira terminal [L]
zt diferenccedila de cota entre o topo da soleira terminal e o leito de jusante [L]
ts espessura do topo da soleira terminal [L]
f folga a ser somada na altura dos muros laterais [L]
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
14
1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
15
obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
20
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
__________________________________________________________________________________________
Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
41
Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
53
5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
55
fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
57
h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
59
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
61
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
69
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
71
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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72
Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
73
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
74
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
75
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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76
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
77
A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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78
Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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80
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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82
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
84
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ESTRUTURAS hidraacuteulicas Material do Departamento de Engenharia Hidraacuteulica e Recursos
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EXTRAVASOR tipo tulipa Material do Departamento de Engenharia Hidraacuteulica e Recursos
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MEES A A A Caracterizaccedilatildeo das solicitaccedilotildees hidrodinacircmicas em bacias de dissipaccedilatildeo
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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_____ Pesquisa sobre o termo Dam Disponiacutevel em
lthttpuploadwikimediaorgwikipediacommonsthumbbbaRessalto32JPG250px-
Ressalto32JPGgt Acesso em 19 maio 2010
Aprender eacute a uacutenica coisa de que a mente nunca se cansa
nunca tem medo e nunca se arrepende
Leonardo da Vinci
RESUMO
TURELLA D S Criteacuterios de dimensionamento para bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I 2010 86 f Trabalho de Diplomaccedilatildeo (Graduaccedilatildeo em Engenharia Civil) ndash
Departamento de Engenharia Civil Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto
Alegre
O presente trabalho aborda os criteacuterios de projeto para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I e apresenta um estudo de caso onde satildeo aplicados
estes criteacuterios Esta estrutura eacute uma das obras que pode vir a compor o sistema extravasor de
uma barragem que eacute o dispositivo responsaacutevel pela seguranccedila da obra nos periacuteodos de cheias
por onde satildeo descartadas as vazotildees excedentes A partir da revisatildeo bibliograacutefica foi feita uma
anaacutelise sobre as obras que compotildeem este sistema de seguranccedila que satildeo obrigatoriamente
vertedouro e dissipador de energia mas dependendo das condiccedilotildees topograacuteficas geoloacutegicas
construtivas e de arranjo podem ser necessaacuterias outras estruturas complementares tais como
canal de aproximaccedilatildeo canal raacutepido canal de descarga entre outros Na primeira etapa do
trabalho satildeo descritas as estruturas que compotildeem o sistema extravasor e os tipos de
dissipadores de energia que satildeo os dispositivos com a finalidade de dissipar a energia cineacutetica
do escoamento vertido e adequaacute-lo ao curso natural do rio minimizando os possiacuteveis efeitos
erosivos do escoamento que poderiam comprometer a fundaccedilatildeo e consequentemente a
seguranccedila da barragem Na fase seguinte parte-se para o detalhamento de bacias de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico apresentando os modelos existentes mais frequentes
classificados de acordo com a United Statates Bureau of Reclamation Como o dissipador em
anaacutelise utiliza o ressalto hidraacuteulico eacute feita uma descriccedilatildeo deste fenocircmeno que ocorre na
transiccedilatildeo do regime raacutepido para o regime lento com elevada intensidade de turbulecircncia e
consequentemente com significativa dissipaccedilatildeo de energia Nesta etapa satildeo abordadas de
forma mais minuciosa as bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I Apoacutes a exposiccedilatildeo
destas estruturas satildeo definidos e detalhados os criteacuterios de projeto necessaacuterios para um
dissipador situado em condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas similares agraves do Brasil sendo por fim
apresentado uma anaacutelise em um caso hipoteacutetico onde satildeo aplicados os conhecimentos
apresentados neste trabalho
Palavras-chave sistema extravasor dissipador de energia bacia de dissipaccedilatildeo ressalto
hidraacuteulico criteacuterios de projeto
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa 18
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui 21
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia com
dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 21
Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal (perfil
Creager) 25
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas e (b) Barragem Takato Dam
Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas 26
Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa e (b) vertedouro da
barragem Monticello Dam na Califoacuternia 28
Figura 7 vertedouro em sifatildeo 28
Figura 8 concha de arremesso 31
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso 31
Figura 10 dissipador salto de esqui 32
Figura 11 vertedouro em degraus 33
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 33
Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 34
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II 35
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III 36
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do dissipador
de energia da Barragem de Bonnevile 36
Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia da
Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia 37
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 38
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas 39
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana 39
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico 40
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico 41
Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro 43
Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico 44
Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo 45
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 50
Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico 56
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
localizaccedilatildeo limite a jusante para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico 59
Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante Nj
eacute insuficiente para a altura yl requerida 60
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente para
o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos nas posiccedilotildees possiacuteveis de se
formarem 60
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados 61
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem 61
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 65
Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro 68
Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m 72
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m 73
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura 75
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m 78
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m 79
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura 81
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I 83
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 46
Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 47
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 48
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura 53
Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros 54
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas 54
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 71
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 71
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m 72
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados 73
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal 74
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 74
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados 74
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 77
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 77
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m 78
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados 79
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal 80
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 80
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados 80
LISTA DE SIacuteMBOLOS
v Velocidade [LT]
g aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
yr altura conjugada raacutepida [L]
Fr nuacutemero de Froude
Q vazatildeo [Lsup3T]
A aacuterea da seccedilatildeo transversal [Lsup2]
yl altura conjugada lenta [L]
Lr comprimento do rolo [L]
Frr nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto
Lj comprimento do ressalto hidraacuteulico [L]
Hr carga no iniacutecio do ressalto [L]
Hl carga no final do ressalto [L]
H carga [L]
y altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
vc velocidade criacutetica [LT]
Ln comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico [L]
Lb comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
e espessura da bacia e ancoragem [L]
CL altura dos muros laterais [L]
R raio de transiccedilatildeo [L]
Q1000 vazatildeo de 1000 anos de tempo de retorno [Lsup3T]
Tw tail water altura da lamina drsquoaacutegua no leito do rio [L]
Qp cheia de projeto [Lsup3T]
Qmaacutexmax cheia maacutexima maximorum [Lsup3T]
Tr tempo de retorno [T]
Q10000 cheia decamilenar (10000 anos de tempo de retorno) [Lsup3T]
Qmax cheia maacutexima [Lsup3T]
B largura da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
va velocidade de aproximaccedilatildeo [LT]
zr cota do ponto onde ocorre o iniacutecio do ressalto [L]
HT carga a montante [L]
z cota da crista do vertedouro [L]
h altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro [L]
Cf cota de fundo [L]
Nj niacutevel de jusante [L]
fator de correccedilatildeo da curva chave
a declividade de montante da soleira terminal
s altura da soleira terminal [L]
zt diferenccedila de cota entre o topo da soleira terminal e o leito de jusante [L]
ts espessura do topo da soleira terminal [L]
f folga a ser somada na altura dos muros laterais [L]
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
41
Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
43
Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
51
d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
59
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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60
Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
61
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
65
Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
80
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
82
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
84
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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RESUMO
TURELLA D S Criteacuterios de dimensionamento para bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I 2010 86 f Trabalho de Diplomaccedilatildeo (Graduaccedilatildeo em Engenharia Civil) ndash
Departamento de Engenharia Civil Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto
Alegre
O presente trabalho aborda os criteacuterios de projeto para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I e apresenta um estudo de caso onde satildeo aplicados
estes criteacuterios Esta estrutura eacute uma das obras que pode vir a compor o sistema extravasor de
uma barragem que eacute o dispositivo responsaacutevel pela seguranccedila da obra nos periacuteodos de cheias
por onde satildeo descartadas as vazotildees excedentes A partir da revisatildeo bibliograacutefica foi feita uma
anaacutelise sobre as obras que compotildeem este sistema de seguranccedila que satildeo obrigatoriamente
vertedouro e dissipador de energia mas dependendo das condiccedilotildees topograacuteficas geoloacutegicas
construtivas e de arranjo podem ser necessaacuterias outras estruturas complementares tais como
canal de aproximaccedilatildeo canal raacutepido canal de descarga entre outros Na primeira etapa do
trabalho satildeo descritas as estruturas que compotildeem o sistema extravasor e os tipos de
dissipadores de energia que satildeo os dispositivos com a finalidade de dissipar a energia cineacutetica
do escoamento vertido e adequaacute-lo ao curso natural do rio minimizando os possiacuteveis efeitos
erosivos do escoamento que poderiam comprometer a fundaccedilatildeo e consequentemente a
seguranccedila da barragem Na fase seguinte parte-se para o detalhamento de bacias de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico apresentando os modelos existentes mais frequentes
classificados de acordo com a United Statates Bureau of Reclamation Como o dissipador em
anaacutelise utiliza o ressalto hidraacuteulico eacute feita uma descriccedilatildeo deste fenocircmeno que ocorre na
transiccedilatildeo do regime raacutepido para o regime lento com elevada intensidade de turbulecircncia e
consequentemente com significativa dissipaccedilatildeo de energia Nesta etapa satildeo abordadas de
forma mais minuciosa as bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I Apoacutes a exposiccedilatildeo
destas estruturas satildeo definidos e detalhados os criteacuterios de projeto necessaacuterios para um
dissipador situado em condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas similares agraves do Brasil sendo por fim
apresentado uma anaacutelise em um caso hipoteacutetico onde satildeo aplicados os conhecimentos
apresentados neste trabalho
Palavras-chave sistema extravasor dissipador de energia bacia de dissipaccedilatildeo ressalto
hidraacuteulico criteacuterios de projeto
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa 18
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui 21
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia com
dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 21
Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal (perfil
Creager) 25
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas e (b) Barragem Takato Dam
Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas 26
Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa e (b) vertedouro da
barragem Monticello Dam na Califoacuternia 28
Figura 7 vertedouro em sifatildeo 28
Figura 8 concha de arremesso 31
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso 31
Figura 10 dissipador salto de esqui 32
Figura 11 vertedouro em degraus 33
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 33
Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 34
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II 35
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III 36
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do dissipador
de energia da Barragem de Bonnevile 36
Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia da
Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia 37
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 38
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas 39
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana 39
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico 40
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico 41
Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro 43
Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico 44
Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo 45
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 50
Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico 56
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
localizaccedilatildeo limite a jusante para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico 59
Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante Nj
eacute insuficiente para a altura yl requerida 60
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente para
o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos nas posiccedilotildees possiacuteveis de se
formarem 60
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados 61
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem 61
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 65
Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro 68
Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m 72
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m 73
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura 75
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m 78
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m 79
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura 81
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I 83
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 46
Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 47
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 48
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura 53
Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros 54
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas 54
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 71
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 71
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m 72
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados 73
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal 74
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 74
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados 74
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 77
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 77
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m 78
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados 79
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal 80
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 80
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados 80
LISTA DE SIacuteMBOLOS
v Velocidade [LT]
g aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
yr altura conjugada raacutepida [L]
Fr nuacutemero de Froude
Q vazatildeo [Lsup3T]
A aacuterea da seccedilatildeo transversal [Lsup2]
yl altura conjugada lenta [L]
Lr comprimento do rolo [L]
Frr nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto
Lj comprimento do ressalto hidraacuteulico [L]
Hr carga no iniacutecio do ressalto [L]
Hl carga no final do ressalto [L]
H carga [L]
y altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
vc velocidade criacutetica [LT]
Ln comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico [L]
Lb comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
e espessura da bacia e ancoragem [L]
CL altura dos muros laterais [L]
R raio de transiccedilatildeo [L]
Q1000 vazatildeo de 1000 anos de tempo de retorno [Lsup3T]
Tw tail water altura da lamina drsquoaacutegua no leito do rio [L]
Qp cheia de projeto [Lsup3T]
Qmaacutexmax cheia maacutexima maximorum [Lsup3T]
Tr tempo de retorno [T]
Q10000 cheia decamilenar (10000 anos de tempo de retorno) [Lsup3T]
Qmax cheia maacutexima [Lsup3T]
B largura da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
va velocidade de aproximaccedilatildeo [LT]
zr cota do ponto onde ocorre o iniacutecio do ressalto [L]
HT carga a montante [L]
z cota da crista do vertedouro [L]
h altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro [L]
Cf cota de fundo [L]
Nj niacutevel de jusante [L]
fator de correccedilatildeo da curva chave
a declividade de montante da soleira terminal
s altura da soleira terminal [L]
zt diferenccedila de cota entre o topo da soleira terminal e o leito de jusante [L]
ts espessura do topo da soleira terminal [L]
f folga a ser somada na altura dos muros laterais [L]
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
47
Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
51
d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
65
Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
69
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
71
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
73
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
75
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
77
A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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82
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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Ressalto32JPGgt Acesso em 19 maio 2010
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa 18
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui 21
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia com
dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 21
Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal (perfil
Creager) 25
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas e (b) Barragem Takato Dam
Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas 26
Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa e (b) vertedouro da
barragem Monticello Dam na Califoacuternia 28
Figura 7 vertedouro em sifatildeo 28
Figura 8 concha de arremesso 31
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso 31
Figura 10 dissipador salto de esqui 32
Figura 11 vertedouro em degraus 33
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 33
Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico 34
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II 35
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III 36
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do dissipador
de energia da Barragem de Bonnevile 36
Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia da
Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia 37
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 38
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas 39
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana 39
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico 40
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico 41
Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro 43
Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico 44
Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo 45
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 50
Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico 56
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
localizaccedilatildeo limite a jusante para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico 59
Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante Nj
eacute insuficiente para a altura yl requerida 60
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente para
o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos nas posiccedilotildees possiacuteveis de se
formarem 60
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados 61
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem 61
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 65
Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro 68
Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m 72
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m 73
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura 75
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m 78
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m 79
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura 81
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I 83
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 46
Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 47
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 48
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura 53
Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros 54
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas 54
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 71
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 71
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m 72
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados 73
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal 74
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 74
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados 74
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 77
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 77
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m 78
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados 79
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal 80
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 80
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados 80
LISTA DE SIacuteMBOLOS
v Velocidade [LT]
g aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
yr altura conjugada raacutepida [L]
Fr nuacutemero de Froude
Q vazatildeo [Lsup3T]
A aacuterea da seccedilatildeo transversal [Lsup2]
yl altura conjugada lenta [L]
Lr comprimento do rolo [L]
Frr nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto
Lj comprimento do ressalto hidraacuteulico [L]
Hr carga no iniacutecio do ressalto [L]
Hl carga no final do ressalto [L]
H carga [L]
y altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
vc velocidade criacutetica [LT]
Ln comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico [L]
Lb comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
e espessura da bacia e ancoragem [L]
CL altura dos muros laterais [L]
R raio de transiccedilatildeo [L]
Q1000 vazatildeo de 1000 anos de tempo de retorno [Lsup3T]
Tw tail water altura da lamina drsquoaacutegua no leito do rio [L]
Qp cheia de projeto [Lsup3T]
Qmaacutexmax cheia maacutexima maximorum [Lsup3T]
Tr tempo de retorno [T]
Q10000 cheia decamilenar (10000 anos de tempo de retorno) [Lsup3T]
Qmax cheia maacutexima [Lsup3T]
B largura da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
va velocidade de aproximaccedilatildeo [LT]
zr cota do ponto onde ocorre o iniacutecio do ressalto [L]
HT carga a montante [L]
z cota da crista do vertedouro [L]
h altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro [L]
Cf cota de fundo [L]
Nj niacutevel de jusante [L]
fator de correccedilatildeo da curva chave
a declividade de montante da soleira terminal
s altura da soleira terminal [L]
zt diferenccedila de cota entre o topo da soleira terminal e o leito de jusante [L]
ts espessura do topo da soleira terminal [L]
f folga a ser somada na altura dos muros laterais [L]
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
15
obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
__________________________________________________________________________________________
Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
20
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
41
Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
53
5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
55
fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
57
h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
59
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
61
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
69
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
73
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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74
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
75
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
77
A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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80
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
localizaccedilatildeo limite a jusante para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico 59
Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante Nj
eacute insuficiente para a altura yl requerida 60
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente para
o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos nas posiccedilotildees possiacuteveis de se
formarem 60
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados 61
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem 61
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I 65
Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro 68
Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 70
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m 72
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m 73
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura 75
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico) 76
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m 78
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m 79
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura 81
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I 83
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 46
Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 47
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 48
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura 53
Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros 54
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas 54
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 71
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 71
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m 72
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados 73
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal 74
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 74
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados 74
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 77
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 77
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m 78
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados 79
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal 80
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 80
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados 80
LISTA DE SIacuteMBOLOS
v Velocidade [LT]
g aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
yr altura conjugada raacutepida [L]
Fr nuacutemero de Froude
Q vazatildeo [Lsup3T]
A aacuterea da seccedilatildeo transversal [Lsup2]
yl altura conjugada lenta [L]
Lr comprimento do rolo [L]
Frr nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto
Lj comprimento do ressalto hidraacuteulico [L]
Hr carga no iniacutecio do ressalto [L]
Hl carga no final do ressalto [L]
H carga [L]
y altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
vc velocidade criacutetica [LT]
Ln comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico [L]
Lb comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
e espessura da bacia e ancoragem [L]
CL altura dos muros laterais [L]
R raio de transiccedilatildeo [L]
Q1000 vazatildeo de 1000 anos de tempo de retorno [Lsup3T]
Tw tail water altura da lamina drsquoaacutegua no leito do rio [L]
Qp cheia de projeto [Lsup3T]
Qmaacutexmax cheia maacutexima maximorum [Lsup3T]
Tr tempo de retorno [T]
Q10000 cheia decamilenar (10000 anos de tempo de retorno) [Lsup3T]
Qmax cheia maacutexima [Lsup3T]
B largura da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
va velocidade de aproximaccedilatildeo [LT]
zr cota do ponto onde ocorre o iniacutecio do ressalto [L]
HT carga a montante [L]
z cota da crista do vertedouro [L]
h altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro [L]
Cf cota de fundo [L]
Nj niacutevel de jusante [L]
fator de correccedilatildeo da curva chave
a declividade de montante da soleira terminal
s altura da soleira terminal [L]
zt diferenccedila de cota entre o topo da soleira terminal e o leito de jusante [L]
ts espessura do topo da soleira terminal [L]
f folga a ser somada na altura dos muros laterais [L]
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
21
Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
43
Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
49
bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
51
d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
63
Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
65
Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
__________________________________________________________________________________________
Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
82
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
84
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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_____ Pesquisa sobre o termo Dam Disponiacutevel em
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Ressalto32JPGgt Acesso em 19 maio 2010
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 46
Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 47
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 48
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura 53
Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros 54
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas 54
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 71
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 71
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m 72
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados 73
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal 74
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 74
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados 74
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto 77
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador 77
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m 78
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados 79
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal 80
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais 80
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados 80
LISTA DE SIacuteMBOLOS
v Velocidade [LT]
g aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
yr altura conjugada raacutepida [L]
Fr nuacutemero de Froude
Q vazatildeo [Lsup3T]
A aacuterea da seccedilatildeo transversal [Lsup2]
yl altura conjugada lenta [L]
Lr comprimento do rolo [L]
Frr nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto
Lj comprimento do ressalto hidraacuteulico [L]
Hr carga no iniacutecio do ressalto [L]
Hl carga no final do ressalto [L]
H carga [L]
y altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
vc velocidade criacutetica [LT]
Ln comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico [L]
Lb comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
e espessura da bacia e ancoragem [L]
CL altura dos muros laterais [L]
R raio de transiccedilatildeo [L]
Q1000 vazatildeo de 1000 anos de tempo de retorno [Lsup3T]
Tw tail water altura da lamina drsquoaacutegua no leito do rio [L]
Qp cheia de projeto [Lsup3T]
Qmaacutexmax cheia maacutexima maximorum [Lsup3T]
Tr tempo de retorno [T]
Q10000 cheia decamilenar (10000 anos de tempo de retorno) [Lsup3T]
Qmax cheia maacutexima [Lsup3T]
B largura da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
va velocidade de aproximaccedilatildeo [LT]
zr cota do ponto onde ocorre o iniacutecio do ressalto [L]
HT carga a montante [L]
z cota da crista do vertedouro [L]
h altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro [L]
Cf cota de fundo [L]
Nj niacutevel de jusante [L]
fator de correccedilatildeo da curva chave
a declividade de montante da soleira terminal
s altura da soleira terminal [L]
zt diferenccedila de cota entre o topo da soleira terminal e o leito de jusante [L]
ts espessura do topo da soleira terminal [L]
f folga a ser somada na altura dos muros laterais [L]
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
14
1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
15
obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
17
23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
18
O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
__________________________________________________________________________________________
Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
19
dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
20
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
__________________________________________________________________________________________
Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
21
Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
41
Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
53
5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
55
fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
57
h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
69
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
71
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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72
Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
73
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
74
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
75
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
76
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
77
A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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78
Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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80
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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82
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
84
REFEREcircNCIAS
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EXTRAVASOR tipo tulipa Material do Departamento de Engenharia Hidraacuteulica e Recursos
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MEES A A A Caracterizaccedilatildeo das solicitaccedilotildees hidrodinacircmicas em bacias de dissipaccedilatildeo
por ressalto hidraacuteulico com baixo nuacutemero de Froude 2008 157 f Dissertaccedilatildeo (Mestrado
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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TRIERWEILER NETO E F Avaliaccedilatildeo do Campo de Pressotildees em Ressalto Hidraacuteulico
Formado a Jusante de uma Comporta com Diferentes Graus de Submergecircncia 2006
194 f Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Recursos Hiacutedricos e Saneamento Ambiental) ― Programa
de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Recursos Hiacutedricos e Saneamento Ambiental Universidade Federal do
Rio Grande do Sul Porto Alegre
UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Design
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VISCHER D L HAGER W H Introduction In _____ Energy Dissipators Zurich A A
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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_____ Pesquisa sobre o termo Dam Disponiacutevel em
lthttpuploadwikimediaorgwikipediacommonsthumbbbaRessalto32JPG250px-
Ressalto32JPGgt Acesso em 19 maio 2010
LISTA DE SIacuteMBOLOS
v Velocidade [LT]
g aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
yr altura conjugada raacutepida [L]
Fr nuacutemero de Froude
Q vazatildeo [Lsup3T]
A aacuterea da seccedilatildeo transversal [Lsup2]
yl altura conjugada lenta [L]
Lr comprimento do rolo [L]
Frr nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto
Lj comprimento do ressalto hidraacuteulico [L]
Hr carga no iniacutecio do ressalto [L]
Hl carga no final do ressalto [L]
H carga [L]
y altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
vc velocidade criacutetica [LT]
Ln comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico [L]
Lb comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
e espessura da bacia e ancoragem [L]
CL altura dos muros laterais [L]
R raio de transiccedilatildeo [L]
Q1000 vazatildeo de 1000 anos de tempo de retorno [Lsup3T]
Tw tail water altura da lamina drsquoaacutegua no leito do rio [L]
Qp cheia de projeto [Lsup3T]
Qmaacutexmax cheia maacutexima maximorum [Lsup3T]
Tr tempo de retorno [T]
Q10000 cheia decamilenar (10000 anos de tempo de retorno) [Lsup3T]
Qmax cheia maacutexima [Lsup3T]
B largura da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
va velocidade de aproximaccedilatildeo [LT]
zr cota do ponto onde ocorre o iniacutecio do ressalto [L]
HT carga a montante [L]
z cota da crista do vertedouro [L]
h altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro [L]
Cf cota de fundo [L]
Nj niacutevel de jusante [L]
fator de correccedilatildeo da curva chave
a declividade de montante da soleira terminal
s altura da soleira terminal [L]
zt diferenccedila de cota entre o topo da soleira terminal e o leito de jusante [L]
ts espessura do topo da soleira terminal [L]
f folga a ser somada na altura dos muros laterais [L]
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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14
1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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66
mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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68
Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
69
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
71
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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72
Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
73
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
75
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
77
A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
__________________________________________________________________________________________
Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
__________________________________________________________________________________________
Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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82
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
84
REFEREcircNCIAS
BAPTISTA M B COELHO M M L P Fundamentos de Engenharia Hidraacuteulica 2 ed
rev Belo Horizonte Editora da UFMG 2003
CARVALHO E Seguranccedila de Barragens Aspectos Hidroloacutegicos e Hidraacuteulicos
Disponiacutevel lthttpwwwcbdborgbrdocumentosErtonCarvalho-HidrC3A1ulicapdfgt
Acesso em 27 set 2009
ELEVATORSKI E A Hydraulic Energy DissipatorsNew York McGraw-Hill Book
Company 1959
ESTRUTURAS de dissipaccedilatildeo Material do Departamento de Engenharia Hidraacuteulica e
Recursos Hiacutedricos da Escola de Engenharia da UFMG Disponiacutevel em
lthttpwwwehrufmgbrdocsehrposgrad189pdfgt Acesso em 15 jan 2010
ESTRUTURAS hidraacuteulicas Material do Departamento de Engenharia Hidraacuteulica e Recursos
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Q1000 vazatildeo de 1000 anos de tempo de retorno [Lsup3T]
Tw tail water altura da lamina drsquoaacutegua no leito do rio [L]
Qp cheia de projeto [Lsup3T]
Qmaacutexmax cheia maacutexima maximorum [Lsup3T]
Tr tempo de retorno [T]
Q10000 cheia decamilenar (10000 anos de tempo de retorno) [Lsup3T]
Qmax cheia maacutexima [Lsup3T]
B largura da bacia de dissipaccedilatildeo [L]
va velocidade de aproximaccedilatildeo [LT]
zr cota do ponto onde ocorre o iniacutecio do ressalto [L]
HT carga a montante [L]
z cota da crista do vertedouro [L]
h altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro [L]
Cf cota de fundo [L]
Nj niacutevel de jusante [L]
fator de correccedilatildeo da curva chave
a declividade de montante da soleira terminal
s altura da soleira terminal [L]
zt diferenccedila de cota entre o topo da soleira terminal e o leito de jusante [L]
ts espessura do topo da soleira terminal [L]
f folga a ser somada na altura dos muros laterais [L]
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
41
Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
43
Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
51
d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
59
Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
61
Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
80
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
82
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
84
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_____ Pesquisa sobre o termo Dam Disponiacutevel em
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Ressalto32JPGgt Acesso em 19 maio 2010
SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO 14
2 MEacuteTODO DE PESQUISA 16
21 QUESTAtildeO 16
22 OBJETIVOS DO TRABALHO 16
221 Objetivo Principal 16
222 Objetivos Secundaacuterios 16
23 PREMISSAS 17
24 DELIMITACcedilOtildeES 17
25 LIMITACcedilOtildeES 17
26 DELINEAMENTO 17
3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS 20
31 VERTEDOURO 22
311 Vertedouros de Superfiacutecie 23
3111 Vertedouro Livre 24
3112 Vertedouro com Comportas 25
312 Vertedouros Natildeo Convencionais 26
3121 Vertedouro Tulipa 27
3122 Vertedouro Sifatildeo 28
32 DISSIPADORES DE ENERGIA 29
321 Dissipadores de Lanccedilamento 30
3211 Concha de Arremesso 30
3212 Salto de Esqui 31
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo 32
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior 33
4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I 38
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO 38
411 Ressalto Claacutessico 41
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro (ressalto sobre plano inclinado) 42
413 Alturas Conjugadas 43
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto 44
4141 Comprimento do Ressalto (Lj) 45
4142 Comprimento do Rolo (Lr) 46
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
14
1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
15
obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
19
dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
__________________________________________________________________________________________
Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
21
Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
41
Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
53
5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
55
fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
57
h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
73
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
74
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
75
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
76
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
77
A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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78
Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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80
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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82
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
84
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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_____ Pesquisa sobre o termo Dam Disponiacutevel em
lthttpuploadwikimediaorgwikipediacommonsthumbbbaRessalto32JPG250px-
Ressalto32JPGgt Acesso em 19 maio 2010
4143 Comprimento da Influencia do Ressalto (Ln) 48
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees 48
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA 48
43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO 50
5 MEacuteTODO 53
51 CHEIA DE PROJETO (Qp) 53
52 LARGURA DA BACIA (B) 55
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO 55
54 COTA DE FUNDO (Cf) 58
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb) 62
56 SOLEIRA TERMINAL 65
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS 66
58 RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R) 67
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e) 68
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO 69
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA 69
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA 75
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS 82
REFEREcircNCIAS 84
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
14
1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
15
obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
16
2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
17
23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
41
Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
51
d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
53
5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
69
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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70
Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
71
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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72
Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
73
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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74
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
75
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
77
A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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80
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
84
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lthttpenwikipediaorgwikiDamgt Acesso em 18 nov 2009
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_____ Pesquisa sobre o termo Dam Disponiacutevel em
lthttpuploadwikimediaorgwikipediacommonsthumbbbaRessalto32JPG250px-
Ressalto32JPGgt Acesso em 19 maio 2010
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1 INTRODUCcedilAtildeO
Com objetivo de combater os efeitos das secas no Nordeste e garantir o abastecimento de
aacutegua nas grandes cidades no final do seacuteculo XIX iniciou-se no Brasil a construccedilatildeo de
barragens de maior porte obras que mais tarde serviriam tambeacutem para gerar energia eleacutetrica
Jaacute a partir do seacuteculo XX um grande nuacutemero dessas obras foi construiacutedo para as mais diversas
finalidades Hoje as barragens representam um estimaacutevel patrimocircnio puacuteblico e privado dada
sua importacircncia para a economia e o bem estar da populaccedilatildeo pois estas estruturas facilitam a
utilizaccedilatildeo dos recursos hiacutedricos Entretanto estas obras devem ser funcionais e seguras
Entre s causas mais frequentes de acidentes e incidentes que ocorrem em barragens
aproximadamente 56 (INTERNATIONAL COMISSION OF LARGE DAMS 1983) satildeo
devido a problemas de galgamernto erosotildees internas (piping) ou a jusante causadas pelo o
mau dimensionamento do vertedouro ou do dissipador de energia (fator hidraacuteulico) maacute
escolha da cheia de projeto (fator hidroloacutegico) eou falhas operacionais (fator humano ou
eleacutetrico-mecacircnico no caso de barragens com comportas) Somente em 2004 estima-se que
mais de 400 obras de diversos tamanhos e tipos tenham se rompido em todo o Brasil
(MARQUES 2010)
Para atender agraves atuais demandas da sociedade existe uma grande necessidade de se construir
novas barragens sendo entatildeo fundamental que se aprenda com os acidentes e incidentes
ocorridos anteriormente buscando conseguir obras mais seguras Dentre as inuacutemeras
consequecircncias da ruptura dessas obras cabe salientar os efeitos agrave jusante (perdas de vidas e
econocircmicas) e o custo envolvido na reconstruccedilatildeo Neste contexto o conhecimento
aprofundado a respeito dos criteacuterios de dimensionamento contribui para prevenccedilatildeo desses
desastres decorrentes de falhas em algum dos elementos integrantes desse conjunto e garantir
a seguranccedila do local onde a barragem encontra-se inserida
Desta forma o presente trabalho inicia com um capiacutetulo apresentando o meacutetodo de pesquisa
utilizado Em seguida um capiacutetulo faz uma abordagem inicial sobre sistemas extravasores de
barragens que satildeo responsaacuteveis pela seguranccedila da obra Eacute feito um detalhamento deste
conjunto atraveacutes de uma apresentaccedilatildeo de sistemas extravasores como um todo e as obras
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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obrigatoacuterias que os compotildeem (que satildeo vertedouro e dissipador de energia) Na sequencia do
trabalho eacute apresentado um capiacutetulo dando um foco maior na bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico tipo I fazendo a exposiccedilatildeo desta estrutura descriccedilatildeo de sua geometria tiacutepica e
meacutetodo de funcionamento aleacutem de uma abordagem sobre ressalto hidraacuteulico que eacute o
fenocircmeno responsaacutevel pela dissipaccedilatildeo de energia no escoamento Por fim tem-se um capiacutetulo
sobre a anaacutelise dos criteacuterios de projeto envolvidos uma aplicaccedilatildeo em caso hipoteacutetico e
apresentaccedilatildeo das consideraccedilotildees finais
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2 MEacuteTODO DE PESQUISA
21 QUESTAtildeO DE PESQUISA
A questatildeo de pesquisa deste trabalho eacute quais satildeo os criteacuterios de projeto que devem ser
considerados para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico no
sistema extravasor de uma barragem
22 OBJETIVOS DO TRABALHO
221 Objetivo Principal
O objetivo principal deste trabalho eacute a apresentaccedilatildeo dos criteacuterios de detalhamento do projeto
de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor exemplificando
em um caso hipoteacutetico
222 Objetivos Secundaacuterios
Os objetivos secundaacuterios deste trabalho satildeo
a) identificaccedilatildeo das variaacuteveis envolvidas no dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico em um sistema extravasor
b) detalhamento do fenocircmeno ressalto hidraacuteulico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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23 PREMISSAS
O correto dimensionamento e execuccedilatildeo do dissipador de energia contribuem para a seguranccedila
das barragens e reduz a frequecircncia de acidentes envolvendo estas obras
24 DELIMITACcedilOtildeES
O trabalho ficou delimitado ao estudo de dissipadores de energia em sistemas extravasores de
barragens situadas no Brasil ou em regiotildees com condiccedilotildees climaacuteticas e geoloacutegicas
semelhantes
25 LIMITACcedilOtildeES
A pesquisa limita-se a consideraccedilatildeo de
a) bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
b) natildeo haveraacute transporte de materiais pela aacutegua que escoa sobre o vertedouro
c) natildeo eacute feita anaacutelise de custos
d) natildeo seratildeo mostrados a distribuiccedilatildeo longitudinal das pressotildees do ressalto o
dimensionamento estrutural das lajes de fundo e dos muros laterais
26 DELINEAMENTO
O trabalho foi desenvolvido conforme etapas apresentadas a seguir
a) pesquisa bibliograacutefica
b) caracterizaccedilatildeo dos modelos de sistemas extravasores
c) caracterizaccedilatildeo de vertedouro
d) caracterizaccedilatildeo da estrutura de dissipaccedilatildeo de energia
e) revisatildeo sobre ressalto hidraacuteulico
f) verificaccedilatildeo e detalhamento dos criteacuterios de projeto
g) aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico
h) consideraccedilotildees finais
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O diagrama da figura 1 mostra o encadeamento entre as etapas da pesquisa
Figura 1 diagrama de etapas da pesquisa
Desde o iniacutecio do trabalho e durante o decorrer do mesmo foi desenvolvida a pesquisa
bibliograacutefica buscando adquirir conhecimento sobre o tema bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico Esta pesquisa foi feita baseada em informaccedilotildees contidas em livros perioacutedicos
teses e dissertaccedilotildees relacionadas ao tema Como o sistema extravasor pode compreender
diversas estruturas o estudo focou dissipadores de energia por ressalto hidraacuteulico mais
especificamente bacias de dissipaccedilatildeo do tipo I que eacute um dos modelos mais utilizados
Entretanto uma abordagem inicial sobre vertedouros se fez necessaacuteria visto que estes satildeo
condicionantes para escolha das demais estruturas do sistema extravasor O estudo sobre
vertedouros incluiu a apresentaccedilatildeo dos modelos mais utilizados e princiacutepios de funcionamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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dos mesmos pois este conhecimento eacute indispensaacutevel para a etapa seguinte que eacute a definiccedilatildeo
do dissipador de energia
A pesquisa bibliograacutefica sobre dissipadores de energia teve como objetivo apresentar as
principais configuraccedilotildees suas caracteriacutesticas e criteacuterios de dimensionamento que devem ser
considerados nos projetos de barragens Foi realizado tambeacutem um estudo sobre ressalto
hidraacuteulico para melhor compreensatildeo deste fenocircmeno que determinante para o bom
desempenho da bacia de dissipaccedilatildeo A partir das informaccedilotildees obtidas sobre estas estruturas
foi feita aplicaccedilatildeo do conhecimento adquirido em um caso hipoteacutetico Por fim foram
relatadas as consideraccedilotildees finais sobre o assunto que foram sendo obtidas durante o decorrer
do trabalho
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3 SISTEMA EXTRAVASOR DE BARRAGENS
A necessidade de armazenar aacutegua para utilizaccedilatildeo em periacuteodos de seca para abastecer a
induacutestria e a agricultura com aacutegua para os bens materiais e alimentares para fornecer aacutegua
para fins recreativos em quantidades cada vez maiores e a alta demanda de energia eleacutetrica
exigiu o uso de barragens (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 21 NOVAK et al
2007 p 4) Entretanto estas obras necessitam de uma estrutura que permita a passagem das
aacuteguas excedentes para jusante e efetue o controle hidraacuteulico (vertedouro) e outra com a
finalidade de dissipar a energia cineacutetica do escoamento vertido e restituiacute-lo ao curso natural
do rio de acordo com a capacidade de suporte do leito (dissipador de energia) minimizando
os possiacuteveis efeitos erosivos do escoamento que poderiam comprometer a estrutura em si eou
a fundaccedilatildeo e consequentemente a seguranccedila da barragem
Desta forma pode-se dizer que o sistema extravasor eacute o conjunto dos dispositivos
responsaacuteveis pela seguranccedila em barragens garantindo sua integridade frente agraves aacuteguas
excedentes De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 350)
A construccedilatildeo das estruturas de reservaccedilatildeo as barragens pressupotildee o controle de
cursos drsquoaacutegua Estes por sua proacutepria natureza apresentam variaccedilotildees significativas
das vazotildees tornando necessaacuterio em diversas situaccedilotildees permitir a passagem das
aacuteguas excedentes dos reservatoacuterios sem ocasionar danos agrave barragem ou agraves outras
estruturas hidraacuteulicas adjacentes []
As estruturas extravasoras deveratildeo ser dimensionadas para a descarga efluente de projeto
resultante do amortecimento no reservatoacuterio Esta vazatildeo eacute definida a partir dos estudos
hidroloacutegicos e hidraacuteulicos defluentes e da dinacircmica do reservatoacuterio A partir destes dados e
com as cotas dos niacuteveis drsquoaacutegua no reservatoacuterio e a jusante do mesmo eacute possiacutevel entatildeo definir
a geometria das estruturas conforme os criteacuterios de projeto
Um sistema extravasor pode compreender vertedouro dissipador de energia canais de
aproximaccedilatildeo de fuga e de descarga Baptista e Coelho (2003 p 351) ressaltam que
Quando as condiccedilotildees do arranjo hidraacuteulico exigirem principalmente para o caso da
necessidade de vencer desniacuteveis significativos devem ser previstas estruturas de
descarga implantadas com declividades acentuadas associadas aos vertedores Estas
estruturas podem ser constituiacutedas de tubulaccedilotildees tuacuteneis ou canais sendo que no
uacuteltimo caso denominam-se raacutepidos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Entretanto eacute obrigatoacuterio em todas as obras de barragens o vertedouro e o dissipador de
energia (UNITED STATES OF AMERICA 1974 p 345 BAPTISTA COELHO 2003 p
337 NOVAK et al 2007 p 20) conforme ilustram as figuras 2 e 3 Entatildeo eacute conveniente
dividir estas obras em itens distintos dentro do trabalho Um item traraacute uma abordagem inicial
sobre vertedouros dada sua relevacircncia e sobre os dissipadores mais usuais aleacutem das bacias de
dissipaccedilatildeo e outro seraacute um estudo mais detalhado sobre bacias de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico
Figura 2 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Itaipu com
dissipador de energia em salto de esqui (VALENTIN 2009)
Figura 3 exemplo de sistema extravasor da Usina Hidreleacutetrica de Porto Colocircmbia
com dissipador de energia do tipo bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(FURNAS 2010)
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31 VERTEDOURO
O vertedouro eacute a parte mais importante do sistema extravasor eacute uma estrutura vital para a
barragem Trata-se de um dispositivo utilizado controlar a vazatildeo que escoa do reservatoacuterio
Pode-se dizer que eacute uma estrutura ldquo[] cuja frequecircncia de operaccedilatildeo depende muito das
dimensotildees relativas do reservatoacuterio ndash (volume uacutetil em termos do defluacutevio meacutedio anual)rdquo
(PINTO [1987] p 1) De acordo com Novak et al (2007 p 191) o objetivo desta estrutura eacute
passar as aacuteguas de inundaccedilatildeo e em particular a cheia de projeto com seguranccedila para jusante
da barragem quando o reservatoacuterio estiver transbordando Da mesma forma segundo United
States of America (1974 p 345) os vertedouros satildeo previstos para liberaccedilatildeo do fluxo
excedente frente a hidrogramas afluentes em que a aacutegua natildeo pode ser contida ou armazenada
no volume de represamento Eacute atraveacutes desta estrutura que o excesso de aacutegua eacute retirado da
parte superior do reservatoacuterio criado pela barragem e transportado de volta ao rio ou para
algum canal de drenagem
O dimensionamento de um vertedouro depende principalmente da cheia de projeto do tipo e
localizaccedilatildeo da barragem do tamanho do reservatoacuterio e da forma de operaccedilatildeo (NOVAK et al
2007 p 191) Estas estruturas podem ser construiacutedas junto ao corpo da barragem ou
independente desta conforme for mais apropriado Sobre os tipos e dimensotildees dos
vertedouros Pinto ([1987] p 6) afirma que mesmo para um dado tipo construtivo as
dimensotildees podem variar sendo entatildeo mais conveniente o estudo dos vertedouros
superficiais para definiccedilatildeo da extensatildeo da crista vertente
United States of America (1974 p 345) destaca que a importacircncia de um vertedouro natildeo pode
ser subestimada pois muitas falhas de barragens satildeo causadas por vertedouros mal
concebidos ou por vertedouros com capacidade insuficiente O correto dimensionamento e
operaccedilatildeo de vertedouros satildeo de grande importacircncia principalmente nas barragens de aterro e
de enrocamento pois estas podem romper por galgamento que eacute a passagem da aacutegua sobre a
crista da barragem devido agrave insuficiecircncia do sistema extravasor Jaacute as barragens de concreto
satildeo capazes de resistir a um galgamento moderado poreacutem deve-se evitar uma vez que a
queda drsquoaacutegua pode provocar erosotildees no peacute da barragem As superfiacutecies dos vertedouros
devem ser resistentes para suportar as altas velocidades do escoamento oriundo do
reservatoacuterio e geralmente alguns dispositivos seratildeo necessaacuterios para dissipar a energia na
parte inferior da estrutura
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Novak et al (2007 p 191) citam que os vertedouros podem ser subdivididos de diversas
formas uma delas eacute quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo Segundo destacam Baptista e Coelho
(2003 p 351)
Quanto agraves condiccedilotildees de operaccedilatildeo os vertedores podem ser classificados em
vertedores de serviccedilo ou de emergecircncia Com efeito em diversas obras executa-se
um vertedor uacutenico para escoar toda a gama de vazotildees que possa vir a ocorrer Em
outros casos eacute mais conveniente dispor-se de mais de um vertedor sendo o vertedor
de serviccedilo destinado a descarregar as vazotildees mais frequentes e outro o vertedor de
emergecircncia utilizado para descarregar apenas as grandes cheias
O tipo a ser utilizado e a localizaccedilatildeo dos vertedouros podem variar significativamente United
States of America (1974 p 103) cita que os requisitos do vertedouro satildeo dados
principalmente pelo escoamento superficial e as caracteriacutesticas de vazatildeo Baptista e Coelho
(2003 p 351) reforccedilam esta afirmaccedilatildeo destacando ainda que
Os vertedores podem ser classificados segundo diversos criteacuterios diferentes tais
como localizaccedilatildeo materiais constituintes condiccedilotildees de operaccedilatildeo etc O tipo do
vertedor eacute funccedilatildeo da concepccedilatildeo da barragem das vazotildees de projeto e das condiccedilotildees
geoloacutegicas e topograacuteficas da aacuterea do projeto
Os vertedouros podem ser classificados de diversas formas por isso a seguir eacute feita uma
divisatildeo dessas estruturas Entretanto eacute apresentada apenas a classificaccedilatildeo em funccedilatildeo da
geometria e da forma de operaccedilatildeo
311 Vertedouros de Superfiacutecie
Vertedouro de superfiacutecie trata-se de uma estrutura de controle que comanda a descarga do
reservatoacuterio Estes vertedouros podem ser livres isto eacute natildeo existe domiacutenio sobre a descarga a
aacutegua do reservatoacuterio ao atingir a cota da soleira livre vai verter ou podem ser com comportas
onde eacute possiacutevel ter um controle sobre o escoamento isto eacute pode-se determinar qual a cota que
a aacutegua do reservatoacuterio pode atingir e soacute a partir desta cota abrem-se as comportas permitindo
o escoamento
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3111 Vertedouro Livre
De acordo com Baptista e Coelho (2003 p 351) ldquoUma importante classificaccedilatildeo dos
vertedores diz respeito agraves condiccedilotildees de funcionamento hidraacuteulico ligadas agrave presenccedila ou natildeo
de dispositivos de controle de vazatildeo as comportasrdquo Os vertedouros que natildeo possuem
comportas satildeo ditos entatildeo de soleira livre
Segundo Pinto ([1987] p 6-7) ldquoOs vertedouros sem comportas tecircm maior largura total
produzem menores vazotildees efluentes satildeo de construccedilatildeo mais simples oferecem uma abertura
mais ampla tem sua operaccedilatildeo totalmente automaacutetica e um custo de manutenccedilatildeo iacutenfimordquo Em
compensaccedilatildeo este tipo de estrutura necessita de uma aacuterea de inundaccedilatildeo maior que a
necessaacuteria caso houvesse comportas Dentro deste grupo destaca-se o perfil Creager Este tipo
de vertedouro eacute tambeacutem chamado de soleira normal por ser o mais frequente de todos Porto
(1999 p 398) destaca que ldquo[] satildeo essencialmente grandes vertedores retangulares
projetados com uma geometria tal que promova o perfeito assentamento da lacircmina vertente
sobre toda a soleirardquo O perfil da soleira vertente desta estrutura eacute conhecido como a forma
claacutessica da soleira dos vertedouros e eacute baseada no perfil do jato livre de vertedouros
retangulares de parede delgada sem contraccedilatildeo lateral (PINTO [1987] p 9) conforme
ilustrado na figura 4 (a) A ideacuteia baacutesica desta estrutura eacute apresentar analogia entre um
vertedouro de soleira espessa e um de parede delgada visto que estes resguardam a estrutura
do aparecimento de pressotildees negativas Da mesma forma eacute exposto por Baptista e Coelho
(2003 p 358)
A condiccedilatildeo hidraacuteulica ideal de funcionamento dos vertedores corresponde ao seu
funcionamento como sendo de parede delgada Entretanto tendo em vista a
dificuldade praacutetica de execuccedilatildeo de vertedores nestas condiccedilotildees estes usualmente satildeo
construiacutedos com crista arredondada sendo que a superfiacutecie de sua soleira deveraacute ter
preferencialmente a forma da superfiacutecie inferior do jato que passa sobre uma soleira
delgada de crista linear
Entatildeo pode-se definir estas estruturas como sendo uma soleira com crista arredondada situada
no niacutevel normal das aacuteguas (figura 4 (b)) O efeito causado pelo fato de sua crista acompanhar
a superfiacutecie inferior do jato drsquoaacutegua eacute que na sua estrutura satildeo geradas pressotildees muito
proacuteximas agrave atmosfeacuterica que eacute uma situaccedilatildeo desejaacutevel
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 4 (a) vertedouro de soleira delgada (b) vertedouro de soleira normal
(perfil Creager) (adaptado de PORTO 1999 p 398)
Dentro desta classificaccedilatildeo existem ainda outros tipos de vertedouros por exemplo o tipo
labirinto tambeacutem chamado de bico-de-pato e o tipo canal lateral
3112 Vertedouro com Comportas
O vertedouro com comporta eacute chamado tambeacutem de controlado pois a partir do acionamento
das comportas eacute possiacutevel determinar a vazatildeo que iraacute escoar De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 354)
[] os vertedores com comportas consistem essencialmente em soleiras situadas
abaixo do niacutevel normal das aacuteguas dispondo-se de comportas para controle da vazatildeo
Como o NA pode atingir cotas superiores do topo das comportas obteacutem-se uma
maior vazatildeo especiacutefica atraveacutes do aproveitamento da carga hidraacuteulica
correspondente O tipo e localizaccedilatildeo das comportas bem como a forma do vertedor
podem variar bastante segundo as condiccedilotildees de projeto
Os principais requisitos operacionais para as comportas satildeo controle de inundaccedilotildees
estanqueidade capacidade de elevaccedilatildeo miacutenima e a conveniecircncia da instalaccedilatildeo e manutenccedilatildeo
Apesar da geometria robusta da estrutura podem ocorrer falhas e as obras devem ser capazes
de tolerar essas falhas sem consequecircncias inaceitaacuteveis Estas estruturas devem ter uma
prevenccedilatildeo para que em nenhum caso ofereccedila risco ao pessoal operacional e ao puacuteblico
(NOVAK et al 2007 p 267)
Segundo Pinto ([1987] p 7) ldquoOs vertedouros com comportas resultam em menores alturas
para a barragem e menor aacuterea de inundaccedilatildeo e oferecem maior flexibilidade de operaccedilatildeordquo
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Entretanto cabe ressaltar que este tipo de estrutura estaacute mais propenso a falhas pois depende
do correto controle das comportas aleacutem de envolver custos na operaccedilatildeo e na manutenccedilatildeo que
deve ser realizada periodicamente
Os modelos de comportas podem ser divididos em dois grupos radiais (figura 5) e de
elevaccedilatildeo vertical Novak et al (2007 p 270) destacam que as vantagens das radiais sobre os
portotildees de elevaccedilatildeo vertical eacute que o tamanho da estrutura eacute menor possui uma maior rigidez
ausecircncia de ranhuras na comporta mais faacutecil automaccedilatildeo e melhor desempenho no periacuteodo de
inverno
Se as comportas do vertedouro operarem de forma assimeacutetrica elas poderatildeo provocar o
aparecimento de correntes de retorno a jusante que na maioria dos casos envolvem arraste de
material rochoso de jusante para o interior do dissipador de energia e gera efeito abrasivo
sobre o revestimento de concreto Pinto ([1987] p 57) destaca que este efeito abrasivo eacute a
principal causa de danos ocorridos nas bacias de dissipaccedilatildeo
Figura 5 (a) ilustraccedilatildeo de um vertedouro com comportas (BAPTISTA COELHO
2003 p 354) e (b) Barragem Takato Dam Japatildeo com operaccedilatildeo por comportas
(WIKIPEDIA 2009)
312 Vertedouros Natildeo Convencionais
Os vertedouro tubulares satildeo geralmente utilizados quando as vazotildees de projeto satildeo baixas o
espaccedilo eacute reduzido e quando se quer manter o niacutevel do reservatoacuterio praticamente constante Se
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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natildeo haacute espaccedilo para construccedilatildeo de outros tipos de vertedores eles podem ser uma boa soluccedilatildeo
Em vales estreitos formados por barragens de terra ou enrocamento ou se uma barragem de
concreto natildeo apresentar comprimento suficiente de crista e mesmo em barragens em arco
onde natildeo eacute conveniente a operaccedilatildeo de vertedores na barragem Aleacutem disso apresentam como
outras vantagens suas pequenas dimensotildees e o pouco volume de concreto empregado na sua
construccedilatildeo Este grupo de vertedouros divide-se em dois tipos tulipa e sifatildeo
3121 Vertedouro Tulipa
O vertedouro tulipa tem como uma das principais caracteriacutesticas o fato de ser independente do
corpo da barragem o que eacute favoraacutevel principalmente em projetos de barragens de terra e de
enrocamento Trata-se de um vertedouro circular semelhante a um funil (figura 6) que eacute
seguido de um poccedilo geralmente vertical mas podendo ser tambeacutem inclinado ligado a uma
curva de raio curto conectada a um tuacutenel horizontal ou com pequena declividade que iraacute
desaguar quase sempre em uma estrutura de dissipaccedilatildeo De acordo com Baptista e Coelho
(2003 p 353) ldquoEste tipo de vertedor eacute constituiacutedo de uma tubulaccedilatildeo vertical denominada
shaft seguida de uma tubulaccedilatildeo aproximadamente horizontal ateacute o desaacutegue [] Os
vertedores tipo tulipa apresentam um funcionamento hidraacuteulico complexo []rdquo
Pinto ([1987] p 69) destaca que para vazotildees menores o controle eacute feito pela crista poreacutem
para vazotildees superiores o controle passa a ser de orifiacutecio (ou bocal) e progressivamente o
escoamento passa a ser controlado pela capacidade do sistema operando como um conduto em
pressatildeo O autor ressalta que em termos praacuteticos haacute uma verdadeira saturaccedilatildeo do vertedouro
tipo tulipa e miacutenimas condiccedilotildees de seguranccedila face a um eventual aumento de vazatildeo de cheia
com relaccedilatildeo agrave capacidade maacutexima nominal A escolha desta soluccedilatildeo deve estar vinculada a
algumas condiccedilotildees por exemplo quando puder ser aproveitado o canal de desvio quando a
presenccedila de material flutuante for insignificante quando o espaccedilo para o vertedor
convencional for limitado e quando a galeria de descarga natildeo for muito longa
(EXTRAVASOR [2009])
Em planta esta estrutura eacute representada como um orifiacutecio circular Quando vista em corte a
soleira eacute semelhante ao perfil Creager para que na superfiacutecie as pressotildees ocorridas sejam as
mais proacuteximas possiacuteveis da atmosfeacuterica
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Figura 6 (a) representaccedilatildeo em corte de um vertedouro tulipa (adaptado de NOVAK
et al 2007 p 222) (b) vertedouro da barragem Monticello Dam na Califoacuternia
(ESTRUTURAS [2009])
3122 Vertedouro Sifatildeo
Os vertedouros sifatildeo satildeo canalizaccedilotildees fechadas sob a forma de um U invertido com uma
entrada uma garganta (seccedilatildeo de controle) um conduto mais baixo e uma tomada (figura 7)
Para fluxos muito baixos um vertedouro sifatildeo opera como um accedilude quando o fluxo aumenta
o niacutevel de aacutegua no rio se eleva a velocidade no sifatildeo aumenta e o fluxo no conduto mais
baixo comeccedila a criar uma exaustatildeo na parte superior do sifatildeo ateacute que este comeccedila a fluir
completamente como uma tubulaccedilatildeo (NOVAK 2007 p 226) Baptista e Coelho (2003 p
353) descrevem sobre esta estrutura que ldquo[] permite a operaccedilatildeo com niacutevel drsquoaacutegua
aproximadamente constante dentro da faixa de vazotildees de projeto Este tipo de vertedor
apresenta limites quanto agrave capacidade de vazatildeo e quanto ao desniacutevel de forma a natildeo
ocasionar cavitaccedilatildeo []rdquo
Figura 7 vertedouro em sifatildeo (BAPTISTA COELHO 2003 p 353)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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32 DISSIPADORES DE ENERGIA
O aproveitamento dos recursos hiacutedricos envolve muitas vezes construccedilatildeo de obras que
alteram o equiliacutebrio dos rios Desta forma eacute indispensaacutevel que nestes empreendimentos exista
uma estrutura com a funccedilatildeo de adequar o escoamento agraves caracteriacutesticas do corpo receptor seja
este natural ou artificial de forma que ldquo[] as erosotildees provenientes do aumento da vazatildeo
especiacutefica natildeo coloquem em risco a seguranccedila das mesmasrdquo (MARQUES 1991 p 1)
A dissipaccedilatildeo de energia nas barragens estaacute intimamente associada com o projeto do
vertedouro principalmente com a vazatildeo de projeto escolhida a diferenccedila entre os niacuteveis de
aacutegua a montante e a jusante bem como as condiccedilotildees do leito a jusante (NOVAK et al 2007
p 244) pois a energia cineacutetica associada ao escoamento vindo do vertedouro eacute muito elevada
de forma que pode causar danos na proacutepria estrutura na barragem e no corpo receptor das
aacuteguas Schreiber (1977 p 81) menciona que ldquoA energia produzida pela aacutegua caindo pelo
vertedouro depende da descarga e da queda e que pode chegar a valores enormesrdquo Para
Vischer e Hager (1995 p 1) os dissipadores satildeo usados em locais onde o excesso de energia
hidraacuteulica poderia causar danos como a erosatildeo de canais de fuga e abrasatildeo de estruturas
hidraacuteulicas Por isso Baptista e Coelho (2003 p 359) afirmam que eacute necessaacuterio prever um
dissipador para esta energia a fim de adequar a velocidade do escoamento agraves caracteriacutesticas do
meio a jusante Segundo Marques (1991 p 5) ldquoPara manter a energia do escoamento dentro
dos limites compatiacuteveis com a estabilidade do leito deve-se transformar a energia cineacutetica em
turbulecircncia e finalmente em calor por accedilatildeo da viscosidade com o objetivo de dissipaacute-lardquo
A passagem da aacutegua de um reservatoacuterio para jusante envolve uma seacuterie de fenocircmenos
hidraacuteulicos tais como a transiccedilatildeo do fluxo supercriacutetico na entrada do dissipador para um fluxo
subcriacutetico na saiacuteda da estrutura para a corrente Vischer e Hager (1995 p 2) definiram que
uma dissipaccedilatildeo de energia eficiente consiste em perturbar a corrente de aacutegua proporcionando
um aumento da turbulecircncia ou difundindo a massa desta corrente em um jato Um dissipador
de energia econocircmico eacute aquele que tem um efeito impactante dentro de uma regiatildeo
relativamente pequena
Ortiz (1982 p 253) dividiu as estruturas de dissipaccedilatildeo em trecircs grupos um deles compreende
as bacias de dissipaccedilatildeo e outras estruturas com finalidade de conter a zona de dissipaccedilatildeo de
energia hidraacuteulica do escoamento supercriacutetico o outro grupo compreende as estruturas que
lanccedilam o escoamento supercriacutetico para longe da obra atraveacutes de um jato Sobre as estruturas
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de dissipaccedilatildeo do segundo grupo Ortiz (1982 p 266) destaca que estas estruturas natildeo
dissipam a energia do escoamento elas simplesmente transferem o problema para jusante da
obra Poreacutem ainda haacute outro tipo de dissipador aquele que natildeo dissipa a energia de forma
concentrada mas sim de forma distribuiacuteda ao longo da proacutepria estrutura de conduccedilatildeo
As proacuteximas etapas do trabalho compreenderatildeo uma abordagem sobre as estruturas de
dissipaccedilatildeo de energia mais utilizadas em cada um desses grupos Entretanto as estruturas de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico seratildeo apresentadas em um capiacutetulo distinto visto que estatildeo
relacionadas diretamente com o objetivo principal deste trabalho
321 Dissipadores de Lanccedilamento
Estas estruturas podem estar dispostas de trecircs formas abaixo do niacutevel da aacutegua no niacutevel da
aacutegua a jusante e acima do niacutevel da aacutegua Nos dois primeiros casos satildeo chamadas de conchas
submersa e de arremesso respectivamente No terceiro caso eacute denominado salto de esqui
Atualmente haacute uma ldquo[] tendecircncia em considerar-se as estruturas tipo concha submersa
como estruturas em rampa ascendenterdquo (MARQUES 1991 p 22) Por este motivo este tipo
de estrutura natildeo seraacute detalhado
3211 Concha de Arremesso
Segundo Baptista e Coelho (2003 p 364) ldquo[] consiste na execuccedilatildeo na extremidade de
jusante da estrutura de conduccedilatildeo de aacutegua de uma concha ciliacutendrica que projeta um jato de
aacutegua em direccedilatildeo ascendente []rdquo conforme mostrado nas figuras 8 e 9 Ortiz (1982 p 266)
destaca que esta estrutura tem duas funccedilotildees importantes A primeira eacute lanccedilar o jato para
jusante a segunda eacute espalhar o jato o maacuteximo possiacutevel de modo a aumentar a aacuterea de impacto
e minimizar os danos ao leito do rio Assim uma reduccedilatildeo na velocidade do escoamento
ocorre devido agrave dissipaccedilatildeo da energia e agrave incorporaccedilatildeo de ar no fluxo Se a estrutura for
posicionada afastada da barragem evita que esta tenha sua estabilidade prejudicada
auxiliando a manter sua integridade
Entretanto Baptista e Coelho (2003 p 365) ressaltam
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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[] a importacircncia da consideraccedilatildeo das vazotildees inferiores agrave vazatildeo de projeto nas
estruturas por jatos Com efeito para pequenas vazotildees natildeo ocorre a formaccedilatildeo do jato
sendo que a proacutepria concha desempenha papel de uma bacia dissipadora permitindo
em seguida o escoamento relativamente lento da aacutegua para jusante Pode ocorrer
poreacutem no caso de existecircncia de desniacutevel entre a concha e o leito natural o iniacutecio de
um processo de erosatildeo junto ao peacute da estrutura tornando necessaacuteria a previsatildeo de
estruturas de proteccedilatildeo e reforccedilo do leito do corpo drsquoaacutegua receptor
Figura 8 concha de arremesso (adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 364)
Figura 9 ressalto hidraacuteulico no dissipador tipo concha de arremesso
(ESTRUTURAS 2010)
3212 Salto de Esqui
Sobre defletores em salto de esqui (figura 10) Pinto ([1987] p 48) cita que em todos os casos
a crista do defletor deve ser mantida acima do niacutevel das aacuteguas do canal de restituiccedilatildeo a jusante
a fim de evitar o afogamento do jato Neste dissipador segundo Pinto ([1987] p 66) ldquo[] a
dissipaccedilatildeo da energia natildeo se verifica na estrutura mas sim sobre o leito natural a jusante A
erosatildeo provocada pelo escoamento eacute de difiacutecil avaliaccedilatildeo dependendo da velocidade e
concentraccedilatildeo do jato de aacutegua que atinge a bacia e tambeacutem da natureza da rochardquo
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Figura 10 dissipador salto de esqui (adaptado de HAGER 1995 p 112)
O princiacutepio de funcionamento deste dissipador segundo Ortiz (1982 p 268) consiste em
ldquo[] o jato de alta velocidade eacute conduzido atraveacutes de um canal confinado e lanccedilado na seccedilatildeo
terminal de uma trajetoacuteria controlada [] muito frequentemente satildeo condiccedilotildees geoloacutegicas e
natildeo hidraacuteulicas que limitam a utilizaccedilatildeo desta estruturardquo
De acordo com Novak e Caacutebelka1 (1981 apud NOVAK et al 2007 p 246-247) o uso deste
tipo de dissipador acarreta significativa economia onde as condiccedilotildees geoloacutegicas e
morfoloacutegicas satildeo favoraacuteveis e especialmente quando o vertedouro pode ser colocado sobre a
estaccedilatildeo de energia ou pelo menos sobre as obras descarga de fundo Eacute possiacutevel ainda para
aumentar o efeito da dissipaccedilatildeo e a eficiecircncia desta estrutura a utilizaccedilatildeo de dois dissipadores
salto de esqui arranjados de forma que os jatos lanccedilados colidam
322 Dissipaccedilatildeo Distribuiacuteda ao Longo da Proacutepria Estrutura de Conduccedilatildeo
Este grupo de dissipadores foi definido por Ortiz (1982 p 268) como sendo ldquoAs estruturas
que envolvem alteraccedilotildees no proacuteprio perfil do vertedor []rdquo conforme demonstrado na figura
11 Dentro deste grupo o exemplo mais claacutessico satildeo os vertedouros em degraus Segundo
Baptista e Coelho (2003 p 366) ldquo[] satildeo estruturas que dissipam a energia atraveacutes do
impacto do jato de aacutegua com a estrutura e eventualmente atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto
hidraacuteulico em cada degrau quando o espaccedilamento entre cada desniacutevel possibilita sua
ocorrecircnciardquo No entanto estas estruturas geralmente natildeo dispensam a utilizaccedilatildeo de uma bacia
de dissipaccedilatildeo O que ocorre eacute que devido agrave energia dissipada ao longo do vertedouro em
degraus as dimensotildees da bacia a ser construiacuteda a jusante seratildeo menores
1 NOVAK P CAacuteBELKA J Models in Hydraulic Engineering physical principles and design applications
London Pitman 1981
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 11 vertedouro em degraus (VERTEDOUROS 2010)
323 Estruturas com Finalidade de Conter a Zona de Dissipaccedilatildeo de Energia
Hidraacuteulica no seu Interior
Este grupo compreende as estruturas terminais dos vertedouros com a funccedilatildeo de dissipar a
energia do escoamento na proacutepria estrutura (figura 12) diferente das demais vistas como a
concha de arremesso e o salto de esqui que apenas conduziam o fluxo para jusante Este tipo
de estrutura pode tambeacutem estar associada a outras com funccedilatildeo distribuiacuteda ao longo da proacutepria
estrutura de conduccedilatildeo (figura 13) possibilitando assim uma reduccedilatildeo no tamanho da bacia
Figura 12 croqui de bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PETERKA 1974 p 58)
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Figura 13 vertedouro em degraus com bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
As bacias horizontais com formaccedilatildeo de ressalto satildeo possivelmente as estruturas de dissipaccedilatildeo
mais pesquisadas pelos hidraacuteulicos devido a sua grande aplicaccedilatildeo com sucesso na praacutetica da
construccedilatildeo de estruturas hidraacuteulicas (ORTIZ 1982 p 255) Esta estrutura consiste na
construccedilatildeo de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia eacute dissipada devido agrave
mudanccedila de regime do escoamento Segundo Novak et al (2007 p 249) a bacia de
dissipaccedilatildeo eacute a forma mais comum de dissipador de energia que converte o fluxo de fluido do
vertedouro em fluxo subcriacutetico compatiacutevel com o regime do rio a jusante O mais simples ― e
muitas vezes melhor ― meacutetodo de alcanccedilar esta transiccedilatildeo eacute atraveacutes de um ressalto hidraacuteulico
formado na bacia de dissipaccedilatildeo
Estas estruturas satildeo projetadas para confinar o comprimento total do ressalto hidraacuteulico sobre
a sua estrutura Eacute possiacutevel inclusive reduzir-se o comprimento do ressalto pela instalaccedilatildeo dos
acessoacuterios tais como defletores e peitoris na bacia de dissipaccedilatildeo Aleacutem do que o
encurtamento do ressalto e os acessoacuterios exercem um efeito de estabilizaccedilatildeo e em alguns
casos aumentam o fator de seguranccedila (PETERKA 1974 p 19) Ortiz (1982 p 253-254)
frisa que estas estruturas satildeo mais eficientes quando o ressalto fica perfeitamente definido e
dentro da bacia condiccedilatildeo que ocorre quando a curva de descarga do curso drsquoaacutegua se aproxima
da curva da altura conjugada
Sobre o comprimento da bacia Pinto ([1987] p 55) destaca que
Quanto ao comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo os valores de comprimento do
ressalto [] datildeo uma primeira indicaccedilatildeo A obra da bacia poderaacute ser mais curta em
funccedilatildeo da qualidade da rocha do canal de restituiccedilatildeo Quanto menor a bacia
revestida maior a energia turbulenta remanescente e maior a tendecircncia agrave erosatildeo do
leito
Cabe salientar que se na regiatildeo a jusante do vertedouro for identificada a presenccedila de maciccedilo
rochoso fraturado seraacute suficiente verificar se o mesmo conseguiraacute dissipar com seguranccedila a
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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energia do escoamento Caso essa regiatildeo seja composta por solo deveraacute ser projetada
obrigatoriamente uma proteccedilatildeo especiacutefica
Com base em um periacuteodo de 23 anos de pesquisas nos Estados Unidos o Bureau of
Reclamation estabeleceu uma seacuterie de criteacuterios de projeto aceitaacuteveis para bacias de dissipaccedilatildeo
(UNITED STATES OF AMERICA 19482 apud HAGER 1992 p 217 PETERKA 1958
3
apud HAGER 1992 p 217) Foram classificados 10 tipos de bacias de dissipaccedilatildeo entretanto
as mais difundidas foram United States Bureau of Reclamation (USBR) I USBR II e USBR
III
A bacia USBR I eacute a bacia que envolve o ressalto claacutessico desenvolvida inicialmente para
nuacutemeros de Froude entre 17 e 25 atualmente ela eacute utilizada para nuacutemeros de Froude ateacute 10
Esta estrutura natildeo possui nenhum dispositivo anexo exceto um degrau ascendente em forma
de parede vertical ou inclinado na extremidade de jusante Nestas obras deve-se assegurar a
horizontalidade da estrutura conforme a figura 12
A bacia USBR II (figura 14) eacute utilizada para nuacutemero de Froude a montante superior a 40
Esta estrutura possui blocos de queda no iniacutecio e uma soleira terminal dentada que interfere
no ressalto possibilitando uma reduccedilatildeo no comprimento da bacia
Figura 14 bacia de dissipaccedilatildeo USBR II
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 361)
2 UNITED STATES OF AMERICA Department of Interior Bureau of Reclamation Model Studies of Imperial
Dam Desilting Works All-American Canal Structures Boulder Canyon Project ndash Final Report Hydraulic
Investigations Washington Bulletin 4 Part VI 1948
3 PETERKA A J Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators Denver United States
Government Printing Office 1958 Engineering Monograph 25
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A bacia USBR III (figura 15) eacute utilizada para condiccedilotildees com nuacutemero de Froude superior a 45
e esta estrutura conteacutem uma linha de blocos integrantes Seu comprimento eacute inferior ao da
bacia USBR II sendo portanto bastante compacta
Figura 15 bacia de dissipaccedilatildeo USBR III
(adaptado de BAPTISTA COELHO 2003 p 362)
Atualmente a soluccedilatildeo mais utilizada eacute o tipo I ficando os tipos II e III restritos a pequenas
quedas inferiores a 1500 m Mesmo assim estas estruturas necessitam de cuidados especiais
principalmente devido a problemas de cavitaccedilatildeo que podem ocorrer junto aos blocos anexos
conforme mostrados nas figuras 16 e 17
Figura 16 efeito da cavitaccedilatildeo junto aos blocos anexos na laje de fundo do
dissipador de energia da Barragem de Bonnevile (ELEVATORSKI 1959 p 100)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 17 danos causados pela cavitaccedilatildeo na laje de fundo do dissipador de energia
da Usina Hidreleacutetrica Porto Colocircmbia (CARVALHO 2009)
Para melhor compreensatildeo sobre as estruturas tipo I e seu funcionamento esta seraacute abordada
mais detalhadamente em um capiacutetulo a parte juntamente com a descriccedilatildeo do fenocircmeno do
ressalto hidraacuteulico e os principais criteacuterios de dimensionamento para estas estruturas
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4 BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR RESSALTO HIDRAacuteULICO TIPO I
As bacias de dissipaccedilatildeo USBR I satildeo atualmente as estruturas terminais dos vertedouros mais
utilizadas para dissipar a energia hidraacuteulica do escoamento A dissipaccedilatildeo de energia se daacute
sobre a estrutura atraveacutes da formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico Antigamente esta soluccedilatildeo era
indicada apenas para uma faixa restrita de nuacutemeros de Froude (de 17 a 25) mas em funccedilatildeo
dos problemas que podem ocorrer com a as bacias tipo II e III tais como cavitaccedilatildeo
deterioraccedilatildeo dos blocos entre outros a utilizaccedilatildeo deste tipo de estrutura se expandiu para uma
faixa muito mais ampla de nuacutemeros de Froude compreendendo valores de 17 ateacute 10
A bacia tipo I consiste em uma laje plana que deveraacute formar o ressalto hidraacuteulico no seu
interior no final desta bacia existe uma soleira terminal conforme mostrado na figura 18
Esta soleira terminal tem a funccedilatildeo de proteger a bacia de dissipaccedilatildeo evitando que ocorram
erosotildees muito proacuteximas desta estrutura e evitando que materiais do leito de jusante entrem na
bacia devido a turbulecircncia da aacutegua
Figura 18 bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
(adaptado de WIEST 2008 p 6)
41 O RESSALTO HIDRAacuteULICO
De acordo com Porto (1999 p 335)
O ressalto hidraacuteulico ou salto hidraacuteulico eacute o fenocircmeno que ocorre na transiccedilatildeo de um
escoamento torrencial ou supercriacutetico para um escoamento fluvial ou subcriacutetico O
escoamento eacute caracterizado por uma elevaccedilatildeo brusca no niacutevel drsquoaacutegua sobre uma
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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distacircncia curta acompanhada de uma instabilidade na superfiacutecie com ondulaccedilotildees e
entrada de ar do ambiente e por uma consequente perda de energia em forma de
grande turbulecircncia
Este fenocircmeno ocorre geralmente associado a singularidades e estruturas hidraacuteulicas em
condiccedilotildees que as caracteriacutesticas do fluxo variam de forma repentina Baptista e Coelho (2003
p 274) ressaltam que ldquoAs situaccedilotildees praacuteticas usuais de escoamento bruscamente variado satildeo
associadas a estruturas hidraacuteulicas tais como vertedores comportas dissipadores de energia
degraus obstaacuteculos transiccedilotildees bruscas etcrdquo (figuras 19 e 20) Acrescentando Hager (1992 p
2-3) cita que o ressalto compreende diversos recursos atraveacutes da qual a energia mecacircnica em
excesso pode ser dissipada em calor A accedilatildeo de dissipaccedilatildeo de energia pode mesmo ser
amplificada pela concepccedilatildeo de dissipadores de energia Numerosas estruturas tecircm sido
desenvolvidas onde um raacutepido escoamento da aacutegua corrente pode ser transformado em um
fluxo calmo por meio de um ressalto Segundo Elevatorski (1959 p 20) inuacutemeros testes
feitos com modelos e protoacutetipos comprovaram que o ressalto hidraacuteulico eacute a maneira mais
eficaz de dissipar a energia abaixo de estruturas hidraacuteulicas
Figura 19 ressalto formado a jusante de um vertedouro com comportas
(WIKIPEDIA 2010)
Figura 20 ressalto hidraacuteulico formado a jusante de uma comporta plana
(TRIERWEILER NETO 2006 p 50)
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Uma seacuterie de estudos foi realizada pelo United States Bureau of Reclamation para tentar
determinar as propriedades do ressalto hidraacuteulico A forma deste fenocircmeno e as caracteriacutesticas
do escoamento podem ser relacionadas com o fator cineacutetico do fluxo vsup22g com a vazatildeo de
descarga na entrada da bacia e com a profundidade criacutetica do fluxo yr ilustrados na figura 21
ou o com o Nuacutemero de Froude que eacute o paracircmetro que determina condiccedilatildeo do fluxo (lento ou
raacutepido) Este nuacutemero eacute calculado pelas seguintes equaccedilotildees
yg
vFr
(equaccedilatildeo 1)
A
Qv (equaccedilatildeo 2)
Onde
Fr eacute numero de Froude [1]
v eacute a velocidade [LT]
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade [LTsup2]
y eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua [L]
Q eacute a vazatildeo que estaacute passando pela seccedilatildeo [Lsup3T]
A eacute a aacuterea da seccedilatildeo transversal (A=Byr) [Lsup2]
Figura 21 identificaccedilatildeo das variaacuteveis do ressalto hidraacuteulico
(TAMADA [1991] p DIS 8)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Sabe-se que fluxos com Fr lt 1 satildeo fluxos em regime subcriacutetico enquanto fluxos supercriacuteticos
possuem Fgt1 Para nuacutemeros de Froude Fr = 1 a aacutegua estaacute escoando com profundidade criacutetica
o que impede a formaccedilatildeo do ressalto
411 Ressalto Claacutessico
O ressalto ocorrido a jusante de um vertedouro sofre a interferecircncia da inclinaccedilatildeo desta
estrutura Entretanto uma anaacutelise sobre ressalto claacutessico como eacute conhecido o ressalto sobre
superfiacutecie horizontal ajuda a compreender melhor o fenocircmeno De acordo com Peterka
(1974 p 15) o ressalto hidraacuteulico pode ocorrer em pelo menos quatro formas distintas em
uma seccedilatildeo horizontal conforme mostrado na figura 22 Todas estas formas satildeo encontradas
na praacutetica As caracteriacutesticas internas e a absorccedilatildeo de energia no ressalto variam em cada
forma Algumas destas satildeo desejaacuteveis e algumas indesejaacuteveis e estatildeo convenientemente
catalogadas com relaccedilatildeo ao nuacutemero de Froude
Figura 22 formas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de PERTERKA 1974 p 16)
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Segundo Peterka (1974 p 16) quando o nuacutemero de Froude estaacute entre 17 e 25 uma seacuterie de
pequenos rolos se desenvolvem na superfiacutecie sendo formado o preacute-ressalto Este caso natildeo
gera problemas na bacia de dissipaccedilatildeo a superfiacutecie da aacutegua eacute muito suave a distribuiccedilatildeo de
velocidade no canal de fuga eacute bastante uniforme e a energia dissipada eacute muito pequena Para
nuacutemeros de Froude variando entre 25 e 45 encontra-se o ressalto dito pulsante desta
oscilaccedilatildeo eacute produzida uma onda de grande periacuteodo irregular que pode causar erosatildeo nas
margens Quando o nuacutemero de Froude varia entre 45 e 90 o ressalto hidraacuteulico jaacute estaacute bem
estabilizado sendo conhecido como ressalto estaacutevel e dissipando entre 45 e 70 da energia
de entrada Para Froude acima de 90 encontra-se o ressalto forte que apresenta uma agitaccedilatildeo
intensa da superfiacutecie que se propaga para jusante por uma longa distacircncia A perda de energia
eacute alta e pode alcanccedilar 85 da energia de entrada
412 Ressalto a Jusante de Vertedouro
O fato de a superfiacutecie dos vertedouros tipo Creager serem inclinadas faz com que a posiccedilatildeo do
iniacutecio do ressalto varie em funccedilatildeo da relaccedilatildeo entre a altura de aacutegua sobre o fundo da bacia e a
altura conjugada lenta Deve-se entatildeo projetar as bacias de dissipaccedilatildeo de forma a garantir que
o iniacutecio do ressalto ocorra no peacute da estrutura (ressalto tipo A ilustrado na figura 23)
Kindsvater4 (1944 apud HAGER 1992 p 42) classificou os ressaltos de acordo com sua
posiccedilatildeo no peacute do vertedouro (iniacutecio) e no fim do ressalto de acordo com a figura 23
a) tipo A quando o inicio do ressalto estaacute exatamente sobre o ponto de tangencia
entre a curva e o trecho horizontal
b) tipo B intermediaacuterio entre o ressalto A e o C o ressalto inicia sobre a
superfiacutecie do vertedouro termina sobre o trecho horizontal
c) tipo C ressalto inicia sobre a superfiacutecie do vertedouro e termina acima do
ponto de tangecircncia entre a curva e o trecho horizontal
d) tipo D ressalto encontra-se totalmente sobre o vertedouro ocorrendo somente
com grandes graus de submergecircncia
e) Cl ressalto claacutessico
4 KINDSVATER C E The Hydraulic Jump in Sloping Channels [S l s n] 1944 v 109
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 23 ressalto formado a jusante de vertedouro (MEES 2008 p 42)
Conforme o niacutevel da aacutegua a jusante do vertedouro aumenta tornando a altura no iniacutecio da
bacia superior agrave altura no final da mesma o ressalto vai se movendo da condiccedilatildeo A para
montante ateacute chegar na condiccedilatildeo D onde conforme jaacute explicitado o ressalto ocorre sobre o
vertedouro O ressalto tipo A tem seu comportamento comparado a um ressalto claacutessico
embora existam alguns componentes relacionados com a mudanccedila do sentido do escoamento
que causam algumas alteraccedilotildees no comportamento do campo de pressotildees e velocidades
Entretanto apoacutes certa distacircncia estes componentes desaparecem e assim o escoamento passa a
ter o comportamento caracteriacutestico de um ressalto sobre canal horizontal
413 Alturas Conjugadas
A estrutura do ressalto hidraacuteulico depende fundamentalmente das suas alturas conjugadas e do
seu comprimento Em seu trabalho Wiest (2008 p 9) enfatiza que ldquoAs alturas conjugadas
constituem importante fator na descriccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico influenciando na
determinaccedilatildeo do tipo de ressalto e de caracteriacutesticas como o comprimento do rolo e do proacuteprio
ressaltordquo Estas alturas correspondem agrave espessura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (yr
altura conjugada raacutepida) e a espessura da lacircmina daacutegua no final do mesmo (yl altura
conjugada lenta) Conforme afirma Porto (1999 p 336) ldquoAs alturas destas seccedilotildees yr e yl satildeo
as alturas ou profundidades conjugadas do ressalto A diferenccedila yl-yr chama-se altura do
ressalto e eacute um paracircmetro importante na caracterizaccedilatildeo do ressalto como dissipador de
energiardquo Estas alturas satildeo demonstradas na figura 24
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Figura 24 representaccedilatildeo esquemaacutetica do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de MEES 2008 p 7)
Diversos pesquisadores apresentaram trabalhos tentando estabelecer relaccedilotildees que originassem
as alturas conjugadas poreacutem natildeo existe consenso sobre qual eacute a mais adequada (WIEST
2008 p 9) Desta forma a mais usual eacute a foacutermula proposta por Beacutelanger em 1828 definida
pela seguinte equaccedilatildeo
1812
1 2 r
r
l Fry
y (equaccedilatildeo 3)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua raacutepida
yl eacute a lacircmina drsquoaacutegua lenta
Frr eacute o nuacutemero do Froude no iniacutecio do ressalto
414 Comprimentos Caracteriacutesticos do Ressalto
Conforme afirma Wiest (2008 p 10) ldquoA determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto eacute de
extrema importacircncia no caacutelculo de estruturas de dissipaccedilatildeo A partir do conhecimento da
extensatildeo dos efeitos do ressalto eacute possiacutevel garantir a eficiecircncia da estruturardquo Poreacutem
segundo Trierweiler Neto (2006 p 15) ldquoNatildeo existe consenso no que diz respeito agrave
determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto nem a zona do rolo consideradas muitas vezes
coincidentesrdquo Na sequecircncia deste trabalho eacute feita uma abordagem sobre os comprimentos
caracteriacutesticos do ressalto hidraacuteulico que estatildeo ilustrados na figura 25
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 25 demonstraccedilatildeo dos comprimentos do ressalto hidraacuteulico e do rolo
(adaptado de ESTRUTURAS 2010)
4141 Comprimento do Rolo (Lr)
O comprimento do rolo eacute mais faacutecil de ser visualizado do que o comprimento do ressalto
Geralmente esta dimensatildeo eacute definida como sendo a distacircncia desde a seccedilatildeo onde ocorre a
altura conjugada raacutepida yr ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge 90 da altura
conjugada lenta yl Entretanto natildeo haacute consenso na bibliografia quanto a determinaccedilatildeo deste
paracircmetro O quadro 1 a seguir apresenta as equaccedilotildees de diversos pesquisadores que
estudaram esta dimensatildeo
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Quadro 1 equaccedilotildees sugeridas por diversos pesquisadores para determinaccedilatildeo do
comprimento do rolo Lr 5(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
4142 Comprimento do Ressalto (Lj)
O comprimento do ressalto eacute uma das mais difiacuteceis caracteriacutesticas a ser determinada neste
fenocircmeno e tambeacutem natildeo haacute consenso na bibliografia sobre a determinaccedilatildeo desta dimensatildeo O
comprimento Lj eacute maior que o comprimento Lr Esta extensatildeo vai desde o iniacutecio do ressalto
ateacute a seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua eacute de aproximadamente 95 da altura conjugada
lenta yl As equaccedilotildees sugeridas para determinar esta dimensatildeo estatildeo apresentadas no quadro
2
5 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Quadro 2 equaccedilotildees sugeridas para determinaccedilatildeo do comprimento do ressalto
hidraacuteulico Lj 6(adaptado de ELEVATORSKI 1959 p 31)
6 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
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4143 Comprimento da Influecircncia do Ressalto (Ln)
O comprimento da influecircncia do ressalto hidraacuteulico sobre o escoamento eacute uma definiccedilatildeo que
comeccedilou a ser utilizada recentemente para tentar eliminar as duacutevidas sobre a determinaccedilatildeo
dos comprimentos caracteriacutesticos O final da influecircncia do fenocircmeno eacute definido como sendo
na seccedilatildeo onde a altura da lacircmina drsquoaacutegua atinge a profundidade da altura conjugada lenta yl e
todas as caracteriacutesticas do escoamento passam a ser idecircnticas agraves caracteriacutesticas de um
escoamento em regime uniforme isto eacute suas caracteriacutesticas natildeo satildeo mais perturbadas pelo
fenocircmeno ocorrido a montante As equaccedilotildees para determinaccedilatildeo desta dimensatildeo satildeo
apresentadas no quadro 3
Quadro 3 equaccedilotildees para a determinaccedilatildeo do comprimento da influecircncia do ressalto
hidraacuteulico Ln 7(TRIERWEILER NETO 2006 p 22)
415 Distribuiccedilatildeo de Pressotildees
Embora a distribuiccedilatildeo de pressotildees natildeo faccedila parte das limitaccedilotildees deste trabalho eacute importante
salientar que para o dimensionamento de uma estrutura de dissipaccedilatildeo natildeo se deve analisar
apenas a parte estrutural mas tambeacutem a parte hidraacuteulica Desta forma torna-se indispensaacutevel
um estudo sobre a distribuiccedilatildeo de pressotildees8
42 RESSALTO HIDRAacuteULICO COMO DISSIPADOR DE ENERGIA
Conforme jaacute mencionado o ressalto ocorre devido agrave mudanccedila brusca no regime de
escoamento que passa de supercriacutetico (no vertedouro) a subcriacutetico (no leito a jusante da
7 Os itens das equaccedilotildees estatildeo especificados na lista de siacutembolos
8 Podem ser consultados os trabalhos de Lopardo (1986) Pinheiro (1995) Teixeira (2003) Trierweiler Neto
(2006) Wiest (2008) Mees (2008) entre outros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
49
bacia) Segundo United States of America (1987 p 387) o ressalto que ocorreraacute em uma
bacia tem caracteriacutesticas distintas e forma definida dependendo da relaccedilatildeo entre a energia do
fluxo que deve ser dissipado e a profundidade do fluxo a jusante Nesse caso a funccedilatildeo desta
bacia tipo I eacute forccedilar a ocorrecircncia do ressalto hidraacuteulico ao peacute do vertedouro condiccedilatildeo do
ressalto tipo A Cabe ressaltar que o ressalto tipo A forma-se quando a lacircmina de aacutegua sobre a
bacia de dissipaccedilatildeo equivale agrave altura lenta (yl) situada a jusante sendo que o ressalto se forma
inteiramente sobre o canal horizontal tendo iniacutecio exatamente no ponto de tangecircncia da curva
entre o vertedouro e a bacia de dissipaccedilatildeo Todavia na praacutetica o mais usual eacute considerar o
ressalto tipo B isto eacute levemente afogado conforme afirma Wiest (2008 p 27)
De forma geral os escoamentos a jusante de vertedouros apresentam a configuraccedilatildeo
do ressalto de tipo B isto eacute parte do ressalto forma-se sobre o vertedouro e parte
sobre a bacia de dissipaccedilatildeo Os ressaltos do tipo A C e D raramente ocorrem em
condiccedilotildees reais de operaccedilatildeo deste tipo de estrutura []
Segundo Rajaratnam (1995 P 31) uma bacia de dissipaccedilatildeo usando o ressalto claacutessico como o
agente de dissipaccedilatildeo eacute raramente encontrada porque a altura do leito a jusante na maioria dos
casos praacuteticos varia em uma ampla faixa O ressalto iria ficar na bacia somente para uma
profundidade e para o fluxo igual ao de projeto Tambeacutem a bacia seria muito longa Portanto
uma alternativa seria a utilizaccedilatildeo de bacias de dissipaccedilatildeo com ressalto forccedilado uma vez que
diversos projetos compotildeem este grupo e os dois projetos geralmente aceitos satildeo as bacias
USBR II e USBR III (com blocos anexos que forccedilam a ocorrecircncia do ressalto)
Todavia este conceito estaacute sendo revisado pois se percebeu ao longo do tempo que estes
blocos anexos agrave bacia satildeo muito deteriorados em funccedilatildeo das altas vazotildees que suportam o que
ocasiona o surgimento de cavitaccedilatildeo e erosatildeo nessas estruturas Entatildeo a partir do momento
que estes blocos natildeo mais exercem sua funccedilatildeo conforme o projeto natildeo iratildeo mais interferir no
comprimento do ressalto possibilitando que este se desenvolva fora da bacia e cause erosatildeo
no leito a jusante situaccedilatildeo que se necessita evitar Desta forma pode-se afirmar que as bacias
tipo I satildeo mais adequadas do ponto de vista da seguranccedila e funcionalidade pois eliminam um
possiacutevel problema de manutenccedilatildeo
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43 CRITEacuteRIOS DE PROJETO
Para dimensionar uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico eacute preciso definir
basicamente as caracteriacutesticas do escoamento agrave entrada da bacia e do escoamento de aacutegua na
seccedilatildeo de restituiccedilatildeo O dimensionamento destas estruturas implica a determinaccedilatildeo dos
seguintes paracircmetros de acordo com a figura 26
a) velocidade no peacute do vertedor (vr)
b) altura da lacircmina drsquoaacutegua e nuacutemero de Froude no iniacutecio do ressalto (yr e Frr)
c) altura da lacircmina drsquoaacutegua no final do ressalto (yl)
d) comprimento da bacia (Lb)
e) espessura da bacia e ancoragem (e)
f) altura dos muros laterais (CL)
g) raio de transiccedilatildeo (R)
h) dimensotildees e forma da soleira
Figura 26 paracircmetros a serem definidos para o dimensionamento de uma bacia de
dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I (adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
O projeto dessas estruturas eacute funccedilatildeo necessariamente
a) do desniacutevel criado pela construccedilatildeo da obra
b) da vazatildeo especiacutefica de projeto
c) das condiccedilotildees de operaccedilatildeo do aproveitamento
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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d) da geologia do local (grau de fraturamento tipo de rocha etc)
e) do tipo de trecho de implantaccedilatildeo da obra (leito encaixado ou espraiado)
f) dos niacuteveis a jusante da estrutura de dissipaccedilatildeo
Marques (1991 p 10) afirma que
A escolha do tipo do dissipador de energia adequado a cada caso depende de
inuacutemeros fatores tais como
-topografia e geologia do local
-tipo de barragem
-arranjo geral da obra
-caracteriacutesticas hidraacuteulicas como altura de queda e descargas especiacuteficas
-comparaccedilatildeo econocircmica com outros tipos de dissipadores
-frequecircncia de operaccedilatildeo do descarregador de cheias
-facilidades de manutenccedilatildeo e
-riscos associados a danos e rupturas
Ortiz (1982 p 335) enfatiza que embora todas estas caracteriacutesticas sejam importantes para o
dimensionamento de bacias de dissipaccedilatildeo o conhecimento das velocidades tem particular
importacircncia para possibilitar um projeto mais adequado e mais econocircmico de revestimento do
canal a jusante Outro paracircmetro de importacircncia indiscutiacutevel eacute a vazatildeo que vai escoar sobre
estas estruturas A vazatildeo utilizada nos projetos de bacias de dissipaccedilatildeo eacute na maioria dos casos
a cheia maacutexima de projeto do vertedouro Salienta-se contudo que agraves vezes pode ser mais
econocircmico assumir um risco e projetar a bacia para uma vazatildeo menor e mais frequente (por
exemplo Q1000 ou menor em vez da cheia maacutexima de projeto) e realizar reparos quando a
vazatildeo escolhida Q for ultrapassada
Muitos cuidados satildeo necessaacuterios quando optado por essa alternativa o projetista responsaacutevel
deve possuir experiecircncia (NOVAK et al 2007 p 254) Pinto ([1987] p 55) afirma que ldquoO
desempenho das bacias de dissipaccedilatildeo eacute em geral otimizado para uma vazatildeo de cheia inferior agrave
cheia maacutexima de projetordquo Complementando Schreiber (1977 p 18) afirma que o niacutevel
drsquoaacutegua correspondente agrave descarga da enchente maacutexima deve ser conhecido para o caacutelculo de
uma bacia de dissipaccedilatildeo do vertedouro Os projetos satildeo feitos para obras que funcionaratildeo por
muitos anos poreacutem dispotildee-se geralmente de dados hidrograacuteficos e meteoroloacutegicos somente
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
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em tempos passados para dimensionaacute-las Usando esses dados pressupotildee-se que no futuro as
condiccedilotildees seratildeo as mesmas ou pelo menos muito semelhantes
Segundo Mees (2008 p 13)
No dimensionamento de vertedouros deveratildeo ser consideradas as diferentes
situaccedilotildees de escoamento possiacuteveis de ocorrecircncia para reduzir o tamanho da bacia de
dissipaccedilatildeo A cota de fundo da mesma eacute dimensionada em funccedilatildeo dos niacuteveis de
jusante para que o ressalto comece junto ao peacute da estrutura do vertedouro (ressalto
tipo A) Para as demais vazotildees o ressalto deve ficar mais para montante ou seja
submerso O ressalto natildeo deve se deslocar para jusante em momento algum pois eacute
possiacutevel que a turbulecircncia provocada pelo ressalto aja sobre uma regiatildeo natildeo
protegida provocando danos agrave estrutura Esses seratildeo fatores limitantes que devem
ser observados no projeto de bacias de dissipaccedilatildeo
Esta afirmaccedilatildeo implica entatildeo que se o ressalto se posicionar a jusante da condiccedilatildeo A (altura
conjugada maior que a altura da aacutegua no leito do rio) pode se rebaixar agrave bacia de um valor
compatiacutevel com Tw (Tail Water ― altura da aacutegua no leito do rio) aumentando o niacutevel drsquoaacutegua
disponiacutevel para que o ressalto se forme em A Se por outro lado o ressalto se formar a
montante da condiccedilatildeo A (com a altura conjugada menor) eacute considerado razoaacutevel haacute um
deslocamento do ressalto para montante e este pode ser afogado pelo escoamento Eacute um
projeto seguro poreacutem natildeo eficiente quanto agrave dissipaccedilatildeo de energia
Por uacuteltimo ldquo[] a escolha de uma determinada estrutura de dissipaccedilatildeo e seu correspondente
comprimento de transiccedilatildeo depende natildeo soacute de criteacuterios teacutecnicos mas tambeacutem de uma anaacutelise
econocircmicardquo (ORTIZ 1982 p 397) Entretanto este aspecto natildeo seraacute abordado neste
trabalho
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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5 MEacuteTODO
A metodologia para o dimensionamento de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico
implica na anaacutelise de uma seacuterie de paracircmetros que satildeo detalhados nos proacuteximos itens deste
trabalho
51 CHEIA DE PROJETO (Qp)
A cheia de projeto eacute um paracircmetro de extrema importacircncia para o dimensionamento de uma
obra hidraacuteulica pois estaacute diretamente relacionada com a importacircncia da mesma e o potencial
do risco caso ocorra uma ruptura Para definir esta vazatildeo de projeto devem ser utilizados os
quadros 4 a 6 ilustrados abaixo Poreacutem independente da vazatildeo escolhida o dissipador deveraacute
ser capaz de suportar uma vazatildeo efluente maacutexima maximorum (Qmaacutexmax)
A partir desta anaacutelise e das caracteriacutesticas da barragem eacute possiacutevel determinar o tempo de
recorrecircncia (Tr) a ser considerado para o dimensionamento da obra Cabe ressaltar que se
nesta anaacutelise os quadros fornecerem categoria risco ou Tr diferentes deve ser adotado sempre
o caso mais desfavoraacutevel isto eacute o maior potencial de risco a maior categoria de barragem e o
maior Tr a fim de garantir a seguranccedila da estrutura
Os quadros 4 e 5 abaixo satildeo propostas pelo Comitecirc Brasileiro de Grandes Barragens (CBGB)
para definir a cheia de projeto Jaacute o quadro 6 eacute o criteacuterio sugerido pela Eletrobraacutes
Quadro 4 classificaccedilatildeo de barragens de acordo com a capacidade do reservatoacuterio e a
altura (PINTO [1987] p 3)
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Quadro 5 cheia maacutexima provaacutevel (CMP) para projeto de vertedouros
(PINTO [1987] p 4)
Quadro 6 tempo de recorrecircncia para vertedouros de Pequenas Centrais Hidreleacutetricas
(MARQUES 2010)
No Brasil utiliza-se normalmente a cheia decamilenar Q10000 como sendo a cheia maacutexima
provaacutevel (CMP) em projetos de grandes barragens Para estruturas que satildeo projetadas para
suportar galgamento eacute recomendado um Tr superior a 500 anos Com base nos quadros
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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fornecidos anteriormente a escolha definitiva da cheia de projeto deve obedecer aos seguintes
criteacuterios miacutenimos
a) a vida econocircmica de uma barragem deve ser maior ou igual a 100 anos
b) a vazatildeo de projeto do vertedouro Qp ge 100 anos de Tr
c) QCMP Qp Q100 isto eacute a vazatildeo de projeto do vertedouro deve estar entre a
cheia maacutexima provaacutevel e a cheia de 100 anos de Tr
d) Q10000 Qmaxmax QCMP isto eacute a cheia maacutexima maximorum deve estar
compreendida entre as cheias de 10000 de tempo de retorno e a cheia maacutexima
provaacutevel (FONTENELLE 20079 apud MARQUES 2010)
e) se Qmax gt 3 Q100 esta obra necessita de um vertedouro de emergecircncia
52 LARGURA DA BACIA (B)
A largura da bacia (B) deve ser definida a partir das caracteriacutesticas do vertedouro da
topografia e geologia do local e o custo da construccedilatildeo Geralmente esta dimensatildeo eacute
determinada a partir do comprimento do vertedouro sendo necessaacuterio verificar se existe
algum fator que vai influenciar no aumento desta dimensatildeo isto eacute existecircncia de pilares
mudanccedila de seccedilatildeo ao longo do traccedilado do canal de descarga etc De um modo geral a largura
da bacia de dissipaccedilatildeo seraacute a soma dos vatildeos de vertedouro mais a espessura dos pilares
53 CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO HIDRAacuteULICO
As caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico conforme apresentado na revisatildeo bibliograacutefica satildeo
definidas pela velocidade do escoamento no iniacutecio do ressalto (vr) as alturas conjugadas
raacutepida (yr) e lenta (yl) e o nuacutemero de Froude (Frr) no trecho raacutepido A figura 27 ilustra estes
paracircmetros
9 FONTENELLE A de S Proposta Metodoloacutegica de Avaliaccedilatildeo de Riscos em Barragens do Nordeste
Brasileiro 2007 213f Tese (Doutorado) ― Universidade Federal do Cearaacute Fortaleza
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Figura 27 paracircmetros para definiccedilatildeo das caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
(adaptado de NOVAK et al 2007 p250)
A velocidade vr eacute definida de forma iterativa a partir de dois pontos conhecidos Neste caso os
pontos satildeo o inicio do ressalto onde ocorre vr e o topo do vertedouro que eacute onde se conhece a
altura da lacircmina drsquoaacutegua h e a velocidade de aproximaccedilatildeo va Procede-se o caacutelculo aplicando a
equaccedilatildeo de Bernoulli que eacute calculada por
Tr
r Hg
vy
2
2
(equaccedilatildeo 4)
g
vhzH a
T
2
2
(equaccedilatildeo 5)
Onde
yr eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no iniacutecio do ressalto (trecho raacutepido)
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
g eacute a aceleraccedilatildeo da gravidade
HT eacute a carga a montante
z eacute a cota na crista do vertedouro
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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h eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no vertedouro
va eacute a velocidade de aproximaccedilatildeo
Inicia-se o caacutelculo adotando-se que zr estaacute na altura zero entatildeo z seraacute a altura do vertedouro
estima-se que yr(0) eacute zero e pela equaccedilatildeo de Bernoulli encontra-se uma velocidade vr(1)
g
vhz
g
var
220
22
)1( (equaccedilatildeo 6)
Tr Hgv 2)1( (equaccedilatildeo 7)
Com a velocidade vr(1) na equaccedilatildeo da continuidade encontra-se yr(1)
Bv
Qy
r
r
)1(
)1(
(equaccedilatildeo 8)
Inicia-se uma nova iteraccedilatildeo utilizando yr(1) na equaccedilatildeo de Bernoulli e segue-se com o caacutelculo
ateacute a convergecircncia
g
vhz
g
vy anr
nr
22
22
)1(
)( (equaccedilatildeo 9)
Encontrado os paracircmetros vr e yr o proacuteximo passo eacute calcular o nuacutemero de Froude no iniacutecio do
ressalto Frr
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r
rr
yg
vFr
(equaccedilatildeo 10)
Onde
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
vr eacute a velocidade no trecho raacutepido
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Apoacutes calcula-se a altura conjugada lenta yl pela equaccedilatildeo proposta por Beacutelanger anteriormente
mencionada
1812
1 2 r
r
l Fry
y
(equaccedilatildeo 3)
Onde
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Frr eacute o nuacutemero de Froude no trecho raacutepido
54 COTA DE FUNDO (Cf)
A cota de fundo Cf deve ser definida de forma que o ressalto seja formado sempre na posiccedilatildeo
A (transiccedilatildeo do vertedouro para a bacia de dissipaccedilatildeo) ou agrave montante desta independente da
vazatildeo que estiver ocorrendo (figura 28) Esta condiccedilatildeo eacute de fundamental importacircncia pois
garante que para as diferentes vazotildees que possam ocorrer o ressalto sempre ficaraacute contido
dentro da bacia de dissipaccedilatildeo isto eacute para determinadas vazotildees o fenocircmeno teraacute iniacutecio sobre o
vertedouro e para outras esta posiccedilatildeo inicial poderaacute se mover mas nunca para um ponto mais
a jusante do que a posiccedilatildeo A
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 28 cota de fundo da bacia de dissipaccedilatildeo de energia e demonstraccedilatildeo da
posiccedilatildeo A limite para o iniacutecio do ressalto hidraacuteulico (adaptado de NOVAK et al
2007 p250)
A determinaccedilatildeo da cota de fundo Cf de uma bacia de dissipaccedilatildeo consiste em analisar a curva
chave do escoamento que eacute a curva que correlaciona vazatildeo e profundidade de fluxo isto eacute
associa para uma determinada vazatildeo qual seraacute o niacutevel drsquoaacutegua naquela seccedilatildeo Na sequecircncia
deve-se verificar qual seraacute a cota do niacutevel de jusante (Nj) para uma seacuterie de vazotildees e qual seraacute
yl requerida para cada uma delas Esta comparaccedilatildeo vai resultar em quatro casos diferentes e a
partir da interpretaccedilatildeo destes seraacute possiacutevel determinar se haacute a necessidade rebaixar a Cf da
bacia de dissipaccedilatildeo e para que faixas de vazotildees (Q) esta soluccedilatildeo deveraacute ser projetada
No primeiro resultado denominado caso I a profundidade do Nj eacute sempre menor que a yl
requerida para a formaccedilatildeo do ressalto hidraacuteulico (figura 29) Sendo assim o fenocircmeno natildeo
ocorre na posiccedilatildeo A (ilustrado anteriormente) e sim num local mais a jusante onde somente
apoacutes a formaccedilatildeo de uma curva de remanso as profundidades Nj e yl ficam adequadas para a
formaccedilatildeo do ressalto Quando for esta a relaccedilatildeo existente eacute preciso rebaixar a Cf da bacia de
dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que seja compatiacutevel com a altura yl requerida para que ocorra o
ressalto na posiccedilatildeo desejada
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Figura 29 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando o niacutevel de jusante
Nj eacute insuficiente para a altura yl requerida (TAMADA [1991] p DIS-2)
O caso II caracteriza-se pela condiccedilatildeo de que a profundidade do Nj eacute sempre superior a altura
yl necessaacuteria para formar o ressalto hidraacuteulico conforme ilustrado na figura 30 Neste caso
sempre iraacute formar um ressalto hidraacuteulico na posiccedilatildeo A e a tendecircncia eacute que ele ocorra afogado
ou seja seu iniacutecio seraacute sobre a parede inclinada do vertedouro
Figura 30 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando Nj eacute suficiente
para o yl requerido e demonstraccedilatildeo dos ressaltos possiacuteveis de se formarem
(TAMADA [1991] p DIS-2)
No caso III ocorrem duas situaccedilotildees para as vazotildees mais baixas a curva da altura requerida yl
do ressalto estaacute acima da curva chave Nj e para as vazotildees mais altas a curva da altura
requerida yl do ressalto estaacute abaixo da curva chave Nj (figura 31) Neste caso a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais baixas o que implica na
necessidade de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que altura yl requerida para
que ocorra o ressalto na posiccedilatildeo desejada seja compatiacutevel com o Nj
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Figura 31 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de serem formados (TAMADA [1991] p DIS-3)
No caso IV ocorre o oposto do anterior isto eacute para vazotildees baixas a curva da altura yl
requerida pelo ressalto fica abaixo da curva chave Nj e para vazotildees altas a curva da altura yl
requerida do ressalto fica acima da curva chave (figura 32) Com estas condiccedilotildees a Cf seraacute
determinada utilizando-se como referecircncia as vazotildees mais altas o que implica na necessidade
de rebaixamento da bacia de dissipaccedilatildeo ateacute uma cota que a altura yl requerida seja compatiacutevel
com o Nj no intuito de induzir a formaccedilatildeo do ressalto na posiccedilatildeo desejada
Figura 32 relaccedilatildeo da curva chave com a curva do ressalto quando esta tem
comportamento diferente em funccedilatildeo da vazatildeo e demonstraccedilatildeo dos ressaltos
possiacuteveis de se formarem (TAMADA [1991] p DIS-3)
A partir da anaacutelise da relaccedilatildeo entre as curvas do ressalto hidraacuteulico e a curva chave eacute possiacutevel
saber quais vazotildees vatildeo definir o dimensionamento da estrutura e pode-se determinar a cota de
fundo do dissipador atraveacutes da seguinte equaccedilatildeo
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ljf yNC
(equaccedilatildeo 11)
ly
Tw (equaccedilatildeo 12)
Onde
Cf eacute a cota de fundo
Nj eacute o niacutevel de jusante
α eacute um fator de correccedilatildeo geralmente 105 le α le 110 (pode variar desta faixa depende da
confiabilidade da curva chave adotada no dimensionamento)
yl eacute a altura conjugada lenta
Tw eacute a altura da lacircmina drsquoaacutegua no leito do rio
55 COMPRIMENTO DA BACIA (Lb)
O comprimento Lb da bacia depende fundamentalmente do comprimento caracteriacutestico do
ressalto pois este deve ocorrer dentro (ou parcialmente dentro) da estrutura de forma a natildeo
danificar o leito a jusante De acordo com a revisatildeo bibliograacutefica viu-se que natildeo haacute um
consenso sobre o caacutelculo desta dimensatildeo do fenocircmeno devendo-se entatildeo analisar as diversas
equaccedilotildees apresentadas pelos vaacuterios pesquisadores Alguns destes sugerem utilizar para o
dimensionamento da estrutura de dissipaccedilatildeo o comprimento do rolo Lr outros indicam o
comprimento do ressalto hidraacuteulico Lj ou ainda o comprimento da influecircncia do ressalto
sobre o escoamento Ln
Desta forma baseando-se no comprimento do rolo Lr a equaccedilatildeo mais utilizada eacute a proposta
por Peterka
lr yL 54 para 0954 Fr (equaccedilatildeo 13)
Onde
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
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Lr eacute o comprimento do rolo
yl eacute a altura conjugada lenta
Fr eacute o nuacutemero de Froude
Considerado o comprimento do ressalto Lj ou o comprimento da influecircncia Ln para
dimensionar a estrutura de dissipaccedilatildeo as equaccedilotildees mais utilizadas satildeo as propostas por
Smetana Peterka Elevatorski Marques et al e Teixeira
rlj yyL 6 (equaccedilatildeo 14)
lj yL 16 (equaccedilatildeo 15)
rlj yyL 96 (equaccedilatildeo 16)
rln yyL 58 (equaccedilatildeo 17)
Onde
Lj eacute o comprimento do ressalto
Ln eacute o comprimento da influencia do ressalto
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Existe ainda um meacutetodo de dimensionamento proposto por Elevatorski que deve ser
analisado independente dos resultados das equaccedilotildees apresentadas pois ele eacute determinado em
funccedilatildeo das caracteriacutesticas geoloacutegicas do local isto eacute se forem encontrados solos facilmente
erodiacuteveis a bacia de dissipaccedilatildeo deve ter um comprimento Lb no miacutenimo igual a Lr para a
CMP ou Q10000 Para as vazotildees Qp e Q100 este comprimento Lb deve ser igual ou maior que os
comprimentos sugeridos conforme eacute definido nas equaccedilotildees abaixo
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rlb yyL 8 para Q100
(equaccedilatildeo 18)
rlb yyL 96 para Qp
(equaccedilatildeo 19)
rlb yyL 6 para Q10000
(equaccedilatildeo 20)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Poreacutem se a geologia for composta por solos natildeo facilmente erodiacuteveis o comprimento da
bacia de dissipaccedilatildeo Lb deve ser definido a partir das equaccedilotildees abaixo para a cheia de projeto
escolhida para Q10000 e para Q100
rlb yyL 6 para Q100
(equaccedilatildeo 21)
rlb yyL 24 para Qp
(equaccedilatildeo 22)
rlb yyL 42 para Q10000
(equaccedilatildeo 23)
Onde
Lb eacute o comprimento da bacia de dissipaccedilatildeo
yl eacute a altura conjugada lenta
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
65
Apoacutes determinar os comprimentos Lr Lj Ln e analisar os criteacuterios sugeridos por Elevatorski
em 1959 o comprimento Lb a ser adotado deveraacute sempre ser escolhido de acordo com as
condiccedilotildees geoloacutegicas de jusante isto eacute nem sempre precisa ser o maior comprimento
fornecido pelas equaccedilotildees desde que a geologia natildeo ofereccedila risco a seguranccedila da estrutura
56 SOLEIRA TERMINAL
A soleira terminal ou end sill eacute uma estrutura que auxilia na diminuiccedilatildeo do impacto do fluxo
daacutegua com o leito de jusante com o objetivo de proteger a obra das possiacuteveis erosotildees No tipo
de dissipador estudado esta soleira tem a geometria conforme a figura 33 e eacute contiacutenua por
toda largura do dissipador
Figura 33 soleira terminal de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I
O dimensionamento deste limite da bacia deveraacute obedecer agraves recomendaccedilotildees sugeridas no
trabalho de Peterka proposto em 1959 ou deveraacute considerar resultados obtidos em anaacutelises
de modelos reduzidos De uma forma geral a geometria pode ser definida por uma soleira
com inclinaccedilatildeo aasymp20deg (1V2H) e com as seguintes dimensotildees
(equaccedilatildeo 24)
140
t
t
H
zs
(equaccedilatildeo 25)
10 1 05 1 ge
r
t r
y
z y
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66
mts 200 (equaccedilatildeo 26)
Onde
s eacute a altura da soleira
zt eacute uma diferenccedila de cota entre a soleira e o leito de jusante para garantir que materiais natildeo
entrem na bacia
Ht eacute a energia de montante
yl eacute a altura conjugada lenta do ressalto
ts eacute a largura do topo da soleira terminal
57 ALTURA DOS MUROS LATERAIS (CL)
Os muros laterais da bacia de dissipaccedilatildeo deveratildeo ter a dimensatildeo superior agrave altura conjugada
lenta yl para qualquer vazatildeo que ocorra protegendo o terreno ou estruturas anexas contra o
escoamento turbulento Estes muros tem sua cota inferior igual a cota de fundo Cf da bacia
seu comprimento seraacute o mesmo que o da bacia (Lb) e podem apresentar muros alas na sua
extremidade para proteger a barragem das corrente de retorno A cota superior CL eacute calculada
a partir da cota do niacutevel de jusante Nj de acordo com as equaccedilotildees
fNC jL
(equaccedilatildeo 27)
)(10 lr yyf (equaccedilatildeo 28)
Onde
CL eacute a cota superior dos muros laterais
Nj eacute o niacutevel drsquoaacutegua de jusante
f eacute a folga que deve ser deixada em relaccedilatildeo ao niacutevel de jusante
yr eacute a altura conjugada raacutepida
yl eacute a altura conjugada lenta
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
67
Existem ainda alguns criteacuterios que satildeo sugeridos para o dimensionamento destes muros
independente dos valores encontrados com as equaccedilotildees acima Satildeo eles
a) CL11∙Nj para Q100
b) CL Nj+10 para QP
c) CL Nj para Q10000
A altura CL deveraacute ser o maior dos valores encontrados pelas equaccedilotildees e pelas especificaccedilotildees
acima
58 DETERMINACcedilAtildeO DO RAIO DE TRANSICcedilAtildeO (R)
O raio de transiccedilatildeo ideal entre a laje de fundo e o perfil do vertedouro (figura 34) eacute definido
por
10ry
R
(equaccedilatildeo 29)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
Quando for considerada a Q10000 este raio pode ser definido por
5ry
R
(equaccedilatildeo 30)
Onde
R eacute o raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
yr eacute a altura conjugada raacutepida
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68
Figura 34 raio de transiccedilatildeo entre a laje de fundo e o vertedouro
59 ESPESSURA DA BACIA E ANCORAGEM (e)
A espessura da laje de fundo deveraacute ser dimensionada considerando a subpressatildeo maacutexima e o
carregamento miacutenimo sobre a mesma Este assunto natildeo seraacute desenvolvido aqui por natildeo estar
na limitaccedilatildeo do trabalho10
10
Para melhor compreensatildeo recomenda-se ver Pinheiro (1995) e Mees (2008)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
69
6 APLICACcedilAtildeO DOS CRITEacuteRIOS A UM CASO HIPOTEacuteTICO
A seguir eacute apresentada uma aplicaccedilatildeo dos criteacuterios de dimensionamento a dois casos
hipoteacuteticos Para o dimensionamento eacute necessaacuterio que se tenha em matildeos os estudos
hidroloacutegicos geoloacutegicos e geoteacutecnicos aleacutem do arranjo baacutesico da obra
61 BARRAGEM DE GRANDE ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 3800 m
- comprimento da crista do vertedouro 41560 m
- cota da crista do vertedouro 31300 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 13500 msup3s
- Q1000 27000 msup3s
- Q10000 40000 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 36)
- Q100 Nj = 28600 m
- Q1000 Nj = 28500 m
- Q10000 Nj = 28400 m
d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo inicial da bacia em 25800 m
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Figura 35 curva chave de montante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 36 curva chave de jusante de uma barragem de grande altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
A partir da figura 35 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 7
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
71
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 32900 32600 32100
Carga sobre a crista do
vertedouiro h (m) 1600 1300 800
HT 5112 4899 4492
Quadro 7 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 8
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 25800 26235 26855
Tw 2100 2000 1900
Quadro 8 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 25800m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 25800m para diferentes vazotildees
(quadro 9)
Q (msup3s) 40000 27000 13500 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 243 165 085 8
vr 3954 3927 3809 7
Frr 809 975 1317 10
yl 2667 2200 1547 3
Quadro 9 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 25800m
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72
Para a verificar se a cota de fundo do terreno natural permite a formaccedilatildeo do ressalto a
montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular o niacutevel de jusante requerido (Nj-
requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de seguranccedila adotado o valor de
=105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com a curva do Nj-requerido eacute verificado
se a cota fixada foi adequada (figura 37)
Figura 37 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 27500 m
Observa-se que a cota natildeo eacute adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 32 entatildeo haacute
necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se utilizar um
valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo atraveacutes da
equaccedilatildeo 11 (conforme quadros 8 e 9) desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto
no ponto de concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo eacute possiacutevel identificar que seratildeo as altas
vazotildees que vatildeo determinar a cota de fundo do dissipador
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 8) foi adotado
25800m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 38 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
73
Figura 38 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido apoacutes rebaixamento do
dissipador para a cota de 25800 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 10 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 5817 12142 8768
Quadro 10 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja a bacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 12150 m
Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees do item 56 Os
resultados no quadro 11 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
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74
Q (msup3s) 40000 27000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 024 017 009
sle 1141 1100 1044
Quadro 11 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 12) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 28900 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 28600 28500 28400
f 291 236 163
CL 28891 28736 28563
Quadro 12 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 13 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado um
raio de no miacutenimo 1700 m
Q (msup3s) 40000 16000 13500
Tr (anos) 10000 1000 100
R 1217 1667 853
Quadro 13 raios de transiccedilatildeo calculados
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 39) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
75
Figura 39 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
grande altura
62 BARRAGEM DE PEQUENA ALTURA
Dados jaacute determinados para o dimensionamento do vertedouro
a) caracteriacutesticas do vertedouro (obtidos do arranjo baacutesico da obra)
- altura 1000 m
- comprimento da crista do vertedouro 9200 m
- cota da crista do vertedouro 15200 m
b) vazotildees de projeto (obtidos do estudo hidroloacutegico)
- Q100 33869 msup3s
- Q1000 48318 msup3s
- Q10000 62742 msup3s
c) niacuteveis de jusante (obtidos do estudo hidroloacutegico e figura 41)
- Q100 Nj = 14500 m
- Q1000 Nj = 14580 m
- Q10000 Nj = 14650 m
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d) geologia natildeo facilmente erodiacutevel (obtido a partir dos estudos geoloacutegicos e
geoteacutecnicos)
e) fixaccedilatildeo da cota de fundo da bacia para uma cota de 14200 m (niacutevel do terreno
natural)
Figura 40 curva chave de montante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
Figura 41 curva chave de jusante de uma barragem de pequena altura do caso
hipoteacutetico (obtido do estudo hidroloacutegico)
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
77
A partir da figura 40 retira-se os valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
resultando nos valores do quadro 14
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cota a montante (m) 15416 15380 15330
Carga sobre a crista do
vertedouro h (m) 216 180 130
HT 1223 1189 1146
Quadro 14 valores das cargas a montante para as vazotildees de projeto
Partindo-se de uma cota fixada inicialmente e atraveacutes de iteraccedilotildees (utilizando a metodologia
exposta anteriormente) chegou-se aos resultados do quadro 15
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Cf 14136 14135 14133
Tw 465 407 340
Quadro 15 cota de fundo calculada e Tw apoacutes o rebaixamento do dissipador
Como a bacia de dissipaccedilatildeo deve atender a todas as vazotildees deve-se adotar para a cota de
fundo um valor inferior ou igual ao da menor cota calculada que no caso eacute 13980m
Utilizando-se as equaccedilotildees apresentadas no iacutetem 53 eacute possiacutevel calcular as caracteriacutesticas do
ressalto para o caso em que a bacia eacute colocada na cota fixa 13980m para diferentes vazotildees
(quadro 16)
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Q (msup3s) 62742 48318 33869 Equaccedilatildeo
Tr (anos) 10000 1000 100
yr 037 029 O20 8
vr 1853 1834 1810 7
Frr 975 1094 1282 10
yl 490 429 359 3
Quadro 16 caracteriacutesticas do ressalto para estrutura fixada na cota 13980m
Para a verificar se a cota de fundo que foi fixada inicialmente para estrutura de dissipaccedilatildeo
permite a formaccedilatildeo do ressalto a montante do ponto de concordacircncia A eacute necessaacuterio calcular
o niacutevel de jusante requerido (Nj-requerido) atraveacutes da equaccedilatildeo 11 e fixar o coeficiente de
seguranccedila adotado o valor de =105 A partir comparaccedilatildeo da curva chave de jusante com
a curva chave do Nj-requerido eacute verificado se a cota fixada foi adequada (figura 42)
Figura 42 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido para a cota fixada
inicialmente em 14200 m
Observa-se que a cota fixada natildeo foi adequada pois esta ilustraccedilatildeo se assemelha a figura 31
entatildeo haacute necessidade de rebaixar a cota de fundo Cf Para se fixar a proacutexima cota pode-se
utilizar um valor de Cf igual ou menor que o menor dos valores obtido para a cota de fundo
atraveacutes da equaccedilatildeo 11 desde que satisfaccedila a condiccedilatildeo da formaccedilatildeo do ressalto no ponto de
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
79
concordacircncia A partir desta ilustraccedilatildeo identifica-se que as vazotildees mais baixas eacute que vatildeo
determinar a Cf a ser adotada
Neste caso hipoteacutetico em funccedilatildeo dos valores de Cf encontrados (quadro 16) foi adotado
13980m como nova cota de fundo chegando-se a configuraccedilatildeo ilustrada na figura 43 onde
se pode observar que o Nj-requerido estaacute sempre a abaixo da curva chave natural evidenciando
que esta nova cota de fundo pode ser adotada
Figura 43 curva chave de jusante e niacutevel de jusante requerido requeridas apoacutes
rebaixamento do dissipador para a cota de 13980 m
Para o caacutelculo do comprimento da bacia foram utilizadas as equaccedilotildees 21 22 e 23 por se tratar
de um caso de geologia natildeo facilmente erodiacutevel Os valores encontrados estatildeo apresentados
no quadro 17 para cada vazatildeo
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Lb (natildeo facilmente erodiacutevel) 1087 2403 2030
Quadro 17 comprimentos da bacia (Lb) calculados
O comprimento da bacia adotado deveraacute ser um que atenda a todas as vazotildees Verificando os
dados acima observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o comprimento da bacia eacute a vazatildeo
de 1000 anos de recorrecircncia ou seja abacia de dissipaccedilatildeo deveraacute ter um comprimento
miacutenimo Lb = 2410 m
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Para o dimensionamento da soleira terminal devem se utilizadas as equaccedilotildees item 56 Os
resultados no quadro 18 indicam que a vazatildeo que estaacute comandando o dimensionamento da
soleira terminal eacute a vazatildeo de 10000 anos
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
zt 004 003 002
sle 241 227 211
Quadro 18 dimensionamento da soleira terminal
A determinaccedilatildeo da cota do muro lateral da bacia eacute feita utilizando-se as equaccedilotildees do item 57
Pela anaacutelise dos dados (quadro 19) observa-e que a vazatildeo que estaacute comandando o
dimensionamento dos muros laterais da bacia eacute a vazatildeo de 10000 anos de Tr sendo adotado
no miacutenimo uma cota lateral de CL = 14710 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
Nj (m) 14650 14580 14500
f 053 046 039
CL 14703 14626 14538
Quadro 19 determinaccedilatildeo da cota dos muros laterais
O raio de transiccedilatildeo entre o perfil do vertedouro e a laje de fundo eacute dado a partir das equaccedilotildees
29 e 30 Pela anaacutelise dos resultados no quadro 20 observa-se que a vazatildeo que estaacute
comandando o a escolha do raio de transiccedilatildeo eacute a vazatildeo de 1000 anos sendo entatildeo adotado
um raio de no miacutenimo 290 m
Q (msup3s) 62742 48318 33869
Tr (anos) 10000 1000 100
R 184 286 203
Quadro 20 raios de transiccedilatildeo calculados
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
81
A seguir eacute apresentado um croqui (figura 44) das caracteriacutesticas da bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico que deveria ser adotada neste caso hipoteacutetico
Figura 44 croqui de soluccedilatildeo a ser adotada no caso hipoteacutetico de uma barragem de
pequena altura
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82
7 CONSIDERACcedilOtildeES FINAIS
As obras hidraacuteulicas satildeo sujeitas agrave accedilatildeo de diversos mecanismos que podem colocaacute-las em
situaccedilatildeo de risco A sua seguranccedila estaacute associada ao conhecimento de como estas estruturas se
comportam com os diferentes escoamentos que podem ocorrer A estrutura dissipadora de
energia de uma barragem faz parte da obras de seguranccedila da mesma e deve ser capaz de
suportar todas as vazotildees sem colocar em risco a seguranccedila da obra
O dimensionamento de um dissipador de energia natildeo eacute uma ciecircncia exata pois depende muito
da experiecircncia do projetista das caracteriacutesticas geoloacutegicas e topografias da regiatildeo e do grau
de confiabilidade nos dados hidroloacutegicos disponiacuteveis fazendo com que seja adotado um
coeficiente de seguranccedila proporcional agrave credibilidade destas informaccedilotildees isto eacute mais ou
menos conservador A bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto hidraacuteulico tipo I eacute uma das formas de
dissipador mais utilizada atualmente dada a sua eficiecircncia Para o correto dimensionamento
destas estruturas eacute necessaacuterio que se conheccedila as caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico
fenocircmeno estudado desde os seacuteculos XIX e XX
Este trabalho procurou apresentar as principais preocupaccedilotildees e metodologias para determinar
os criteacuterios de detalhamento do projeto hidraacuteulico de uma bacia de dissipaccedilatildeo por ressalto
hidraacuteulico que consiste em determinar a cheia de projeto a largura da bacia de dissipaccedilatildeo as
caracteriacutesticas do ressalto hidraacuteulico a cota de fundo e o comprimento do dissipador as
dimensotildees da soleira terminal a altura dos muros de proteccedilatildeo lateral e o raio de transiccedilatildeo do
vertedouro para a estrutura de dissipaccedilatildeo Aleacutem da determinaccedilatildeo destes paracircmetros foi feita a
aplicaccedilatildeo em um caso hipoteacutetico de barragem de grande altura e outro em barragem de
pequena altura onde foi possiacutevel verificar notaacuteveis diferenccedilas nos resultados obtidos para o
dimensionamento
Todavia eacute sabido que haacute uma seacuterie de outros aspectos e criteacuterios que devem ser considerados
no dimensionamento dessas estruturas mas que natildeo foram abordados neste trabalho por
estarem fora do escopo inicial Entretanto para um profissional que estiver tomando contato
pela primeira vez com o assunto pode ser uacutetil o caminho a seguir
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Criteacuterios de Dimensionamento para Bacia de Dissipaccedilatildeo por Ressalto Hidraacuteulico Tipo I
83
TOPOGRAFIA GEOLOGIA HIDROLOGIA CUSTOEQUIP P
CONSTRUCcedilAtildeO
EXPERIEcircNCIA
DO
PROJETISTA
LIVRE
COM
COMPORTAS
TULIPA
SIFAtildeO
CONDICcedilOtildeES
DISSIPADOR DE
ENERGIA
BACIA DE DISSIPACcedilAtildeO POR
RESSALTO HIDRAacuteULICOSALTO DE ESQUI
ALTURA DOS MUROS LATERAIS
RAIO DE TRANSICcedilAtildeO
SUPERFIacuteCIE
VERTEDOURO
NAtildeO CONVENCIONAIS
CONCHA DE ARREMESSO
CHEIA DE PROJETO
COTA DE FUNDO
COMPRIMENTO DA BACIA
SOLEIRA TERMINAL
CARACTERIacuteSTICAS DO RESSALTO
Figura 45 sugestatildeo de caminho para dimensionamento de bacia de dissipaccedilatildeo por
ressalto hidraacuteulico tipo I
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Deacutebora Saccaro Turella Porto Alegre DECIVEEUFRGS 2010
84
REFEREcircNCIAS
BAPTISTA M B COELHO M M L P Fundamentos de Engenharia Hidraacuteulica 2 ed
rev Belo Horizonte Editora da UFMG 2003
CARVALHO E Seguranccedila de Barragens Aspectos Hidroloacutegicos e Hidraacuteulicos
Disponiacutevel lthttpwwwcbdborgbrdocumentosErtonCarvalho-HidrC3A1ulicapdfgt
Acesso em 27 set 2009
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