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Engenharia

Estruturas Hidráulicas

By 13 de dezembro de 2018 No Comments

1. Introdução

Nesta aula, estudaremos os principais temas referente às obras hídricas: barragens, vertedouros, tomadas d’água, taludes, bueiros, canais e condutos sob pressão. Obras de Saneamento estão na disciplina de Meio Ambiente. Obras portuárias também estão em disciplina própria.

2. Barragens

Barragens são estruturas construídas transversalmente a um rio ou talvegue, com a finalidade de obter a elevação do seu nível d’ água e/ou de criar um reservatório  de acumulação de água seja de regulação das vazões do rio, seja de outro corpo hídrico. É essa elevação do nível d’ água, por exemplo, que possibilitará a alimentação da tomada d’água de uma obra hídrica (uso da água para abastecimento urbano, geração de energia, insumo industrial  etc.).

Em locais de baixa queda, no caso de aproveitamentos hidrelétricos, a barragem tem a função de criar o desnível necessário à produção da energia, pois  a produção energética é função, principalmente, da vazão do rio e da altura de queda da água. Esse assunto será detalhado posteriormente em aula própria.

De início, vale apresentar a distinção entre barragens de nível e barragens de regularização de vazão (também conhecidas como barragens de acumulação). As barragens de nível são aquelas construídas com a finalidade de se criar carga hidráulica sobre as estruturas de captação. Ou seja, destinam-se a criar nível, e não a regularizar vazões. Portanto, não garantem o abastecimento no período de recessão e nem acumulam cheias para serem liberadas nos períodos de vazões mínimas (efeito de regularização).

Já as barragens de regularização têm como efeito a redução das variações de vazão, estocando as vazões máximas

As barragens podem ser de terra, de enrocamento, de concreto, ou mistas (por exemplo,   a barragem da Usina Hidrelétrica de Itaipu, com trechos em enrocamento, trechos em terra e outro em concreto). O tipo de barragem é escolhido em função das características topográficas e geológico-geotécnicas do sítio, considerando-se, ainda, a disponibilidade de materiais  naturais de construção e o processo construtivo a ser utilizado.

Cabe destacar que tanto as barragens de terra quanto as de enrocamento devem dispor de recursos para controlar a percolação das águas que se infiltram através do maciço, tratando de medir esta vazão de infiltração e conduzir toda a água   com segurança para o pé da barragem (face de jusante).

 

Escolha do local

Para a escolha de um local adequado para a implantação de uma barragem,  devem ser observados os seguintes critérios:

  • áreas de empréstimo e pedreiras com disponibilidade de material em  quantidade suficiente e localizado em cota superior à da barragem visando  facilitar o transporte de materiais (transportando o material “morro abaixo se economiza bastante no consumo de combustível dos equipamentos de transporte: tratores, escavadeiras, caminhões);
  • Possibilidade de utilização do material proveniente das escavações para as barragens de concreto e enrocamento (necessidade de se fazer um “balanço” do material escavado e que será reutilizado, levando as “sobras” para as áreas de “bota-fora”);
  • O local do vale deve ser o mais “encaixado” possível, ou seja, mais estreito, “afunilado” (com as “ombreiras” – ponto de contato da barragem com o terreno natural nas margens esquerda e direita – bem próximas uma da outra), de forma  a se reduzir o volume da barragem;
  • As fundações devem ser resistentes o suficiente para suportar o peso da barragem;
  • Deve-se observar a facilidade de construção e de  acessos.

a) Barragens de terra e enrocamento

As barragens de terra e enrocamento utilizam materiais disponíveis na região,   com um mínimo de beneficiamento. Assim, geralmente apresentam custos bastante reduzidos em relação às de concreto. Assim sendo, têm uso frequente no Brasil.

Deve ser analisado o balanceamento de materiais a fim de se estudar a possibilidade de se  utilizar aqueles provenientes de escavações. Por exemplo, caso seja possível, pode-se utilizar o solo escavado para a construção do canal de adução, do vertedouro ou da fundação, evitando-se o bota-fora de  material.

Cumpre observar que essas barragens não exigem fundações  tão resistentes como exigem as de concreto. Elas apresentam geralmente uma grande área na base de contato com o solo e, portanto, transmitem esforços pequenos para a base. Além disso, acomodam-se melhor a eventuais recalques (acomodação do solo, quando submetido a esforços, causando um pequeno deslocamento vertical  da superfície do terreno).

Por outro lado, têm seus critérios de projeto bastante ligados ao estudo da geotecnia (estudos dos solos), já que a percolação da água através do corpo dessas barragens deve ser muito bem controlada.

A barragem de terra é apropriada para locais onde a topografia se apresenta suavemente  ondulada, nos vales pouco encaixados. Também é desejável que existam áreas de empréstimo de materiais argilosos/arenosos suficientes para a construção do maciço compactado. Essas áreas de empréstimo são locais,  próximos ao empreendimento, em que seja possível obter os materiais necessários para sua construção, sem causar grandes impactos ao meio ambiente. A correta identificação das áreas de empréstimo (e bota-fora) costuma ser bastante rigorosa, em atenção aos requisitos estabelecidos pelo órgão ambiental responsável pelo licenciamento da obra  hídrica.

Vale lembrar que nesse tipo de barragem o vertedouro deve ser, quando possível, localizado fora do corpo da barragem (em uma região lateral em uma das margens, por exemplo), o que protegerá o maciço de solicitações decorrentes da alta velocidade do escoamento de aproximação.

A barragem de terra não pode, sob nenhuma hipótese de projeto, sofrer vertimento por cima de seu topo. Essa condição de projeto visa  evitar o fenômeno conhecido como “galgamento da barragem”, acidente que é considerado um dos principais causadores do rompimento desse tipo  de barragem.

Essas barragens de terra podem ser de três tipos:

  • homogêneas (Figura abaixo (a)): feitas de solos argilosos e muito pouco permeáveis;
  • zoneadas (Figura abaixo (b)): com um núcleo impermeável e as zonas externas mais permeáveis;
  • mista (diafragma – Figura abaixo (c)): constituída de vários tipos de materiais tais como argila, areia, brita, blocos de pedra.

Já as barragens de enrocamento são formadas em grande parte com material de grandes diâmetros, que apresentam alta permeabilidade. Assim, devem ter   sua vedação garantida por uma faixa de material impermeável (normalmente feita em concreto ou por um material mais fino, como solo  argiloso).

Podem ser de dois tipos:

  • barragens de enrocamento com face em concreto (Figura abaixo  (a));
  • barragens de enrocamento com núcleo de argila (Figura abaixo  (b)).

As barragens de enrocamento são viáveis quando inexiste área de empréstimo de solos argilosos na periferia da obra (seria necessário trazê-la de longe, aumentando significativamente os custos de transporte da jazida à obra), mas há pedreiras facilmente exploráveis.

Portanto esse tipo de barragem é encontrado em regiões rochosas. Também é aplicável em vales estreitos, quando é problemática a construção de um  vertedouro lateral, podendo ser usado o próprio corpo da barragem como vertedouro.

Assim, no caso de terrenos com baixa capacidade de suporte, recomenda-se a adoção das barragens de terra ou enrocamento. Isso porque elas apresentam uma grande base, distribuindo seu peso próprio.

 

Percolação e drenagem interna.

Percolação é a denominação dada ao processo de passagem de água pelo maciço das barragens, ou por sua fundação. Ela é especialmente danosa no caso de   haver carreamento de solo pelo fluxo da água ou aumento de pressão interna na barragem.

Por isso, toda barragem requer uma zona de baixa permeabilidade (vedação),   cuja finalidade é controlar e reduzir do fluxo de água pelo corpo do maciço.

O volume das águas percoladas é calculado por uma rede de fluxo (Figura abaixo), a qual consiste no diagrama formado por: (1) linhas de igual carga hidráulica, ou linhas equipotenciais (“equi” = igual, “potencial” = no caso, a carga hidráulica); e (2) linhas de fluxo ou de corrente. Essas linhas são traçadas aproximadamente perpendiculares entre si e de tal forma que a vazão entre   cada par de linhas de fluxo (horizontais) seja constante e que a perda de carga entre duas equipotenciais (verticais) seja a mesma, formando, desse modo, uma série de pequenos quadrados, tal como ilustrado na figura abaixo.

O controle da percolação complementa-se com a drenagem interna (direcionando  o fluxo de água de forma segura). A drenagem interna é vital para a segurança   de uma barragem e tem como finalidades: (i) captar e conduzir para jusante a água de percolação; (ii) proteger o aterro contra o “piping” (fissuramentos internos), contra gradientes de percolação elevados junto ao pé de jusante da barragem (“levantamento” da barragem); (iii) evitar a saturação do talude (“encharcamento”, com posterior ruptura do solo).

O fenômeno de “piping” (na tradução livre para o Português: “entubamento”) ocorre quando o solo rompe-se internamente à barragem em fendas ou orifícios e a água começa a percolar violentamente, exercendo uma ação erosiva intensa, arrastando as partículas sólidas, formando dessa maneira uma espécie de “tubo” (Pipe). Já o “levantamento” ocorre quando a força de percolação vertical ascendente iguala-se ao peso do solo. Não havendo mais peso, o solo “bóia”, ou seja, é como se o solo perdesse seu peso e passasse a  “flutuar”.

A escolha do tipo de drenagem é função direta da permeabilidade do maciço (= “corpo” da barragem) e das características do material drenante disponível. A seguir, passamos a apresentar alguns tipos de sistemas de drenagem  interna:

  • Tapete drenante (Figura abaixo (a)): Previsto para dar vazão à  água que percola o maciço, atua primordialmente no controle do fluxo pela  fundação;
  • Filtro vertical com tapete (Figura abaixo (b)): Coleta o fluxo que percola no maciço, conduzindo-o para fora da barragem. Adotado em grande parte das barragens homogêneas, mas vem perdendo espaço com a adoção do filtro inclinado;
  • Filtro inclinado (Figura abaixo (c)): localização otimizada do filtro, mas de difícil execução em função da necessidade de rigorosa topografia para manutenção da “inclinação de projeto” do filtro durante as atividades de execução das camadas de aterro;
  • Dreno de pé (rock-fill – Figura abaixo (d)).

 

Sistemas de drenagem interna

Como critério de projeto, recomenda-se levar os sistemas internos de drenagem  até o N.A. máximo normal do reservatório e lançar o dreno horizontal no contato com a fundação.

O importante é entender para que servem esses sistemas de drenagem. Como já explicitado, o fluxo excessivo de água através da barragem causa instabilidade nessa última. Portanto, as drenagens internas visam a recolher essa água que percola pelo maciço, criando um caminho preferencial para a água. Dessa forma, fica claro que as barragens não são completamente “estanques”. É permitido que um pequeno fluxo de água “penetre” em seu corpo, desde que este pequeno fluxo consiga ser conduzido, com segurança, até o pé de jusante da barragem. Do contrário, caso o fluxo seja intenso e “corte” a barragem ao meio, pode haver um sério acidente, com a ruptura do maciço (inclusive com perdas de vidas humanas, como no passado).

Essa água, muitas vezes, traz junto partículas de solo, que com o tempo podem colmatar o dreno (= “entupir” os vazios). Assim, adotam-se filtros na barragem a fim de se evitar que esses grãos finos penetrem no material grosso, obstruindo a passagem da água. Os filtros localizam-se nos contatos existentes entre dois materiais de permeabilidade diferente. Por exemplo: transição entre o maciço e o rip-rap; proteção do núcleo em barragens zoneadas; filtro chaminé; tapete filtrante; transição entre o maciço e o rock-fill (= dreno de pé da barragem “preenchido por rocha”); e transição nos poços de  alívio.

Além disso, evitando, por exemplo, a fuga de solos finos do núcleo da barragem (menos permeável) para o talude de jusante (mais permeável), os filtros  protegem o próprio núcleo e aumentam, por consequência, a estabilidade e segurança da barragem como um todo.

 

b) Barragens de concreto

As barragens de concreto dividem-se em: gravidade; arcos; e contrafortes. Inicialmente detalharemos a barragem por gravidade,  por ser a mais comumente encontrada. Posteriormente apresentaremos as principais características das outras duas.

Barragens de gravidade

A barragem gravidade deve ser capaz de resistir, com seu peso  próprio, à pressão da água do reservatório e à subpressão das águas que se infiltram pelas fundações.

Esse tipo de barragem é recomendado para vales estreitos, encaixados,  em maciço rochoso pouco fraturado e com boas condições de fundação. A seção da barragem pode incorporar o vertedouro quando as condições topográficas do local dificultarem a concepção de vertedouro lateral.

A cota da crista de uma barragem de gravidade corresponde ao NA máximo  normal de operação, acrescido da sobrelevação devida à propagação da cheia de projeto e da máxima altura para a arrebentação de ondas de vento. As larguras dos topos das barragens de gravidade variam de cerca de 0,15 vezes a sua   altura, até a largura necessária a uma rodovia.

Há ainda uma variante desse tipo de barragem: a barragem de  gravidade aliviada. Esse tipo foi proposto como forma de se otimizar a utilização  do concreto. Então, constatam-se economias importantes no volume de concreto, o que torna interessante sua adoção em muitos casos.

 

Seções típicas e dimensões básicas

A seção típica recomendada para esse tipo de barragem é apresentada na figura abaixo.

Na maioria dos casos, adota-se uma seção com paramento de montante vertical, em função dos cálculos de estabilidade.

Na crista da barragem, no trecho não vertente, deverá ser  construída uma mureta de proteção contra ondas, em concreto ou em alvenaria de  tijolos maciços.

A jusante da barragem deve ser feita uma bacia de dissipação, cuja função será amortecer o impacto da água extravasada pelo vertedouro. A bacia terá a mesma largura do vertedouro e, caso a rocha seja pouco resistente ou fraturada será necessária uma laje no fundo da bacia.

Para barragem com altura menor que 10 m, a cota mínima da crista deverá estar 1,0 m acima da elevação do NA normal do reservatório. A mureta de proteção contra ondas deverá ter uma altura mínima de 30 cm e largura de 20 cm. Para barragem com altura maior que 10 m, deve-se estimar a borda-livre utilizando-se os critérios específicos e mais aprofundados.

 

Aspectos construtivos

  1. – A área sob a barragem, mais uma faixa de 5,0 m para montante e para jusante, deverá ser limpa (isto inclui, destocamento e remoção das camadas superficiais) até se atingir a rocha sã;
  2. – As irregularidades na superfície da rocha deverão ser eliminadas  com remoção do material ou enchimento com concreto;
  3. – Os materiais extraídos serão colocados fora da obra e do  reservatório.
  4. – A barragem deverá ser concretada por partes (ou blocos) alternadamente,  para facilitar a cura do concreto. Entre os blocos deverão ser previstas juntas verticais de dilatação vedadas contra vazamentos. O trecho do vertedouro deverá ser rebaixado em altura correspondente à da lâmina d ‘água máxima  vertente. É usual deixarem-se vãos livres no interior do maciço para fins de galerias de inspeção;
  5. – Antes de ser iniciada a construção da barragem deve-se realizar o desvio do rio.

 

Barragem em arco

As barragens em arco apresentam curvatura em planta e, pela ação estrutural de sua forma de arco, transmitem às ombreiras a maior parte dos esforços a que estão submetidas. São construídas em concreto e, comparativamente aos outros tipos, as barragens em arco apresentam poucos casos de  ruptura.

As mesmas forças atuantes nas barragens de gravidade também atuam nas barragens em arco, diferindo apenas em sua importância relativa. Devido a sua base estreita, podendo ser muito altas e delgadas, as barragens em arco são recomendadas para vales estreitos e rochosos.

 

Barragem de contraforte

Uma barragem de contrafortes consiste em uma placa inclinada que transmite o empuxo da água a uma série de contrafortes perpendiculares ao eixo da  barragem. Os tipos mais comuns são os de laje plana e os de arcos múltiplos, sendo que, geralmente, nos dois casos é utilizado o concreto armado como material. Cabe destacar que a ação estrutural dos arcos permite que haja uma maior distância entre os contrafortes.

As barragens de contrafortes gastam entre 1/3 a 1/2 do concreto necessário para  a construção de uma barragem de gravidade de mesma altura. Entretanto, gastam muito mais formas e aço. Assim, o seu custo nem sempre é  inferior.

Se por um lado seu peso próprio diminui, em relação à barragem de gravidade,  por outro, a redução da base promove o aumento da compressão sobre a fundação, o que exigirá, em alguns casos, o tratamento da  fundação.

No que tange aos aspectos construtivos, o fato de as barragens de contrafortes consumirem muito menos concreto do que suas equivalentes de gravidade  faz com que o tempo de construção seja menor e o problema do desvio do rio menos grave.

3. Vertedouros

Vertedouros ou extravasores são estruturas hidráulicas destinadas a efetuar a descarga das águas excedentes dos reservatórios sem ocasionar danos à barragem e às outras estruturas hidráulicas adjacentes. Essencialmente, os vertedores constituem-se de uma tomada d’ água associada a uma soleira, sendo que a água recolhida destina-se a uma estrutura de descarga, sendo que a jusante desta implanta-se um dissipador de energia.

Os vertedores podem ser executados em concreto, gabiões, alvenaria, aço e madeira. Essas estruturas podem ser implantadas no próprio corpo da barragem (no caso de barragens de concreto) ou independentemente  desta.

Quanto às condições de operação, os vertedouros podem ser classificados em de serviço ou de emergência. O primeiro descarrega as vazões mais freqüentes e o segundo seria usado durante as grandes cheias. No lugar dos extravasores de emergência, podem ser utilizados os extravasores fusíveis: preparados para  romper sem causar grandes danos.

Os vertedores podem ser retangulares, de canal lateral, em forma de tulipa, ou   em sifão. Há ainda as barragens vertedouras, em que a sangria se dá por cima da barragem.

a) Tipos de vertedouros

Os vertedores retangulares (Figura abaixo) podem ser de parede delgada (e<2/3H – Figura abaixo (a)) ou de parede espessa (e>2/3H – Figura abaixo    (b)).

Nos vertedouros de canal lateral, o muro vertedor é locado ao lado da barragem com o canal de descarga paralelo à crista do vertedouro. Assim, a entrada de   água ocorre perpendicular ao escoamento.

Nos vertedouros em tulipa, a descarga é transportada de dentro do reservatório para jusante da barragem através de um canal aberto (sangradouro em poço ou “morning glory”). O poço pode ser vertical ou inclinado.

O extravasor tipo sifão é um sistema de conduto forçado, na forma de  U invertido.

Além disso, os vertedouros podem ser com controle (b e c) ou sem controle (a), de acordo com a existência ou não de  comportas.

O extravasor de crista livre deve ser projetado de forma que o escoamento se processe suavemente, com o mínimo de turbulência. Sua forma ideal deve ter a mesma forma da face inferior da veia líquida que escoa por sobre um vertedor de soleira delgada em sua carga máxima “h” (Figura abaixo (a)). Esse extravasor é chamado de soleira padrão (Figura abaixo (b)).

b) Dimensionamento dos vertedouros

O dimensionamento dos vertedores é realizado a partir das vazões afluentes, portanto, de acordo com a “cheia de projeto”. Essa vazão extrema será calculada  a partir de estudos hidrológicos para períodos de retorno pré-definidos.

A equação básica para dimensionamento hidráulico dos vertedouros simples  é Q = C Le H  3/2 , onde:

Q – vazão em m³/s;

C – coeficiente de descarga;

Le – largura efetiva, em ”m”;

H – altura de carga, em “m”

O coeficiente de descarga “C” varia de vertedor para vertedor, possuindo valores maiores para a soleira padrão. Ele é função da forma da soleira, da altura de  fundo, da inclinação do paramento a montante, do nível e da velocidade d’água. Devido à dificuldade de se obter esse coeficiente, muitas vezes o engenheiro recorre à construção de modelos reduzidos, que representam em,  escala menor, o escoamento de água naquele vertedor.

A largura efetiva “Le” corresponde à largura útil total do vertedor subtraída da eventual contração do jato d’água em função da presença dos pilares. Ou seja, a presença e a forma dos pilares irão interferir no escoamento de forma a diminuir   a capacidade de descarga do vertedouro. Esse efeito é representado pela largura efetiva Le.

A altura de carga “H” corresponde à energia acima da crista da soleira, sendo freqüentemente considerada igual à lâmina d´ água (supondo-se uma velocidade de aproximação nula).

Portanto, na capacidade de descarga de um vertedouro influem a largura  da soleira (Le), a altura de carga medida a montante da soleira (H) e a forma da soleira (C).

c) Medição de vazões utilizando vertedores

É bastante comum a utilização de vertedouros também em canais. Nesse caso, destinam-se à medição de vazões. Isso é possível por meio da leitura da altura da lâmina d’água a montante de sua soleira.

d) Dissipadores de energia

A energia cinética (decorrente da velocidade) associada ao escoamento d’ água a jusante dos vertedores pode chegar a níveis muito elevados, ocasionando a destruição do material que está em contato com a água. Torna-se então  necessário prever a construção de estruturas dissipadoras de energia, destinadas a compatibilizar a velocidade do escoamento com as características de resistência do meio físico a jusante.

Se, na região a jusante do vertedouro, for identificada a presença de maciço rochoso fraturado, será suficiente verificar se o mesmo conseguirá dissipar a energia do escoamento. Caso essa região seja composta por solo deverá ser projetada uma proteção específica.

Há várias soluções distintas para a dissipação de energia da  água:

  • Bacias de dissipação: consiste na construção de uma bacia a jusante do vertedouro em que parte da energia é dissipada devido à mudança de regime do escoamento.

Nesse caso, a função da bacia de dissipação é forçar a ocorrência de  um fenômeno denominado “ressalto hidráulico” ao pé do vertedouro. O ressalto  ocorre devido à mudança brusca no regime de escoamento, que passa de supercrítico (no vertedouro) a subcrítico (na bacia) e dissipa grande quantidade    de energia.

  • Dissipadores do tipo salto de esqui: consiste na construção de uma pequena curva (que “lança” a água em direção ascendente) a jusante da estrutura de condução de água. A dissipação da energia ocorre devido à turbulência do jato,    ao atrito e à incorporação de ar na massa líquida.

  • Dissipadores contínuos: efetuam a dissipação de forma distribuída ao longo   da estrutura de condução. Podem ser citadas como exemplos: escadas e calhas dissipadoras.

4. Tomadas d’água

As tomadas d’ água são estruturas destinadas a captar e conduzir  água ao sistema adutor; permitir o esvaziamento do reservatório e a passagem de sedimentos; e impedir a entrada de corpos flutuantes e de água, quando necessário.

As tomadas d’ água compõem-se de grades de proteção contra corpos flutuantes, comportas para controle do escoamento e comportas de emergência (também chamados de stop-logs). O ideal é que a tomada d’ água tenha uma forma que reduza as perdas de carga ao mínimo possível, em todos os seus  trechos.

As tomadas d’ água devem ser localizadas, sempre que possível, junto à margem do reservatório, ao longo de trechos retos. Caso seja necessário instalá-las nos trechos em curva, deve-se preferir o lado côncavo, pois os sedimentos transportados pelo escoamento se depositam na parte convexa, devido  às menores velocidades de escoamento. Além disso, na parte côncava as profundidades são maiores e a captação das águas superficiais é feita livre de sedimentos trazidos por arrasto.

Portanto, evita-se a entrada de sedimentos na tomada d’água, seja em rios, seja em reservatórios.

Os arranjos típicos para disposição das estruturas componentes da  tomada d’água serão variados, em função dos aspectos topográficos e geológico- geotécnicos de cada local. Os principais elementos componentes das tomadas d’água são (Figura abaixo):

  1. – canal de aproximação/adução do escoamento;
  2. – se no local do aproveitamento os estudos sedimentológicos realizados revelarem que o rio transporta sedimentos, deverá ser previsto no canal  de adução, a montante da estrutura de tomada d’água, uma câmara destinada à decantação do material em suspensão e/ou um desarenador. O funcionamento dessas estruturas é bastante simples, ocorrendo devido às baixas velocidades de escoamento, que proporcionam a sedimentação de partículas sólidas. Na região baixa do desarenador, deve-se prever comporta de fundo, a fim de se possibilitar sua limpeza.
  3. – a estrutura de tomada d’água propriamente dita, incluindo a grade para proteção contra corpos flutuantes e as comportas para controle do  escoamento.
  4. – a adução até as turbinas geralmente é feita por meio de condutos forçados. Entretanto, nos arranjos nos quais a casa de força situa-se afastada da tomada d’água (Figura abaixo), a jusante da estrutura, posiciona-se geralmente o canal    de adução em superfície livre, ou tubulação de adução de baixa pressão, até a estrutura da câmara de carga. A jusante da câmara de carga situam-se os condutos forçados, por onde o escoamento é conduzido às turbinas.

A câmara de carga é a estrutura responsável por fazer a transição da água do  canal para a tubulação de alta pressão. A câmara de carga também tem a função de absorver as manobras bruscas que porventura possam ocorrer na operação  (por exemplo, fechamento brusco da válvula de entrada da usina).

Outra estrutura que merece ser apresentada aqui é a chaminé de equilíbrio. Trata-se de reservatório de eixo vertical, normalmente posicionado no final da tubulação de adução de baixa pressão e a montante do conduto forçado, com as finalidades de amortecer as variações de pressão (evitando o golpe de aríete) e armazenar água para fornecer ao conduto forçado o fluxo inicial provocado pela nova abertura da turbina, até que se estabeleça o regime  contínuo.

A câmara de carga e a chaminé de equilíbrio são estruturas pertinentes ao tema  de energia hidrelétrica. Portanto, voltaremos a tratar desse assunto posteriormente.

As figuras abaixo apresentam esquematicamente um arranjo composto de  câmara de carga.

A Figura abaixo apresenta um arranjo típico de tomada d’água:

5. Taludes

Como forma de se aumentar o período de utilização da barragem, são previstas formas de proteção dos taludes (faces inclinadas) do maciço. No caso dos taludes de montante, visa-se a proteção contra a ação do vento, ondas do reservatório e chuva. No talude de jusante, os principais agentes de ataque são, além da chuva   e do vento, o pisoteio de animais e outras formas de impactos que podem ocorrer na face que fica “exposta” à ação do tempo.

As formas mais comuns de proteção no talude de montante são o uso de “rip-rap” (lançado ou arrumado), placas de concreto, pedras rejuntadas, asfalto e brita corrida (= produto resultante de britagem primária de rocha sã,  cuja granulometria é contínua, muito usada em obras rodoviárias). O rip rap é a denominação dada a uma técnica que se utiliza de camada de fragmentos de rocha utilizados para proteção contra a erosão.

No talude de jusante, adotam-se o plantio de espécies vegetais (grama, por exemplo), camadas de pedra e drenagem superficial (no caso de barragens maiores). As espécies vegetais a serem escolhidas devem ser do tipo cujo crescimento das raízes se dê de forma horizontal. O plantio de árvores e arbustos deve ser evitado, pois suas raízes tenderão a se dirigir para os sistemas de drenagem interna em busca de água. Além disso, se elas vierem a morrer, os “vazios” das raízes apodrecidas pode criar caminhos preferenciais para a água de percolação.

Aqui, cabe uma revisão sobre a fundação de uma barragem, que é o local em que esta se apóia. É o local em que se encontram as obras abaixo do maciço.  Em alguns casos, a fundação determina qual será o tipo de barragem adotado, bem como sua seção típica.

É comum ocorrerem alguns problemas em fundações de barragens: (i) falta de estanqueidade (= “vedação”); (ii) baixa resistência (= “capacidade de suporte” de cargas é insuficiente); (iii) estabilidade ameaçada devido ao mau contato barragem-fundação (possibilidade de “deslizamento” devido à falta de atrito entre barragem/fundação); (iv) recalques excessivos.

Cabe destacar o fato de que muitas vezes o fluxo pela fundação chega a superar   o fluxo pelo maciço. Ademais, a grande maioria dos casos de piping ocorre na fundação (Cruz, 1996). Assim, deve-se prever uma vedação para a fundação, que pode ser considerada um complemento para a proteção dada pelo sistema de drenagem interna. Seguem algumas medidas adotadas para  prevenir os problemas supracitados:

 

  • Trincheira impermeável (cut off): É aplicável para a impermeabilização da camada de areia na fundação. Solução mais efetiva, pois intercepta integralmente a feição permeável onde se deseja interromper o fluxo, preenchendo-se o espaço com solo impermeável compactado até a superfície impermeável. Em alguns casos, quando a camada permeável encontra-se estratificada, adota-se a trincheira parcial, em que escavação atinge parte da fundação apenas; entretanto, essa solução apresenta pequena influência na redução de vazões.

  • Injeções – Utilizada no controle das fraturas rochosas de forma a tornar a fundação rochosa impermeável e consolidada (usa-se calda de cimento neste caso). Também pode ser utilizada em fundações permeáveis, por meio de injeções de cimento, argila, bentonita e aditivos químicos. Nessa última aplicação, a injeção é indicada quando a camada permeável for profunda (tiver uma maior espessura).

  • Cortina de estacas–prancha – Cravação de estacas-prancha metálicas até se atingir trecho impermeável. De custo elevado, é pouco utilizada, já que  a presença de rocha alterada causa descontinuidade na superfície impermeabilizada, ocasionando pontos de fuga.
  • Tapete impermeabilizante – Indicado quando a espessura do solo permeável é muito grande. Reduz-se a descarga pela fundação pelo aumento do caminho da percolação. É construído com o mesmo material impermeável do núcleo.

  • Diafragma – Funciona como uma cortina de injeções ou de estacas.

A seguir, seguem duas soluções de fundações para o caso de a camada de solo adjacente à barragem (logo abaixo dela) ser impermeável, mas assentar-se sobre uma camada mais permeável.

  • Poço de alívio – Os poços de alívio são instalados junto ao pé   de jusante para reduzir os danos potenciais das sub-pressões dos materiais mais permeáveis, subjacentes a camada menos permeável (argilosa). Tais sub-  pressões podem acarretar erosão interna do material de fundação e instabilidade do maciço. Ajudam também a controlar a direção e a quantidade de fluxo sob a barragem.

  • Dreno de pé – Os drenos de pé são constituídos de brita e pedregulho grosso, para os quais convergem as águas freáticas, sendo, em seguida, coletadas e drenadas para algum ponto onde possam ser lançadas sem causar danos (leito do rio ou filtros). São substituídos pelos poços de alívio no   caso de camadas impermeáveis mais espessas.

6. Bueiros

Bueiros são estruturas hidráulicas, construídas nos pontos baixos dos vales, objetivando a passagem das águas dos talvegues sob as obras de terraplenagem. Compõem-se de 3 partes: a boca de entrada (a montante), o corpo da obra e a boca de saída   (a jusante). Em alguns casos, instala-se um dissipador de energia a jusante. Em outros, são previstas grades na boca de entrada para evitar que objetos possam obstruir o escoamento.

Um bueiro pode ser considerado um conduto livre ou forçado e de pequeno comprimento, intercalado em um curso de água, visando auxiliar a transposição  de um aterro.

Apesar de serem estruturas simples, os bueiros têm seu funcionamento hidráulico complexo. Assim, podem trabalhar de três formas distintas: como canal (ou   seja, escoamento livre); como orifício (com carga hidráulica a montante); ou como conduto forçado (com carga a montante e a jusante).

Para continuar, temos que compreender o conceito de orifício, que é  uma abertura regular na parede ou no fundo de um recipiente, através do qual sai o líquido ali contido, mantendo-se o contorno submerso. Pode-se dizer que  um orifício está totalmente submerso se o nível d’água a jusante estiver acima do bordo superior do orifício (a). Pode-se dizer que ele está parcialmente submerso se o nível d’água a jusante está entre os bordos do  orifício (b).

Voltando aos bueiros, sua classificação se dá segundo os critérios de número de linhas, geometria e materiais utilizados. Adota-se a uma notação simples para    sua identificação, como veremos adiante.

Os bueiros podem ser simples (“S”), duplos (“D”) ou triplos (“T”),  conforme tenham 1, 2 ou 3 linhas (evita-se um número maior que três). No caso de um número de linhas superior a um (linhas múltiplas), adota-se uma redução da capacidade de vazão de 5%. Ou seja, um bueiro duplo terá  a capacidade de vazão igual a 95% da soma das capacidades individuais de cada um dos bueiros.

Podem ser tubulares – “T” (seção circular) ou celulares – “C” (seção retangular ou quadrada). Existem ainda outras formas menos comuns (elíptica, por exemplo), para serem usadas quando mais conveniente ao  projeto.

Quanto aos materiais, as bocas (de saída e de entrada) podem ser construídas    em concreto, alvenaria de pedra argamassada ou em gabiões (pedras envoltas por uma tela metálica, formando uma espécie de “caixa” recheada de pedras). O corpo pode ser de concreto moldado in loco ou constituído por peças pré- moldadas, nesse caso denominado genericamente de bueiros de concreto (“C”). São comuns também os construídos em chapa de aço corrugadas (bueiros metálicos – “M”). Há ainda os de PVC, fibra de vidro etc. As letras especificadas  são úteis em especificações dos serviços de uma obra hídrica, como uma forma de “abreviar” a descrição do serviço em uma planilha orçamentária.

Um bueiro duplo tubular metálico, com diâmetro de 1,00m, terá a notação BDTM  ø 1,00. Já a notação BTCC 3,00 x 2,00 corresponde a um bueiro triplo celular de concreto, cuja seção tem 3,00m de base e 2,00m de altura,  cada uma das células.

Como critério de projeto, deve-se ter em mente que o dimensionamento de obras novas é usualmente efetuado na hipótese de funcionamento como canal. Em ocasiões especiais, admite-se uma condição de operação com pequena carga hidráulica, limitada a 20% da dimensão vertical da obra.

Já na verificação do funcionamento de obras já existentes (as quais podem estar “subdimensionadas” para os parâmetros técnicos atuais), pode ser aceita alguma carga a montante, mas deve ser dada atenção à estabilidade do aterro, que  muitas vezes não suporta as solicitações decorrentes de elevados níveis de água a montante.

A Figura abaixo apresenta algumas alternativas de posicionamento de bueiros.

É recomendável que seja seguido o traçado do percurso natural do talvegue  (a). Entretanto, há a possibilidade de se usar o alinhamento exposto em (b). Nesse caso, o bueiro deve ter sua extremidade de jusante terminando além da face do talude, visando protegê-lo da erosão (em especial o “pé” do dique), já que evita seu contato com o escoamento. Já no traçado de (c), o talude funciona como uma barragem, já que ocasiona represamento a montante.

Por fim, assim como ocorre nos canais, deve ser analisada a velocidade máxima  de escoamento dos bueiros, de acordo com o material do revestimento. Deve ser avaliada também a velocidade admissível do escoamento hidráulico a jusante da obra, prevendo-se, quando necessário, estruturas de dissipação de energia, que sejam capazes de reduzir essas velocidades.

7. Canais

Canais são estruturas hidráulicas que têm por objetivo a condução de águas, de forma a compatibilizar as demandas às disponibilidades. Essas demandas podem ser para abastecimento, irrigação, drenagem etc.

Diferentemente dos condutos sob pressão, os canais operam em escoamento livre e, portanto, por gravidade.

O dimensionamento de um canal pode ser diferente de acordo com as características da superfície em contato com a água (em função de o canal ser revestido ou não). Deve-se projetar o canal segundo a hipótese de escoamento uniforme, todavia, é importante a determinação da linha d’água em condições mais realistas de projeto, supondo condições de escoamento gradualmente  variado (lembrando: “variado” = aquele que varia ao longo de sua trajetória, ou seja, de montante para jusante).

Os canais revestidos são mais estáveis, como é de se supor. Assim, o problema    de dimensionamento reduz-se à otimização da seção transversal para transportar a vazão de projeto a custos mínimos. Isso significa que, dados (i) o coeficiente de rugosidade, (ii) a declividade e (iii) a área, deve-se buscar uma seção geométrica composta pelo menor perímetro molhado possível. Assim, gasta-se menos com revestimento do canal. Essa é denominada a seção de máxima  eficiência.

Já os canais não-revestidos, ou erodíveis (= que podem sofrer erosão, ou seja, podem perder material sólido das margens e fundo), têm como limitação de  projeto a sua própria instabilidade. Essa característica variará de acordo com a sua geometria, dos materiais do canal e dos materiais conduzidos pela água.  Assim, pode-se dimensionar esse tipo de canal pelo método da velocidade permissível ou o método das tensões de arraste.

O primeiro método (velocidade permissível) é mais simples e consiste em dimensionar-se o canal respeitando-se as limitações de velocidades para que não ocorra a erosão do canal. O valor limite da velocidade máxima será função do material constituinte do canal e da carga de material sólido transportada pelo  canal. Ou seja, a presença de sedimentos na água aumenta a ocorrência de erosão, o que ocasiona a necessidade de que a velocidade de escoamento seja menor. Entretanto, esse método não leva em conta a geometria da seção, apenas o tipo de material.

O segundo método (tensões de arraste) dimensiona o canal de forma a manter as tensões de cisalhamento (tensão de arraste) junto às paredes e ao fundo de canal inferiores a uma tensão admissível, valor a partir do qual ocorreriam processos erosivos. As tensões de arraste efetivas são diferentes no leito e nas paredes do canal. Se forem inferiores à tensão crítica, o canal será  estável.

Qualquer que seja o revestimento do canal, é necessário verificar as velocidades  do escoamento, tanto para as máximas quanto para as mínimas. No que tange as velocidades máximas, mesmo nos canais revestidos, elas não podem ser tão grandes que provoquem abrasão (desgaste causado pelo fluxo da água)  na parede ou deslocamento do revestimento. Há também a verificação de velocidades mínimas de forma a se evitar a deposição de material carreado e o crescimento da vegetação nas margens.

Exige-se também que crie uma distância vertical entre o topo do canal e a superfície da água nas condições de projeto, denominada borda livre. Funciona como uma faixa de segurança, face às imprecisões e incertezas do dimensionamento. Ademais, as bordas livres justificam-se também em função da formação de ondas superficiais devido às imperfeições do canal, obstáculos  etc.

Como visto, o tipo de revestimento de um canal interfere na sua capacidade de condução hidráulica. Porém, há outros aspectos  envolvidos.

Canais em solos ou vegetação têm como vantagens o baixo custo de implantação  e sua melhor inserção ambiental. Por outro lado, as baixas velocidades admissíveis implicam na necessidade de canais de maior porte do que aqueles correspondentes aos canais revestidos. Ademais esses tipos de canal exigem manutenção constante.

Canais revestidos de concreto são mais comumente utilizados em locais em que a faixa disponível para a implantação da obra é reduzida. O concreto permite uma grande flexibilidade na adoção da forma geométrica do canal, além de permitir maiores velocidades de escoamento, que possibilitam uma maior capacidade de vazão. As seções de concreto não exigem tanta manutenção quanto aquelas em solo ou vegetação. Como desvantagens apontam-se o alto custo e aspectos ambientais. Em sistemas de drenagem, ocorrem impactos hidráulicos devido à antecipação dos picos de cheia.

Além desses tipos de revestimento, destaca-se a utilização de gabiões (grades metálicas preenchidas com pedra) e enrocamentos ou rip-raps (pedras lançadas   ou arrumadas).

Por fim, cabe destacar que a medição de vazões em canais abertos pode se dar  por intermédio de diversas técnicas, tais como: flutuadores, calhas Parshall, molinetes ou em vertedores.

 

8. Condutos sob pressão

Os condutos sob pressão (ou condutos forçados) são aqueles que trabalham submetidos a uma pressão diferente (geralmente maior) da atmosférica. Assim, sua seção deve ser sempre fechada, e o líquido escoa em seu interior, enchendo-  a totalmente. Em geral, apresentam seção circular.

Os condutos forçados podem funcionar por gravidade (declividade natural do terreno) ou por recalque (bombeamento) vencendo desníveis entre o ponto de captação e o ponto de utilização.

A Figura abaixo detalha a aplicação do teorema de Bernoulli aos escoamentos em conduto forçado. A Figura abaixo (a) apresenta uma situação sem escoamento   (v = 0 m/s). Nesse caso, a linha de pressões (soma das cargas de posição e de pressão) permanece inalterada no nível do ponto 1. Na situação em que há escoamento  (Figura abaixo (b)), a carga cinética não é nula (v > 0 m/s).

Portanto, como o plano de energia (linha de pressões adicionada à carga de velocidade) continua no mesmo nível, a linha de pressões  diminui.

Na situação da Figura abaixo, o diâmetro do tubo diminui. Como a vazão permanece a mesma, segundo a equação da continuidade (Q = V.A) a velocidade aumenta, aumentando a carga cinética. Assim, há uma diminuição ainda maior da linha de pressões.

Entretanto, na prática, o líquido no conduto é submetido a forças de atrito (com a parede interna do tubo), que ocasionam uma perda de energia. Portanto, o plano de energia rebaixa-se proporcionalmente à perda de carga.

Muitas vezes, devido à topografia do terreno, a tubulação  poderá estar totalmente abaixo, coincidente ou acima da linha piezométrica (de pressões).

  1. – Tubulação totalmente abaixo da linha piezométrica: pressão superior à  pressão atmosférica. Portanto, o escoamento contínuo está garantido. Apesar disso, nos pontos altos da tubulação, pode haver acumulação de ar causando até   a interrupção do escoamento. Assim, nesses pontos, instalam-se  “ventosas”, peças que removem o ar e admitem a sua entrada no caso de esvaziamento da tubulação. Nos pontos baixos exigem-se dispositivos de descarga, destinadas ao seu esvaziamento para manutenção.
  2. – Tubulação coincidente com a linha piezométrica (escoamento livre): conduto livre ou canal.

Deve-se destacar que em projetos de adutoras adota-se os traçados 1 ou  2.

  1. – Tubulação corta a linha piezométrica: o trecho acima da linha piezométrica  fica sujeito a pressões inferiores à atmosférica, o que aumenta o risco de contaminação da água, com a entrada de impurezas do meio externo para o interior da tubulação caso haja qualquer abertura (imperfeição) nas paredes do tubo.
  2. – Tubulação corta o plano de carga estático: escoamento ocorre naturalmente apenas se a tubulação estiver cheia.
  3. – Tubulação corta a linha piezométrica absoluta: Nesse caso é impossível o escoamento por gravidade. Exige-se a instalação de uma bomba para impulsionar  o líquido até o ponto mais alto.

Por fim, vale citar que, em condutos fechados a medição de vazões ocorre por  meio de técnicas tais como: tubos do tipo Venturi, tubo de Pitot etc.

Perda de carga

Vimos que no escoamento, o líquido transforma energia em calor no contato com  a tubulação. Essa energia denomina-se perda de carga. Essa perda de carga divide-se em contínua (ao longo do tubo) e localizada (em conexões, aparelhos etc.).

A contínua deve-se, principalmente, ao atrito interno. A razão entre a perda de carga contínua e o comprimento do conduto (L), representa o gradiente ou a inclinação da linha de carga, e é denominada por perda de carga unitária  (J):

A fórmula universal da perda de carga fornece o valor da perda  de carga contínua.

Onde:

f = coeficiente de perda de carga;

U = velocidade média do escoamento (m/s); L = comprimento do conduto (m);

D = diâmetro do conduto (m);

g = aceleração da gravidade (m²/s).

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