BACIAS DE DISSIPAÇÃO DE ENERGIA_Parte A

1. Engª da Água em Zonas Rurais BACIAS DE DISSIPAÇÃO DE ENERGIA_Parte A • Considerações gerais • Bacias de dissipação por ressalto hidráulico. • Tipos • Dimensionamento

2. Considerações gerais Porque é necessário dissipar a energia dos escoamentos

3. Como se processa a dissipação da energia do escoamento requer dissipação de energia em excesso nos escoamentos num curto desenvolvimento ocorrência de escoamentos com elevada intensidade de turbulência atrito interno e com as fronteiras Energia mecânica da água Energia de turbulência Calor As estruturas de dissipação são, pelo exposto, colocadas a jusante de canais, descarregadores, quedas, etc. • São dimensionadas de modo a: • desencadearem a ocorrência de um ressalto hidráulico, dissipador de energia; • criarem um caudal de restituição (“tailwater”) com velocidade igual à do canal receptor a jusante.

4. O ressalto hidráulico, que ocorre na transição do regime rápido para o regime lento, é um escoamento rapidamente variado, com elevada intensidade de turbulência e, consequentemente, com significativa dissipação de energia. • Outros escoamentos macro turbulentos frequentemente utilizados como meio de dissipação de energia: • formação de vórtices de eixo horizontal; • existência de macro rugosidades nos canais; • penetração de jactos em colchões de água; • impacto de jactos em fronteiras sólidas; • cruzamento de jactos; • queda livre

5. Tipos de estruturas mais frequentemente adoptadas para dissipação da energia dos escoamentos: Bacias de dissipação por ressalto hidráulico; Bacias de dissipação por “roller”; Bacias de dissipação de impacto; Macrorugosidades

6. 1. BACIAS DE DISSIPAÇÃO POR RESSALTO HIDRÁULICO Canal de restituição h0 So SM h3 Canal de acesso h1 Z0 h2 SJ Z3 Z1 Z2 LB LM LJ L

7. Condições de dimensionamento das bacias de dissipação por ressalto: • características do escoamento à entrada da bacia (h1, v1e FR1) e • características do escoamento no curso de água na secção de restituição (h3, V3e FR3) . (ver esquema) • O dimensionamento das bacias de dissipação de energia por ressalto implica a determinação dos seguintes parâmetros: • características geométricas da bacia: comprimento, largura e dimensões dos acessórios que se pretenda introduzir com o objectivo de reduzir o comprimento do ressalto hidráulico, de promover a fixação do ressalto hidráulico dentro da bacia ou de evitar as escavações imediatamente a jusante da bacia de dissipação; • cota da soleira da bacia de dissipação; • localização da secção de montante da bacia de dissipação.

8. Dimensionamento das bacias de dissipação Objectivos do dimensionamento: • Obter uma estrutura que contenha o ressalto hidráulico; • Estabilizar o ressalto para controlo do escoamento a jusante; • Minimizar o comprimento da bacia. W0 WM = B WJ h0 So SM h3 h1 Z0 h2 SJ Z3 Z1 Z2 LB LM LJ L

9. Escolha do tipo de bacia de dissipação por ressalto hidráulico • Refere-se à opção por um dos diversos tipos de bacias de dimensões normalizadas propostas por alguns organismos de investigação; • Destaca-se o USBR (1987), que propõe três tipos de bacia de dissipação em função do número de Froude na secção de montante da bacia. • De entre as diversas bacias passíveis de ser aplicadas, deve escolher-se a que tiver menores dimensões.

10. Às três referidas, junta-se a mais simples, Tipo I: A) Bacia de planta rectangular e fundo horizontal, Tipo I (USBR) Devem ter as dimensões necessárias para confinar o ressalto formado para o caudal de dimensionamento, sem nenhuma estrutura adicional. • Condições de utilização • quedas superiores a 60 m e • caudais por unidade de largura < 45 m2/s Geralmente não é uma estrutura prática devido ao seu comprimento excessivo (uma vez que não tem estruturas adicionais); Para ajudar a fixação do ressalto e diminuir o comprimento da bacia, utilizam-se diversos dispositivos (originam as bacias do tipo II, III e IV). O seu dimensionamento fornece a base para o calculo dos restantes tipos de bacias.

11. Procedimento geral para todos os tipos de bacias (baseado nas bacias do tipo I) • Passo 1- Determinar condições hidráulicas na saída do canal de acesso: • q0, h0, v0, FR0 [como o regime é rápido (comandado por montante), h0 = hu, podemos considerar j = so] Canal de restituição Canal de acesso

12. Passo 2 - Determinar condições hidráulicas no canal de recepção: • v3, hu3 Fr3 • Passo 3 – Estimar a altura conjugada de h0, para verificar a necessidade de bacia por comparação com h3 (ou hTW) C é a relação entre as alturas a montante e a jusante (tailwater) Sem bacia o ressalto formar-se-ia no canal de recepção , o que é indesejável => é necessária uma BDE que acomode o ressalto • Passo 4 • 1ª tentativa de cálculo da cota da soleira da bacia (Z1), • da largura da bacia (WB), • dos declives de montante (SM) e de jusante (SJ). • determinação das condições à entrada da bacia q1, h1, v1, FR1. • seleccionar o tipo de bacia com base no nº Froude, Fr1.

13. Determinar a cota da soleira da bacia (Z1), de modo a acomodar a altura conjugada do ressalto (h’0). É aconselhável utilizar um factor de segurança de 5 % aplicado à TW • Escolher largura da bacia, WB e declives dos taludes SM e SJ (começa por se atribuir valores típicos, WB = WC e SM e SJ = 0.5) • Calcular o comprimento da transição, LM: • Verificar se a largura atribuída à bacia é aceitável Então WB OK se

14. Determinar condições à entrada da bacia, h1, v1, FR1 Para o cálculo da velocidade e de altura de escoamento à entrada da bacia, é necessário aplicar a equação da energia e da continuidade entre o troço final do canal de acesso e a secção inicial da bacia Resolver iterativamente no excel

15. Passo 5 • Calcular a altura conjugada do ressalto (h*1) – será o h2 da Figura • Calcular o comprimento da bacia (LB), a partir da Figura; • Calcular o comprimento a jusante, LJ Sendo So o declive do canal de acesso • Determinar o desnível para o canal de recepção a jusante • Verificar se há tailwater suficiente para forçar o ressalto na bacia a montante, comparando (h2 + Z2) com (h3 + Z3). Se (h2 + Z2) < (h3 + Z3) => há ressalto na BDE e seguimos para o próximo passo Se (h2 + Z2) > (h3 + Z3) => o ressalto sai da BDE=> voltamos ao passo 4 e alteramos diminuímos a cota da soleira, Z1

16. Passo 6- Determinar o raio da curvatura (m) para a mudança de declives entre o descarregador e a bacia Passo 7- Dimensionar os elementos adicionais, específicos para cada tipo de bacia

17. Exemplo: Dimensionar uma bacia de dissipação por ressalto livre, para as seguintes condições Canal de acesso: Q = 11.8 m3 s-1; b = 3 m; K = 67 m1/3 s-1; S0 = 6.5 % Z0 = 30.5 m Canal de restituição: b = 3.10 m; s = 1:2 (V:H); K = 33 m1/3 s-1; S0 = 0.35 % Passo 1: q0 = 3.93 m2 s-1; hu0 = 0.46 m; Fro = 4.02; v0 = 8.53 m s-1 Passo 2: hu3 = 1.25 m; Fr3 = 0.48; v3 = 1.69 m s-1 Passo 3: h*o = 2.61 > hu3 = 1.25 m => é necessária a construção da bacia

18. Passo 4: Z1 = Z0 – (2.61 – 1.25) = 29.14 m Assumir WB = b = 3 m Assumir SM e SJ = 0.5 m m-1 Calcular LM = 2.72 m Verificar WB h1 = 0.39 m , v1= 9.8 m s-1 Fr1 = 5.1 Passo 5: h*1 = 2.82 m Ábaco=> LB = 16.36 m LJ = 0.21 m Z3 = 29.25 m 2.82 + 29.14 > 1.25 + 29.25 => voltar ao passo 4 e diminuir z1

19. B) Bacia com blocos de queda e soleira dentada, Tipo II (USBR) Foi desenvolvida para utilização em descarregadores de grande queda e canais de grande largura; • Condições de aplicação: • FR > 4.5 • quedas superiores a 65 m e • caudais unitários > 45 m2 s-1

20. Acessórios utilizados: • blocos de queda; • soleira de estabilização dentada Consegue reduzir-se para 70%, o comprimento, em relação ao de uma bacia simples, do tipo I; Blocos de queda Soleira dentada

21. Procedimento para bacias tipo II USBR • Passos 1 a 4 e 6 são iguais ao caso das bacias de ressalto livre (Tipo I) • Passo 5: no ábaco escolher a curva relativa à bacia do tipo II => menor comprimento • Passo 5: A altura de jusante deve ser igual à altura conjugada do ressalto (h1*) podendo atribuir-se um factor de segurança de 0.5 % C = 1 ou 1.5 • Passo 7: Dimensionar elementos adicionais

22. Os acessóriosdas bacias contribuem para: • aumentar a capacidade de fixação do ressalto: • reduzir a submersão em relação ao valor requerido numa bacia sem acessórios (em alguns casos). Como actuam: • dividem a lâmina líquida em jactos diferenciados , sendo desviados do fundo os que passam sobre os blocos; • cria-se um grande número de turbilhões dissipadores de energia, permitindo diminuir a tendência para o ressalto se deslocar para jusante. Blocos de queda Soleira dentada • no extremo de jusante cria turbilhões que tendem a estabilizar o fundo a jusante, ainda que construído por elementos móveis.

23. Soleira dentada: • Altura = 0.2 x h2; • Espaçamento máximo = 0.15 x h2; • Espessura = 0.002 x h2; • Para bacias estreitas, a largura e espaçamento podem ser reduzidas mas devem ser iguais. Blocos de queda: • nº de blocos, Nbq; • Largura dos blocos, Wbq; • Espessura dos blocos, Ebq; • Altura dos blocos, hbq; 23

24. Altura dos blocos de queda, hbq, deve ser igual a h1. Se h1 for menor do que 0.2 m, então hbq = 0.2 m. Sendo Nbq o nº de blocos de queda, WB a largura da bacia e h1 a altura de escoamento à entrada da bacia Sendo W1bq a largura dos blocos, W2bq o espaçamento entre blocos • As equações calculam N blocos e N-1 espaços entre blocos; • A largura de bacia que sobrar deve ser dividida igualmente pelos dois espaços entre os blocos e as paredes laterais da bacia; • A largura dos blocos pode ser reduzida, desde que W1 = W2 24 24

25. C) Bacia com blocos de queda, blocos de amortecimento e soleira terminal contínua, Tipo III USBR desenvolvida para utilização em pequenos descarregadores e canais de pequena largura (bacias curtas a jusante de estruturas que transportem caudais relativamente baixos, com velocidades moderadas) • Condições de aplicação: • FR > 4.5 • caudais unitários < 18 m2 s-1 • velocidades moderadas, 15- 18 m s-1. Blocos de queda Blocos de impacto Soleira terminal • Acessórios utilizados: • blocos de queda; • blocos de impacto; • soleira de estabilização lisa

26. Procedimento para bacias tipo III USBR • Passos 1 a 4 e 6 são iguais ao caso das bacias de ressalto livre (Tipo I) • Passo 5: no ábaco escolher a curva relativa à bacia do tipo III • Passo 5: No cálculo da altura conjugada deve usar-se C=1.0. (o mesmo que para o ressalto livre), embora no mínimo possa utilizar-se um C=0.85 ; C = 1 ou 0.85 • Passo 7: Dimensionar elementos adicionais 26

27. recebem o impacto do escoamento criando grandes turbilhões que dissipam energia; • Ocorrem grandes flutuações de pressão que podem provocar cavitação e erosão dos blocos. Blocos de impacto Soleira contínua • dirige as correntes para cima afastando-as do fundo à saída da bacia.

28. Blocos de impacto: Blocos de impacto • A altura dos blocos de impacto, hbi é calculada como: • A espessura de topo dos blocos de impacto deve ser de 0.2h3, sendo o declive da face de jusante de 1:1; • O nº de blocos de impacto, Nbi, é dado por: • A largura , W3bi e o espaçamento, W4bi dos blocos de impacto são dados por: Soleira contínua • A distância entre os blocos de impacto e os blocos de queda deve ser = 0.8 h2 Soleira contínua: • A altura da soleira contínua de jusante, hsc é calculada como: • O declive da face de montante da soleira deve ser de 0.5:1 (V:H) => calcular comprimento da soleira.

29. As equações fornecem Ni blocos de impacto e Ni-1 espaçamentos entre eles. • O espaço que sobra é dividido igualmente pelos espaços entre os blocos das extremidade e as paredes laterais. • A largura e o espaçamento podem ser reduzidos para estruturas mais estreitas, desde que na mesma quantidade. 29

30. d) Bacia com deflectores e soleira terminal contínua, Tipo IV USBR Desenvolvida para canais, ou outro tipo de estrutura de aproximação para os quais o nº de Froude é relativamente baixo. • Condições de aplicação: • Adequadas para o ressalto oscilante, • 2.5 > FR < 4.5 • quedas < 15 m A sua eficiência para esta gama de baixos Fr, reside no efeito dos deflectores, que atenuam significativamente as ondulações O comprimento a dar à estrutura é igual ao definido para a rectangular simples (ressalto livre)

31. Procedimento para bacias tipo IV USBR • Passos 1 a 4 e 6 são iguais ao caso das bacias de ressalto livre (Tipo I) • Passo 5: no ábaco escolher a curva relativa à bacia do tipo IV ≈ Tipo I • Passo 5: No cálculo da altura conjugada deve usar-se obrigatoriamente C=1.1, ou seja a altura de jusante deve ser 10 % superior à altura conjugada. C = 1.1 • Passo 7: Dimensionar elementos adicionais (ver procedimento para bacias II e III) a altura dos blocos de queda deve ser 2h1; a face de jusante dos blocos de queda deve ser inclinada a 5º.

32. Blocos de queda • nº de blocos de queda, Nbq (A largura dos blocos deve ser menor ou igual que h1) • As equações calculam N blocos e N-1 espaços entre os blocos; Blocos de queda • A largura de bacia que sobrar deve ser dividida igualmente pelos dois espaços entre os blocos e as paredes laterais da bacia; Soleira contínua Soleira contínua: • A altura da soleira contínua de jusante, hsc é calculada como: • O declive da face de montante da soleira deve ser de 0.5:1 (V:H) => calcular comprimento da soleira.

33. Expansão e depressão à entrada da bacia de dissipação • Quanto maior for o n Froude à entrada da bacias, mais eficiente será o ressalto hidráulico e menor comprimento de bacia será necessário; • Para aumentar o nº Fr à medida que a água escoa para a bacia, são usadas expansões e depressões; • Estas convertem energia potencial em energia cinética ao permitirem que o escoamento expanda , caia ou ambos; • Como resultado a altura de escoamento diminui e a velocidade aumenta, aumentando o Fr.

34. No relatório do trabalho prático nº 2, secção de resultados, os alunos devem apresentar: A) Esquema de dimensionamento em corte longitudinal, com apresentação das dimensões da bacia e das alturas de escoamento nas 4 secções de interesse. Exemplo: Esquema de dimensionamento em corte longitudinal para uma bacia Tipo III (em papel milimétrico e à escala)

35. B) Esquema de dimensionamento em perspectiva, com apresentação das dimensões da bacia e dos elementos adicionais Exemplo: Esquema de dimensionamento em perspectiva para uma bacia Tipo II (em papel milimétrico e à escala)

36. C) Quadros resumo com os dados do problema e as variáveis de dimensionamento calculadas

38. Aspectos complementares do dimensionamento − Altura dos muros Os muros da bacia de dissipação de energia devem apresentar coroamento horizontal com uma folga relativamente ao nível de jusante que, segundo BUREC (1987) deve ser f = 0,1(V1 + h2 ) , com f [m]; V1 [m/s]; h2 [m] (2) • − Escavação a jusante e muros-ala • Considera-se adequado prever uma plataforma horizontal a jusante da bacia de dissipação de energia por ressalto, cuja concordância com o terreno envolvente se efectuará mediante rampas de escavação com declive não acentuado, adequado às respectivas características geotécnicas. Caso se julgue necessário para protecção do terreno ou estruturas a montante da secção de restituição contra a turbulência do escoamento, poder-se-ão prever muros-ala que ligarão as paredes da bacia ao terreno ou estruturas existentes. Na Figura 3 apresenta-se uma vista dos muros-ala da bacia de dissipação da barragem do Beliche.

39. − Enrocamentos de protecção: No caso da bacia se localizar em terrenos susceptíveis de sofrerem erosões inaceitáveis no decurso do normal funcionamento deste órgão, deve prever-se a jusante da bacia um revestimento com enrocamento de protecção com dimensão adequada à velocidade média do escoamento à saída da bacia e tendo em consideração a elevada turbulência residual que este escoamento ainda possui.

40. Algumas considerações para a escolha de Bacias de Dissipação • A bacia de dissipação do tipo IV é a que apresenta menor comprimento, seguida pela do tipo III e, finalmente, pela do tipo II. • A preferência pelas bacias do tipo III e IV é, assim, evidente. • Salienta-se que a bacia do tipo IV se utiliza para 2,5<Fr1<4,5, enquanto as restantes se utilizam para Fr1≥4,5. • No que se refere à velocidade e ao caudal específico, são também apresentados valores limite, que não devem ser excedidos sem que se proceda a ensaios em modelo físico. • Tendo em atenção os baixos números de Froude para que se utiliza a bacia do tipo IV, esta não apresenta grande eficiência na dissipação de energia, pelo que a opção pela sua utilização deve ser precedida de análise comparativa de dispositivos de dissipação de energia alternativos que permitam soluções mais compactas e mais económicas e com maior eficiência na dissipação de energia.

41. A bacia do tipo III necessita de uma altura de água sobre a soleira de apenas 0.8h2para que o ressalto se mantenha no seu interior, enquanto que a bacia do tipo II necessita de 0.95h2;. • Peterka (1978) refere ser aconselhável considerar alturas de água sobre estas bacias de 1.1h2e 0.9h2para as bacias do tipo II e III, - medida cautelar em relação à incerteza com que habitualmente se conhece o nível na secção de restituição para o caudal de dimensionamento da obra • Para a bacia do tipo IV, recomenda-se uma altura de água h2. BUREC (1987) refere que não foram efectuados testes relativos à erosão a jusante da bacia do tipo IV e ao carregamento do material para dentro da bacia, pelo que, no caso de não serem efectuados ensaios hidráulicos que permitam estudar este fenómeno, se devem tomar precauções para evitar tal erosão. Bibliografia: Pinheiro, A.N. 2006. Estruturas hidráulicas: obras de dissipação de energia. Instituto Superior Técnico, Departamento de Engº Civil/secção de Hidráulica Hydraulic Design of Energy Dissipators for Culverts and Channels.Publication No FHWA-NHI-06-086, U.S. Department of Transportation. , July 2006. Lencastre, A. 1996. HidráulicaGeral. Lisboa