Dissipação de Energia em Obras Hidráulicas: Guia Completo

Obras hidráulicas de dissipação de energia GRS 142 Condutos livres e estruturas hidráulicas Professor Michael Silveira Thebaldi Em locais com escoamentos de elevadas velocidades e turbulências que geram um excesso de energia cinética com potencial erosivo fazse necessária a instalação de obras hidráulicas capazes de dissipar grande parte dessa energia para minimizar danos em estruturas ou canais subsequentes Associados aos vertedores das barragens bueiros e a outros tipos de estruturas hidráulicas os dissipadores de energia são dispositivos para controle da energia cinética correspondente ao escoamento A erosão do leito e margens dos canais onde o escoamento percorre é a principal justificativa para a necessidade da execução das obras de dissipação de energia já que o processo erosivo que depende diretamente da velocidade e altura da água é a principal consequência da inexistência desse tipo de estrutura e a depender da intensidade desse processo grandes danos materiais e ambientais podem ocorrer Estas obras possuem como finalidade independentemente da geometria adotada transpor o escoamento para o leito natural de maneira segura e econômica com a menor parcela possível de energia residual Essas zonas onde ocorrem as perturbações mais críticas geradas pelo excesso de energia dos escoamentos pois nessas regiões em muitos casos a velocidade de saída pode ultrapassar o valor máximo suportado pelo revestimento natural do leito ou das margens Todo o processo de dissipação de energia passa pela escolha ou desenvolvimento de uma estrutura capaz de absorver as perturbações causadas pelo escoamento e diminuir a velocidade do mesmo para valores adequados A definição da melhor estrutura de dissipação a ser instalada em uma determinada localidade passa por uma análise detalhada das características hidráulicas topográficas e geológicas do local para que além do sucesso na dissipação de energia os custos econômicos e ambientais sejam os menores possíveis O parâmetro hidráulico com maior influência na escolha de uma estrutura de dissipação de energia é o número de Froude Fr classificação o tipo de regime do escoamento e indicar o tipo de dissipador de maior eficiência para o caso em questão As obras de dissipação de energia do escoamento mais utilizadas são as bacias de dissipação por ressalto hidráulico simples ou composta de acessórios bacias de enrocamento estruturas de impacto rampas com macrorrugosidades estruturas de queda abruta ou de queda com soleira em degraus poços de dissipação A dissipação da energia em excesso decorre do atrito gerado pelo escoamento com os demais elementos da estrutura pelo atrito e incorporação de ar no líquido pelo impacto com fronteiras físicas ou com a lâmina de água a jusante e pela turbulência gerada pelas mudanças no tipo de escoamento ressalto hidráulico DISSIPADORES DE ENERGIA POR RESSALTO HIDRÁULICO As bacias de dissipação por ressalto hidráulico estão entre as estruturas mais adotadas no processo de diminuição da energia do escoamento Esses sistemas podem ser posicionados de maneira inclinada ou na horizontal com auxílio ou não de outros acessórios O comprimento do ressalto é outra característica fundamental para o dimensionamento desse tipo de bacia de dissipação somente após o fim deste que se deve interromper o revestimento usado ao longo da estrutura O projeto desse tipo de bacia deve considerar além do escoamento à máxima vazão escoamentos de menores dimensões mudanças no tipo de ressalto que podem diminuir a eficiência da estrutura A ressalto afogado em B ressalto livre formado no pé do vertedor C ressalto livre formado à jusante do vertedor As alturas conjugadas do ressalto hidráulico são os parâmetros correspondentes às alturas do escoamento a montante Y1 e a jusante Y2 do mesmo A passagem da altura conjugada Y1 para Y2 representa a passagem da energia E1 para E2 que ocorre através da dissipação de energia dentro do ressalto hidráulico O dimensionamento das bacias de dissipação de energia por ressalto hidráulico é condicionado pelos parâmetros de escoamento à entrada Y1 V1 Fr1 e a saída Y2 V2 Fr2 Esse processo implica na determinação das características geométricas da bacia como comprimento dimensões posicionamento de acessórios cota da soleira da bacia altura das paredes laterais Acessórios 1 blocos de queda 2 blocos amortecedores 3 soleiras terminais 1 construídos no início da bacia e têm a finalidade de aumentar a profundidade da água intensificar o turbilhonamento e reduzir o comprimento da bacia 2 construídos entre os blocos de queda e a soleira terminal final da bacia têm a finalidade de estabilizar o ressalto aumentar o turbilhonamento e melhorar o desempenho da bacia 3 são degraus contínuos ou dentados construídos no final da bacia que têm a finalidade de criar certo refluxo de água que permite a remoção do material sólido transportado até a bacia Dentre as estruturas de dissipação de energia por ressalto hidráulico as mais comumente utilizadas são 1 United States Bureau of Reclamation USBR Bacias USBR I USBR II USBR III USBR IV 2 Saint Anthony Falls Soil Conservation Service Estados Unidos da América Bacia SAF 3 Public Work Department Austrália Bacia PWD 4 Waterways Experiment Station United States Army Corps of Engineers Bacia WES Cálculos preliminares Definição da cota da bacia com condições de escoamento na saída do vertedor e a cota onde deve ser instalada a bacia de dissipação conhecidas Requisitos para realização São conhecidas apenas as condições de escoamento na saída do vertedor e a cota onde deve ser instalada a bacia de dissipação Não é necessário considerar as características do escoamento à jusante da bacia Têmse como variáveis hidráulicas iniciais Y0 altura do escoamento na saída do vertedouro m V0 velocidade do escoamento na saída do vertedouro ms Z0 cota do vertedouro m Q vazão do escoamento m³s b largura do canal retangular m Z1 cota da bacia de dissipação m q Q b q vazão unitária do escoamento m³sm V1 2 Y0 V0 2 2 g Z0 Y1 Z1 Y1 altura do escoamento a montante do ressalto hidráulico m V1 velocidade do escoamento a montante do ressalto hidráulico ms g aceleração da gravidade ms² V1 2 Y0 V0 2 2 g Z0 Z1 A expressão sem Y1 é utilizada no início do processo iterativo calculandose então o primeiro valor de V1 Y1 q V1 Com o primeiro valor de Y1 iniciase o processo iterativo de cálculo verificandose o novo valor de V1 com V1 2 Y0 V0 2 2 g Z0 Y1 Z1 V1 2 Y0 V0 2 2 g Z0 Y1 Z1 Y1 q V1 Até a convergência dos valores de Y1 e V1 Fr1 V1 2 g Y1 V0 Y0 Z0 V1 Y1 Z1 Furtado e Carvalho 2020 Cálculos preliminares Cota da bacia Definição da cota da bacia com condições de escoamento na saída do vertedor e no canal após a bacia de dissipação conhecidas Requisitos para realização São conhecidas as condições de escoamento na saída do vertedor e no canal após a bacia de dissipação a jusante do ressalto hidráulico É necessário verificar a cota em que se encontra a bacia de dissipação e a partir disso obter as características do escoamento a montante do ressalto visto que a altura conjugada do ressalto Y2 deve coincidir com a altura do escoamento do canal a jusante da bacia Têmse como variáveis hidráulicas Y0 altura do escoamento na saída do vertedouro m V0 velocidade do escoamento na saída do vertedouro ms Z0 cota do vertedouro m Q vazão do escoamento m³s b largura do canal retangular m Z1 cota da bacia de dissipação m Têmse como variáveis hidráulicas iniciais Y0 altura do escoamento na saída do vertedouro m V0 velocidade do escoamento na saída do vertedouro ms Z0 cota do vertedouro m Q vazão do escoamento m³s b largura do canal retangular m Y3 altura do escoamento a jusante da bacia de dissipação m V3 velocidade do escoamento a jusante da bacia de dissipação ms Z3 cota do canal a jusante da bacia m q Q b q vazão unitária do escoamento m³sm V1 2 Y0 V0 2 2 g Z0 Y1 Z1 Y1 altura do escoamento a montante do ressalto hidráulico m V1 velocidade do escoamento a montante do ressalto hidráulico ms g aceleração da gravidade ms² V1 2 Y0 V0 2 2 g Z0 Z1 A expressão sem Y1 é utilizada no início do processo iterativo calculandose então o primeiro valor de V1 Porém neste caso inicialmente considerase Z1 igual a Z3 Y1 q V1 Com o primeiro valor de Y1 iniciase o processo iterativo de cálculo verificandose o novo valor de V1 com V1 2 Y0 V0 2 2 g Z0 Y1 Z1 V1 2 Y0 V0 2 2 g Z0 Y1 Z1 Y1 q V1 Até a convergência dos valores de Y1 e V1 Fr1 V1 2 g Y1 Y2 Y1 2 2 1 8 Fr1 2 1 Y2 altura conjugada do ressalto hidráulico m V2 q Y2 V2 velocidade do escoamento a jusante do ressalto hidráulico Z2 Y1 V1 2 2 g Z1 Y2 V2 2 2 g O valor de Z1 é igualado ao valor de Z2 realizandose então o cálculo de V1 novamente em uma estrutura de iterações até que Z1 e Z2 se igualem O resultado final são os valores de Y1 V1 Z1 e Fr1 V0 Z0 Y0 Y1 Z1 V3 Y3 Z3 Carvalho 2020 a USBR I recomendada para uma faixa de número de Froude entre 17 e 25 17 Fr 25 Corresponde a uma bacia de dissipação sem acessórios assim ela é basicamente um canal retangular de fundo plano e horizontal revestida de um material relativamente liso com o comprimento necessário para conter todo o ressalto hidráulico Baptista e Lara 2010 Para Fr entre 17 e 25 cerca de 20 da energia é dissipada pelo ressalto hidráulico V1 Y1 RESSALTO HIDRÁULICO V2 Y2 YR LI Furtado e Carvalho 2020 q V1 Y1 Fr1 V1 2 g Y1 Y2 Y1 2 2 1 8 Fr1 2 1 V2 q Y2 Fr2 V2 2 g Y2 Fr2 número de Froude a jusante do ressalto hidráulico YR Y2 Y1 altura do ressalto hidráulico YR m Ɛ Y1 V1 2 2g Y2 V2 2 2g Y1 V1 2 2g 100 Ɛ porcentagem de energia dissipada pelo ressalto hidráulico LI comprimento total da bacia de dissipação m LI 69 YR Dimensionamento USBR I b USBR II para Fr1 45 e V1 15 ms Não tem blocos amortecedores O comprimento do fundo é aproximadamente 43 vezes a altura de jusante Y2 A soleira é dentada A utilização dos acessórios garante a contenção do ressalto além da diminuição de seu comprimento e consequentemente o da bacia que tem seu tamanho reduzido de 63 a 72 do comprimento da bacia de dissipação USBR do tipo I FEMA 2010 Dimensionamento USBR II LII 43 Y2 LII comprimento total da bacia de dissipação em metros Carvalho 2020 c USBR III para 45 Fr1 17 e V1 15 ms q 186 m³sm Possui blocos de queda e amortecedores e soleira terminal contínua Os acessórios corretamente dispostos e dimensionados garantem que o comprimento dessa bacia seja de 38 a 45 do comprimento da bacia USBR do tipo I e aproximadamente 63 do comprimento da bacia USBR do tipo II Peterka 1978 Dimensionamento USBR III LIII comprimento total da bacia de dissipação em metros LIII 27 Y2 Carvalho 2009 Espaçamento 075 y3 Espaçamento y1 d USBR IV para 25 Fr1 45 ressalto oscilante Possui blocos de queda e amortecedores e soleira terminal contínua Os blocos de queda têm a função principal de diminuir a formação de ondulações na superfície do escoamento já que estes direcionam os jatos de água para a parte inferior do ressalto hidráulico e ao fim da estrutura a soleira terminal é colocada para garantir que o processo de erosão não ocorra no leito do canal Peterka 1978 Dimensionamento USBR IV LIV comprimento total da bacia de dissipação em metros Carvalho 2020 y4 00542 Fr1 11067 Y1 e Saint Anthonty Falls SAF na Universidade de Minessota Possui blocos de queda blocos de amortecimento e soleira terminal todos com a mesma finalidade de permitir o encurtamento da bacia pode chegar a ser 80 menor que a do ressalto hidráulico da bacia USBR tipo I Seu uso é recomendado para estruturas menores como pequenos vertedouros na saída de tubulações e em canais de drenagem de rampa com um número de Froude variando de 17 a 17 Zonas da bacia SAF zona de transição se inicia a jusante da passagem hidráulica e vai até a base da bacia formada por um canal inclinado com blocos de queda em sua parte final zona da bacia propriamente dita se inicia após esses blocos e termina após a soleira terminal nessa região a bacia é plana e no seu interior são alocados os blocos de amortecimento zona de saída a jusante da soleira terminal é colocado o revestimento de enrocamento para a restituição completa e segura do escoamento Zona de transição Zona da bacia Zona de saída Blaisdell 1959 FEMA 2010 Dimensionamento SAF Parâmetros de entrada D diâmetro da tubulação de saída m Z0 cota da bacia na saída da tubulação m z alargamento da bacia mm z1larguracomprimento St inclinação da transição de entrada na bacia mm St1 verticalhorizontal Ss inclinação à saída da bacia mm Ss1 verticalhorizontal S0 inclinação da tubulação de saída a montante da bacia mm S01 verticalhorizontal Fr1 V1 2 g Y1 Y2 Y1 2 2 1 8 Fr1 2 1 C 11 Fr12 120 para 17 Fr1 55 C 11 Fr12 120 para 55 Fr1 11 C 11 Fr12 800 para 11 Fr1 17 Lt Z0 Z1 St Lb 45 Y2 C Fr1 076 Ls Lt St S0 Lb S0 Ss S0 Lt comprimento de transição em metros Lb comprimento da bacia de dissipação em metros Ls comprimento da zona de saída da bacia em metros LSAF Lt Lb Ls Wb1 17 D Q 2 g D25 Wb2 Wb1 2 z Lb 3 Wb3 Wb1 2 z Lb Wb1 largura da bacia na seção dos blocos de queda metro Wb2 largura da bacia na seção dos blocos de amortecimento metro Wb3 largura da bacia na seção da soleira terminal metro A altura dos blocos tem dimensão igual ao valor de Y1 e o número de blocos de queda N1 é N1 Wb1 15 Y1 A largura e o espaçamento dos blocos de queda são iguais a 34 de Y1 N2 Wb2 15 Y1 N2 O número de blocos de queda A distância entre os blocos de queda e os blocos amortecedores adotada é igual a 13 da distância Lb A folga que deve ser colocada entre os blocos amortecedores e as paredes laterais é equivalente a 38 de Y1 A altura da soleira terminal corresponde ao valor de Y1 multiplicado por 007 e dividido por C MEIA PLANTA BACIA RETANGULAR MEIA PLANTA BACIA DIVERGENTE CORTE AA Furtado e Carvalho 2020 f Public Works Department PWD Desenvolvida para ser utilizada a jusante de saídas de tubulações circulares com diâmetros entre 450 mm e 1850 mm e para cargas menores que três vezes o diâmetro do tubo Pinheiro 2006 Dimensionamento PWD As dimensões da bacia são obtidas a partir do diâmetro da tubulação de saída L1 2 D L2 15 D L3 05 D L4 02 D L5 4 D L6 2 42 D tan 17 D Cálculo das elevações apresentadas na bacia h1 05 D h2 D Vmáx 2 2 g D Vmáx Velocidade máxima de entrada em ms h Carga hidráulica máxima suportada pela bacia de dissipação em m h 3 D Furtado e Carvalho 2020 PLANTA BAIXA Furtado e Carvalho 2020 FEMA 2010 g US Army Engineer Waterways Experiment Station WES A principal diferença entre a bacia do tipo WES e a bacia do tipo PWD é a angulação que as paredes laterais fazem com a saída da canalização que neste caso é aproximadamente 7 menor além de apresentarem um comprimento maior Pinheiro 2006 Dimensionamento WES As dimensões da bacia são obtidas a partir do diâmetro da tubulação de saída L1 5 D L2 225 D hmáx 05 D hmáx desnível máximo recomendado entre a parte inferior da tubulação e a soleira da bacia de dissipação em metro Vmáx 2 2 g D Furtado e Carvalho 2020 DISSIPADORES DE ENERGIA POR IMPACTO E MACRORRUGOSIDADES É um dissipador composto por uma estrutura em forma de uma caixa contendo uma viga em seu interior a qual serve para receber o impacto do fluxo e desviar o mesmo com consequente dissipação de energia Dissipadores por impacto Carvalho 2009 a USBR VI Carvalho 2009 D pol D m Q m³s H m L m W m a m b m c m d m e m f m g m tw m tf m tb m tp m 18 046 060 130 225 170 100 125 070 030 015 045 065 015 015 015 015 24 061 110 160 275 200 120 155 080 040 015 060 075 015 015 015 015 30 076 170 190 325 245 140 185 100 045 020 075 090 015 015 020 020 36 091 240 220 375 280 160 215 115 050 020 090 105 020 020 020 020 42 107 330 245 425 320 185 245 135 055 025 090 120 020 020 025 020 48 122 430 275 480 360 205 270 150 060 025 090 135 025 025 025 020 54 137 540 300 530 395 225 305 165 065 030 090 150 025 025 025 020 60 152 670 330 580 435 245 335 180 075 030 090 165 030 030 030 020 72 183 960 375 670 500 280 390 210 085 040 090 190 030 030 030 020 Parâmetros de dimensionamento da bacia de dissipação do tipo USBR VI b Rampa com blocos do tipo USBR IX FEMA 2010 Peterka 1978 A rampa com blocos é utilizada na dissipação de energia a jusante de uma passagem hidráulica ou em drenagens longitudinais quando a saída do canal ou conduto se localiza em uma cota elevada em relação ao canal de restituição já que este tipo de obra tem a capacidade de vencer grandes desníveis Recomendações declividade de 12 verticalhorizontal ou menor vazões específicas descarregadas nessas estruturas não devem ter valores superiores a 56 m³sm para o funcionamento correto da rampa com boa eficiência de dissipação da energia é necessário um valor mínimo de quatro fileiras de blocos sendo que a última delas deve ser mantida submersa b Rampa com blocos do tipo USBR IX Dados de entrada do dimensionamento Q b H e z b largura da rampa m H desnível entre o início e o fim da rampa medido verticalmente m z inclinação da rampa z1 horizontalvertical A declividade de 12 verticalhorizontal ou menor assim os valores mais utilizados para z variam de 2 a 4 Yc 3 q2 g V0 máx 3 g q2 153 q Q b q vazão unitária m³ m s Q vazão m³s g aceleração da gravidade ms² Yc altura crítica do escoamento m V0 máx velocidade máxima de entrada ms b Rampa com blocos do tipo USBR IX Com o resultado obtido para a altura crítica do escoamento são calculadas as dimensões dos blocos A altura HB do bloco é dada pela multiplicação de Yc por 08 A parte superior do bloco é dada por 02 HB limitada por um mínimo de 25 centímetros e a base do bloco é equivalente a 07 HB A largura dos blocos e a distância entre eles em uma mesma fileira é equivalente ao valor de 15 HB O distanciamento entre as fileiras de blocos dispostas em posições intercaladas é igual a 2 HB O muro lateral da rampa com blocos tem altura de 3 HB b Rampa com blocos do tipo USBR IX Observação O escoamento a montante da estrutura no início da rampa deve apresentar regime subcrítico com número de Froude menor que a unidade pois a rampa com blocos não foi idealizada como um dissipador de energia imediatamente após a saída de uma passagem hidráulica sua principal função é evitar a aceleração do escoamento o que leva a um aumento da energia cinética do escoamento enquanto o mesmo passa pela rampa para vencer um determinado desnível LR 2 H2 z H 2 NF LR 03 Z 2 HB LR Comprimento de rampa m NF Número de fileiras de blocos A primeira fileira de blocos deve ser colocada com um desnível horizontal de 30 centímetros portanto esse valor deve ser descontado no comprimento utilizado para o cálculo do número de fileiras de blocos NF b Rampa com blocos do tipo USBR IX Furtado e Carvalho 2020 b Rampa com blocos do tipo USBR IX Carvalho 2020 O uso do enrocamento é uma solução viável tanto em aspectos técnicos como econômicos para a proteção do leito de canais contra erosões causadas por uma velocidade excessiva do escoamento O princípio básico desse tipo de estrutura consiste na utilização de blocos de pedra natural sobre a superfície normalmente plana nas saídas de passagens hidráulicas por exemplo para aumento da rugosidade de um trecho do canal e consequente dissipação de energia do escoamento c Tapete de enrocamento Dissipadores por macrorrugosidades c Tapete de enrocamento O tapete de enrocamento é indicado quando a velocidade de saída do escoamento no fim de canais ou tubulações for inferior a 45 ms e o diâmetro da passagem hidráulica à montante tenha diâmetro menor que 15 m Para que o enrocamento dissipe a energia de forma eficiente recomendase que o mesmo esteja no mesmo nível que o canal ou no máximo poucos centímetros abaixo e que sua declividade seja igual ou menor que a da passagem hidráulica sendo a melhor opção com declividade nula se a topografia do terreno permitir c Dimensionamento Tapete de enrocamento Forma 1 Dados de entrada Q D e Hj Em que Hj altura do escoamento a jusante do tapete de enrocamento m D diâmetro da passagem hidráulica de montante m Quando o valor de HjD 04D adotase Hj 04D O mesmo valor deve ser adotado quando Hj for desconhecido D50 02 D Q 2 g D25 D Hj D50 diâmetro médio do material granular utilizado no tapete de enrocamento m D50 m Comprimento do tapete m Espessura do tapete m 0125 4D 35D50 0150 4D 33D50 0250 5D 24D50 0350 6D 22D50 0500 7D 20D50 0550 8D 20D50 Tabela 2 Dimensões do tapete de enrocamento Fonte Adaptado de Thompson e Kilgore 2006 c Dimensionamento Tapete de enrocamento Forma 1 Wt1 3 D Wt2 3 D 2 3 Lt Em que Wt1 largura mínima do enrocamento junto a saída da passagem hidráulica m Wt2 largura mínima do tapete ao final do comprimento m c Dimensionamento Tapete de enrocamento Forma 2 O comprimento do enrocamento deve ser 6 diâmetros do conduto D e a largura 4 vezes o mesmo diâmetro Carvalho 2020 D50 0041 V2 D50 diâmetro médio m D100 diâmetro máximo m D0 diâmetro mínimo m V velocidade média ms D100 15 D50 D0 063 D50 Espessura do enrocamento 15 D100 c Tapete de enrocamento Critérios de execução Deve ser executado de preferência em um plano horizontal ou com declividade inferior ao canal receptor A face superior deve ser coincidente ou abaixo do leito do canal de jusante É aconselhável a colocação de um filtro geotêxtil entre o enrocamento e o solo subjacente A inclinação de colocação do enrocamento deve ser igual ou superior ao do canal receptor preferencialmente 0 O enrocamento deve ser rigorosamente alinhado com a morfologia do meio receptor O nível superior do enrocamento deve coincidir com o nível do meio receptor ou ser ligeiramente inferior a este c Tapete de enrocamento DISSIPADORES POR QUEDAS Dissipação por queda abrupta simples Dissipação por quedas consecutivas escada a Dissipação por queda abrupta simples As estruturas de queda abrupta têm como principal função regular o declive do canal assim a implantação desse tipo de estrutura no decorrer do percurso do escoamento permite que o declive do canal diminua pois há a oportunidade de se criar vários trechos entre estruturas de quedas com declividades suaves Precon 2020 A estrutura de dissipação de energia por queda simples é adequada para situações onde o regime de escoamento a montante é lento com Fr 1 Quando o escoamento passa pelo topo do vertedouro ele sofre uma queda brusca que aumenta sua velocidade transformando o escoamento subcrítico em supercrítico Com o impacto desse escoamento na soleira da bacia este sofre um ressalto hidráulico dissipando sua energia e voltando ao regime subcrítico Representação das zonas encontradas na bacia de queda abrupta Thompson e Kilgore 2006 Dimensionamento Queda Simples Variáveis de entrada Q b e Hd b largura da estrutura de queda m Hd altura da queda m Furtado e Carvalho 2020 Nq q2 g Hd 3 Nq Número de queda Y1 054 Hd Nq 0425 Y2 166 Hd Nq 027 Y3 Hd Nq 022 Y1 altura do escoamento no início do ressalto hidráulico m Y2 altura do escoamento no fim do ressalto hidráulico m Y3 altura do escoamento abaixo da zona arejada m L1 43 Hd Nq 027 L2 69 Y2 Y1 L1 comprimento entre a parede da queda e o início do ressalto m L2 comprimento do ressalto hidráulico m b Dissipação por quedas consecutivas escadas dissipadoras Além da facilidade de construção também possui uma boa viabilidade econômica já que agrega em uma única obra a estrutura de controle de entrada do escoamento e a de dissipação de energia podendo ser construída em concreto ou gabião revestido de argamassa Desde que a topografia do local permita sua construção o vertedor em degraus é uma das estruturas hidráulicas mais utilizadas na dissipação de energia Antunes 2011 O escoamento pode se desenvolver de três maneiras diferentes Nappe flow escoamento em quedas sucessivas Skimming flow escoamento deslizante sobre turbilhões Escoamento de transição que é intermediário entre os dois anteriores Temse como variáveis hidráulicas a altura do degrau Z e seu comprimento L a altura crítica Yc e a altura do degrau Limites para ocorrência dos escoamentos nappe e skimming em escadas dissipadoras em função das relações ZL e YcZ Fonte Carvalho 2020 O escoamento nappe flow ocorre quando YcZ é menor que 09 ou seja ocorre para menores valores de vazão enquanto o skimming flow para maiores valores de vazão Qualquer valor na região superior acima da linha limite será considerando como escoamento skimming flow e situado na região inferior abaixo da linha limite pontilhada será nappe flow De acordo com a figura anterior temse o seguinte exemplo um degrau cuja altura seja metade de seu ZL 05 e a profundidade crítica Yc seja metade da altura do degrau YcZ 05 o escoamento será nappe flow De forma geral considerandose a ocorrência do regime nappe flow o comprimento mínimo do degrau varia de acordo com a relação YcΔZ Na tabela 3 é mostrada a variação da relação LΔZ para cada valor de YCΔZ entre 05 e 08 YcΔZ LminΔZ YcΔZ LminΔZ 05 09 07 18 06 12 08 33 Relação comprimento mínimoaltura do degrau LΔZ e altura críticaaltura do degrau YCΔZ O escoamento pode se desenvolver de três maneiras diferentes Quedas sucessivas nappe flow Representado por uma série de quedas livres de jatos de água oriundas dos degraus anteriores que atingem os posteriores A dissipação de energia nessa estrutura ocorre pelo atrito e incorporação do ar com a água pelo impacto do jato sobre o degrau subsequente e caso o comprimento do degrau permita pela formação de um ressalto hidráulico Esse regime de escoamento necessita de degraus relativamente grandes condicionando sua ocorrência a locais com soleiras de pouca inclinação ou com pequenas vazões Chanson 1994 Chanson 2002 Transição Na zona de transição o escoamento apresenta propriedades mistas dos outros dois tipos de regime nappe flow e skimming flow porém não de forma tão bem definida Deslizante sobre turbilhões skimming flow Condicionado por vazões e inclinações maiores de sua soleira o regime deslizante sobre turbilhões apresenta um escoamento principal que desliza sobre os degraus e um outro escoamento secundário com a formação de vórtices nas cavidades de cada degrau No regime skimming flow desenvolvemse vórtices abaixo do pseudofundo alinhamento formado pelas extremidades externas dos degraus que são mantidos pela transmissão da tensão tangencial do fluido escoando pelas extremidades dos degraus Cavidade aerada Deflexão do jato ou ressalto hidráulico Não há formação de vórtices Camada de NappeSkimming flow Jato interno Vórtices Jato interno Aumento da vazão Dimensionamento Escada Dissipadora em Nappe Flow formação completa do ressalto hidráulico Furtado e Carvalho 2020 t Parâmetros de entrada Q b H 𝑍 b largura da estrutura em quedas sucessivas H altura total das quedas sucessivas e 𝑍 altura de cada degrau Yc 3 q2 g Altura crítica do escoamento Nd H 𝑍 número de degraus Nd Yc 𝑍 00916 Z L 1276 L comprimento do degrau Chanson 1994 Inicialmente assumese um valor de L igual a duas vezes o valor de 𝑍 Caso a verificação não seja verdadeira o valor de L é acrescido em cinco centímetros 005 m até que a verificação se torne verdadeira Assim o comprimento do degrau obtido garante a formação completa do ressalto hidráulico Lt Nd L comprimento total da estrutura de quedas sucessivas Lt m H Hmax 1 054 Yc 𝑍 0275 1715 Yc 𝑍 055 15 H Yc perda de carga energia dissipada ΔH m Em que H altura total da estrutura de quedas m Hmax energia total à montante H YO em metros Yo carga hidráulica sobre a soleira do vertedor m Ɛ H Hmax 100 porcentagem de energia dissipada Ɛ Referências 81 AZEVEDO NETTO J M FERNANDEZ M F Manual de hidráulica 9ª Edição Editora Blucher 631 ISBN 9788521208891 BAPTISTA Márcio Benedito COELHO Márcia Maria Lara Pinto Fundamentos de engenharia hidráulica 3 ed rev e ampl Belo Horizonte MG Ed UFMG c2010 473 p Ingenium ISBN 9788570418289 broch CARVALHO Jacinto de Assunção Notas de aulas Disciplina GRS142 Universidade Federal de Lavras 2020 CARVALHO Jacinto de Assunção OLIVEIRA Luiz Fernando Coutinho de Instalações de bombeamento para irrigação hidráulica e consumo de energia 2 ed rev e ampl Lavras MG Ed UFLA 2014 429 p ISBN 9788581270364 broch COUTO Luiz Mário Marques Elementos da hidráulica 2 ed Rio de Janeiro RJ Elsevier 2019 xv 457 p ISBN 9788535291407 broch GRIBBIN John R Introdução à hidráulica hidrologia e gestão de águas pluviais São Paulo SP Cengage Learning 2009 x 494 p ISBN 9788522106356 broch HOUGHTALEN Robert J HWANG Ned H C AKAN A Osman Engenharia hidráulica 4 ed São Paulo SP Pearson Education do Brasil 2012 xiv 316 p ISBN 9788581430881 broch PORTO Rodrigo de Melo Hidráulica básica 4 ed rev São Carlos SP EESCUSP 2006 xix 519 p ISBN 8576560844 broch