ANÁLISE DAS PRESSÕES A JUSANTE DE COMPORTAS TIPO ...

COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXVI SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS FOZ DO IGUAÇU - PR, 12 A 14 DE MAIO DE 2015

XXVI Seminário Nacional de Grandes Barragens

ANÁLISE DAS PRESSÕES A JUSANTE DE COMPORTAS TIPO SEGMENTO INVERTIDO EM ECLUSAS DE NAVEGAÇÃO DE GRANDES BARRAGENS

Mauricio DAI PRÁ

Doutor - Universidade Federal de Pelotas

Priscila PRIEBE Eng. Hídrica - Universidade Federal de Pelotas

Mariane KEMPKA

Eng. Civil, M.Sc. - Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Marcelo MARQUES Doutor - Universidade Federal do Rio Grande do Sul

RESUMO Tendo em vista a ampliação do sistema hidroviário nacional, as eclusas de navegação de alta queda deverão passar a incorporar as grandes barragens do país, permitindo a transposição de embarcações devido a diferença de nível de jusante e montante das barragens. Estas estruturas, porém, apresentam uma série de limitações devido a esforços hidráulicos que estão submetidas durante a operação. A segurança desta estrutura poderá ser colocada em risco uma vez que os aquedutos poderão ser danificados. Processos erosivos desencadeados por abrasão e cavitação podem ser identificados, comprometendo a operação da eclusa. Desta forma, o objetivo deste trabalho é compreender o comportamento hidráulico destes sistemas a partir de estudos em modelos físicos, de modo a identificar possíveis problemas e encontrar soluções técnicas para projeto e construção destas estruturas hidráulicas.

ABSTRACT In order to expand the national waterway system, high fall navigation locks must become part of the country's great dams, allowing vessels transposition due to the difference between up and downstream levels of dams. Those structures, however, present a series of limitations due to the hydraulic efforts they are submitted during the operation. The safety of this structure can be compromised since the aqueducts can be damaged. Erosion by abrasion and cavitation can be identified, compromising the operation of the navigation lock. Therefore, the aim of this work is to understand the hydraulic behavior of those systems through physical models, in order to identify possible problems and to find technical solutions for the project and construction of said hydraulic structures.



1. INTRODUÇÃO O Brasil apresenta um grande potencial para geração de energia elétrica a partir de fontes hídricas, já que os rios apresentam características favoráveis para a implantação de usinas hidrelétricas. Outro potencial de uso dos rios brasileiros é para a navegação fluvial, com 63 mil km de rio e lagos/lagoas, sendo que deste total mais de 40 mil km são potencialmente navegáveis, porém, a navegação comercial ocorre em um pouco mais de 13 mil km [1]. Entretanto com a construção de barramentos as condições de navegabilidade são favorecidas com a regularização das vazões e do aumento das dimensões do leito, mas também se tornam obstáculos para as embarcações, devido a diferença de nível a montante e jusante dos reservatórios. Para as embarcações vencerem o desnível de água são construídas eclusas, que tem a finalidade transpor de nível as embarcações por meio de enchimento e/ou esvaziamento da câmara, que conforme [2] são reservatórios onde ocorre a variação de nível por meio de comportas hidráulicas. As comportas hidráulicas são dispositivos mecânicos utilizados para controlar o fluxo em estruturas hidráulicas, bastante usual em sistema hidráulicos que necessitam de controle de vazão ou de nível. As estruturas a jusante de comportas hidráulicas sofrem esforços hidrodinâmicos, capazes de causar danos a estas estruturas. Uma forma de identifica-los é através de estudos hidráulicos em modelos reduzidos, que permitem a detecção de grandezas físicas com escala reduzida. O escoamento a jusante de comportas é altamente turbulento e complexo, devido a ocorrência de altas velocidades e bruscas variações de pressões nesta região, podendo desencadear processos erosivos a partir de abrasão e cavitação. O fenômeno de cavitação impacta negativamente as estruturas hidráulicas, devido ao desgaste por erosão das superfícies sólidas, que é consequência do colapso ou implosão das bolhas de ar, acompanhadas de ruídos e vibrações. Desta forma, o objetivo deste trabalho é compreender o comportamento hidráulico destes sistemas de enchimento/esvaziamento de eclusas a partir de estudos em modelos físicos, de modo a identificar possíveis problemas e encontrar soluções técnicas para projeto e construção destas estruturas hidráulicas. A abordagem, aqui será a consideração das pressões médias e mínimas associadas a índices de cavitação.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 COMPORTAS HIDRÁULICAS As comportas hidráulicas são dispositivos hidromecânicos utilizados para controlar o fluxo em estruturas hidráulicas. Segundo [3], a construção de comportas hidráulicas originou-se da necessidade de controlar a vazão da água em técnicas de irrigação, abastecimento d'água e também na navegação fluvial, em locais com grandes diferenças de níveis d'água, o qual impediam a navegação.



Atualmente as comportas são muito utilizadas no campo da engenharia hidráulica, geralmente para regulação de vazões ou níveis d'água em eclusas, em descarregadores de fundo, em canais de irrigação, em tomadas d'água e também para a manutenção e limpeza de reservatórios e sistemas hidráulicos em geral. As comportas planas de translação do tipo gaveta, em virtude do seu funcionamento simples e que exige pouca manutenção é um tipo de comporta muito utilizada como dispositivo de controle de vazão em canais de irrigação, decantadores, obras de saneamento, descargas de fundo e tomadas d'água. O seu funcionamento consiste em uma tabuleiro que desliza dentro de guias laterais embutidas ou aparafusadas no concreto[3]. Conforme [4], a comporta de segmento é o tipo mais utilizado no Brasil em vertedores e eclusas. As primeiras comportas de segmento utilizadas em eclusas foram instaladas na posição convencional, com a face convexa da comporta instalada contra o escoamento e os braços de sustentação submetidos a compressão, mas os resultados de testes em modelos reduzidos mostraram a entrada de grande quantidade de ar no aqueduto através do poço da comporta, e consequentemente, excessiva turbulência [3]. A solução para este problema foi a implantação da comporta de segmento na posição invertida, com os braços solicitados à tração e o lado côncavo do paramento posicionado a montante do escoamento [6]. 2.2 ESCOAMENTO SOB COMPORTA

O escoamento sob comportas pode ser considerado com os mesmos princípios de um escoamento que ocorrem a jusante de orifícios [6]. Dependendo da condição hidráulica de jusante, o escoamento após da comporta pode ser livre, em geral seguido de ressalto hidráulico, ou submerso [7]. Considerando a energia cinética, a vazão sob uma comporta pode ser expressada pela Equação 1 [8]:

𝑄 = 𝐶. 𝑎. 𝑏. √2𝑔 (𝑦1 + 𝛼.𝑣1

2

2𝑔) (1)

Onde: Q: vazão (m³ s-1) a: abertura da comporta (m) b: comprimento da comporta (m) y1: profundidade da água a montante da comporta (m) g: aceleração da gravidade (m s-2) C: coeficiente de descarga

𝛼.𝑣1

2

2𝑔: energia cinética expressa em termos de carga hidráulica (m)



Para estudos experimentais a energia cinética pode ser omitida, incluindo no coeficiente de descarga C os efeitos da geometria da comporta e das profundidades a montante e a jusante, conforme a Figura 1 [8]:

Figura 1 - Escoamento sob comporta

O coeficiente de descarga depende da geometria da comporta, da estrutura em que a comporta está instalada e da profundidade de montante e de jusante, a qual interfere em um escoamento livre e submerso [9] e [8]. Este coeficiente tem sido estudado por pesquisadores, através de modelos experimentais como [10], que estudou a difusão do jato submerso a jusante de uma comporta normal e desenvolveu um gráfico para determinação do coeficiente de descarga para condições de escoamento livre e submerso. Este estudo foi confirmado por [11]e com base nos gráficos desenvolvidos por [10], [12] desenvolveu equações para condições de escoamento livre e submerso e também a condição para existência de descarga livre e/ou submersa. Observa-se nas comportas que são instaladas em condutos e que não descarregam diretamente na atmosfera, o aparecimento de depressões a jusante da comporta, que depende da vazão, do grau de abertura da comporta e da geometria de instalação, sendo capaz de apresentar grandes inconvenientes à operação da comporta e à segurança do equipamento, em virtude do aparecimento de vibrações e cavitação [3]. Conforme [13] apud [14], classifica em seis tipos o escoamento a jusante de comportas em condutos horizontais, para o caso de comporta parcialmente aberta (Figura 2):



Figura 2 - Classificação dos tipos de escoamento a jusante de comportas em

condutos [13] apud [14] I - Escoamento pulverizado; II - Escoamento com superfície livre; III - Escoamento com emulsão de ar; IV - Ressalto com superfície livre; V - Ressalto com escoamento em carga; VI - Ressalto afogado. Os quatro primeiros tipos correspondem a escoamentos livres, com grande quantidade de ar incorporado. O escoamento tipo V apresenta um ressalto hidráulico com escoamento em carga, sendo que esta situação pode ocorrer no caso de descargas de fundo com saída afogada ou no caso de tomadas de água, durante o seu fechamento emergencial. O escoamento do tipo VI apresenta um ressalto hidráulico afogado, onde não há demanda de ar [3]. Conforme [3], uma alternativa para a minimização ou desaparecimento das depressões é a instalação de tubos de aeração que possibilitam a entrada de ar durante a esvaziamento do conduto e o escapamento de ar durante o enchimento do conduto. 2.3 ESTUDO DAS PRESSÕES A JUSANTE DE COMPORTAS Os estudos sobre as pressões a jusante de comportas, geralmente são realizados em protótipos, porém recentemente foram realizados alguns estudos em modelos hidráulicos de diferentes escalas com características genéricas de um sistema de enchimento e esvaziamento de câmara de eclusa com comporta invertida por [15], [16], [14], [17], [18], [19].



A referência [15] comparou as pressões em regime permanente e em regime transitório de escoamento, concluindo que o comportamento das pressões mínimas para os dois regimes é distinto, sendo que para o regime permanente as pressões mínimas ocorrem para aberturas menores entre 20% e 40% e para regime transitório entre 30% e 70%. A referência [16] estudou pressões em regime de escoamento permanente através de simulações numérica, podendo afirmar que o modelo numérico reproduz com boa aproximação os resultados experimentais de pressões médias na base e no teto do conduto a jusante da comporta. E concluiu que há um decréscimo da pressão, abaixo e a jusante da comporta, os diferenciais de pressão tornam-se mais acentuados à medida que a comporta fecha e que o comprimento da recirculação a jusante da comporta diminui à medida que a abertura da comporta aumenta. A referência [14] caracterizou o comportamento das pressões médias, flutuantes, máximas e mínimas ao longo da base e do teto do conduto por meio de uma relação entre coeficiente adimensionais de posição e de pressão. E concluiu que para as condições operacionais com a comporta parcialmente aberta, as menores pressões ocorreram no teto do conduto próximo à comporta, região de recirculação do escoamento, e junto ao terminal da comporta. A referência [17] verificou o método sugerido por [14] para estimar os valores da distribuição longitudinal das pressões junto à base e o teto da galeria a jusante da comporta, podem ser aplicados para todas as aberturas da comporta. A referência [18] desenvolveu através de uma metodologia adimensional de análise, um critério hidráulico para determinar as pressões médias na base e no teto do conduto, principalmente a jusante da comporta. O comportamento da pressão média foi semelhante no teto e na base do conduto, apresentando uma diminuição da pressão para as menores aberturas da comporta e maiores vazões. Onde foi definido três coeficientes (A, B e C), que permitem determinar a pressão média na base e no teto do contudo, tendo somente a abertura da comporta, a distância que se quer analisar da mesma e a vazão de operação como variáveis de dimensionamento. A referência [19] Aplicou a metodologia proposta por [23] que consiste na relação entre o índice de cavitação (σ) em função da abertura da comporta de segmento invertido de um modelo físico experimental presente em um aqueduto de enchimento/esvaziamento de eclusas de navegação. [19] apresentou as distribuições longiudinais de pressão ao longo do conduto considerando as pressões médias e mínimas, atreladas aos percentis amostrais de 1,0% e 0,1% e identificou as zonas críticas de provável erosão por cavitação, através dos índices de cavitação, as quais podem gerar danos significativos a estrutura hidráulica, difinindo as zonas afetadas pelo processo. 2.4 TIPOS DE CAVITAÇÃO Ao verificar a intensidade e o grau de desenvolvimento do fenômeno da cavitação pode-se estabelecer 4 (quatro) níveis distintos, relacionados ao seu processo e a



sua evolução ao longo do escoamento. [20] apud [21], propõem níveis que variam de um estado do escoamento sem ocorrência do fenômeno ao nível da mais alta intensidade de cavitação. São eles: i) Cavitação incipiente; ii) Cavitação com perigo incipiente; iii) Cavitação crítica; iv) Cavitação plena; Para a condição de ocorrência da cavitação plenamente estabelecida considera-se que a pressão média, logo a jusante da região em análise, seja igualada a pressão de vaporização da água. Ao considerar o nível de cavitação na condição crítica caracterizam-se seus efeitos em regime constante de ocorrência, ou seja, em longos períodos de exposição ao fenômeno. Já para a cavitação incipiente observa-se o início da ação erosiva da cavitação e seus efeitos na fase de desenvolvimento do processo. Por fim, o nível da cavitação com perigo incipiente irá se caracterizar pelas implosões das cavidades pela vaporização das bolhas, responsável por pequenos danos físicos as estruturas hidráulicas. As dimensões das cavidades presentes no material e o teor de gases contidos no líquido são características específicas para cada tipo de cavitação. A cavitação é um fenômeno estimado por meio de um parâmetro adimensional ao qual fornece a razão entre a intensidade das forças que se opõem a ruptura da continuidade do líquido, tendendo a reduzir as ações da cavitação e a intensidade das forças que a favorecem O número ou índice da cavitação pode ser expresso pela Equação 2, podendo ser alterada de acordo com as condicionantes hidráulicas envolvidas e segundo as particularidades de cada estrutura envolvida [22].

σ = ((P0 − PC)

12 . ρ. V0

2) (2)

Onde:

𝜎: Número de cavitação; 𝑃0: Pressão estática absoluta num ponto de referência do escoamento fora da zona de cavitação;

𝑃𝐶: Pressão crítica de cavitação; 𝜌: Massa específica do líquido;

𝑉02: Velocidade média do escoamento obtido no mesmo ponto de referência.

Este número ou parâmetro permite caracterizar a potencialidade da cavitação de um escoamento, o que não garante de fato sua ação erosiva na estrutura hidráulica a ser analisada. Ou seja, este parâmetro indica a ausência do fenômeno ou o grau de desenvolvimento com a qual está envolvida a sua ocorrência. Para fins práticos, admite-se que a pressão crítica de cavitação, ou pressão estática absoluta capaz de provocar a instabilidade dos núcleos gasosos que desencadeiam o fenômeno de cavitação por vaporização rápida do líquido, corresponda à pressão do vapor saturante, tensão do vapor à temperatura local [22].



3. METODOLOGIA

3.1 DESCRIÇÃO DO MODELO FÍSICO A investigação experimental deste trabalho foi desenvolvida no modelo físico hidráulico representando um aqueduto de enchimento/esvaziamento de uma eclusa de navegação de média/alta queda, no qual está instalada uma comporta tipo segmento invertida no interior de um conduto com seção transversal quadrática (Figura 3), que está instalada no Laboratório de Hidráulica do curso de Engenharia Hídrica da Universidade Federal de Pelotas.

Figura 3 - Modelo físico do sistema hidráulico. Autor: Fernanda Fernandes M. de Oliveira

O modelo físico conta com um sistema de armazenamento de água, de bombeamento, de circulação de água, a seção de interesse do estudo que é composta pelo aqueduto, a comporta e as tomadas de pressões. O sistema de armazenamento é composto por dois reservatórios, um a montante e outro a jusante, com capacidade máxima de volume de 5,5m³. Os reservatórios são interligados permitindo o equilíbrio entre os níveis dos mesmos. O sistema de bombeamento é composto por um conjunto motor bomba, com uma potência de 10CV, altura manométrica 10mca e uma vazão máxima de 200m³ h-1. Para a variação das vazões foi utilizado um inversor de frequências, que atua diretamente sobre o motor da bomba hidráulica. A seção de interesse do estudo é composta por uma seção quadrada de acrílico, que corresponde ao aqueduto de enchimento e esvaziamento de uma eclusa, por uma comporta de segmento invertida (Figura 4) e o poço da comporta localizado logo acima da comporta.

Sistema de armazenamento

Sistema de bombeamento

Sistema de circulação Baixas vazões

Sistema de circulação Altas vazões

Seção de interesse

Comporta



As tomadas de pressão estão localizadas na parte superior e inferior do trecho de acrílico, onde na parte superior estão instaladas 21 tomadas de pressão, sendo que apenas uma está a montante da comporta. Na parte inferior estão instaladas 24 tomadas de pressão, onde uma está antes do eixo e 3 a partir da face da comporta no sentindo de montante. O espaçamento entre tomadas de pressão é de 2,5; 5,0 e 10,0cm, permitindo delinear o perfil do comportamento das pressões a jusante da comporta, com maior discretização na região próxima da mesma. As últimas tomadas de pressão estão instaladas a uma distância de 1,62m da face da comporta, visando o controle das condições de ensaio, posição onde os efeitos hidráulicos provocados pela comporta já não são mais verificados.

Figura 4 – Detalhe comporta tipo segmento invertida. Autor: Fernanda Fernandes M. de Oliveira

3.2 AQUISIÇÃO DOS DADOS Para a determinação das características do comportamento hidráulico do escoamento a jusante de comportas em aquedutos foi realizada medição das grandezas físicas hidráulicas durante a execução dos ensaios como:

Pressões médias: foram registradas com a utilização de piezômetros convencionais, instalados nas tomadas de pressões no fundo e no teto da tubulação imediatamente a jusante da comporta.

Pressões instantâneas: foram registradas junto ao fundo e ao teto da tubulação imediatamente a jusante da comporta, através de transmissores de pressão, instalados nas tomadas de pressão.

Grau de abertura da comporta: o controle da abertura da comporta para a realização dos ensaios foi realizado através de uma leitura externa ao aqueduto, com uma escala gráfica milimetrada.

Vazão: foi registrada através de medidores eletromagnéticos de vazão, sendo instalado um medidor eletromagnético de precisão de 0,01L s-1 no circuito de baixas vazões e para altas vazões a precisão do medidor eletromagnético é de 0,1L s-1.

Níveis de água: os níveis de água no poço da comporta e no reservatório de jusante foram controlados através de piezômetros convencionais e a leitura é feita através de réguas milimetradas.

Alavanca de controle do nível de abertura da comporta.

Comporta tipo segmento invertida.

---------------------------------------------------------------

Régua com intervalos de 10%.



3.3 ANÁLISE DOS DADOS E ADIMENSIONALIZAÇÃO DOS PARÂMETROS FÍSICOS Após a aquisição dos dados no modelo físico hidráulico e a realização da consistência foram aplicadas as análises estatística no conjunto de amostras representativas do modelo reduzido, com posterior adimensionalização dos mesmos que representam os fenômenos hidráulicos, visando a generalização dos resultados obtidos. Os percentis de 0,1% e 1% das amostras de dados foram determinados, pois indicam estatisticamente as pressões instantâneas medidas e atribuídas a uma probabilidade de não-excedência de 0,1% e 1% ao longo do tempo. Este parâmetro foi escolhido, pois identifica as menores pressões existentes no conduto e que, são as potenciais causadoras dos processos de cavitação no sistema, ainda que sejam de baixa probabilidade de ocorrência. Após realizada a adimensionalização dos parâmetros foi possível aplicar a metodologia proposta por [23], determinando-se os índices de cavitação. Este índice tem sua origem no desenvolvimento do teorema dos π’s aplicado às condições e variáveis que tem maior influência no sistema. Desta forma, analisa-se, aqui, a ocorrência de erosão na estrutura hidráulica a partir da consideração do índice de cavitação, em suas diferentes classificações: i) Cavitação plenamente desenvolvida; ii) Cavitação Crítica; e iii) Cavitação Incipiente. Serão utilizadas as considerações propostas por [23], que relaciona o índice de cavitação (σ) e as aberturas da comporta, a fim de se estabelecer as regiões de possíveis danos ao longo do sistema, considerando a recomendação de [24], o qual considera que o concreto resiste à tração máxima de -6mca. Em função da limitação existente no concreto [23], fixou o seguinte critério de níveis de danos na estrutura hidráulica: a) para pressões PMédia < -6mca, tem-se a zona de pressões na qual o concreto estará sujeito a esforços, que podem causar danos a estrutura durante a maior parte do tempo - Situação de Cavitação Plenamente desenvolvida; b) para pressões P1% < -6mca, o conduto estará sujeito a esforços, que podem causar danos durante um curto intervalo de tempo - Situação de Cavitação Crítica; c) para pressões P0,1% < -6mca, o conduto estará sujeito a esforços, que podem causar danos durante um intervalo de tempo muito pequeno - Situação de Cavitação Incipiente; Conforme [23], para pressões (P = 1,0%) próximas ao limite dos esforços de tração que o concreto suporta (-6mca) admitiu-se que o sistema está funcionando na faixa de ocorrência da cavitação crítica, onde o conduto de concreto a jusante da comporta de segmento invertida fica exposto a ocorrência de danos estruturais em um curto período de tempo (não superior a 1%). Já para as pressões mínimas (P = 0,1%), quando inferiores aos -6mca, o fenômeno de cavitação é aqui admitido como incipiente, ou seja, caso estas pressões permaneçam nesta condição hidráulica de escoamento haverá danos a estrutura a longo prazo.



4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Através da análise dos dados experimentais das pressões médias e instantâneas coletados na base e no teto do conduto de um modelo reduzido de escala 1:32, para diferentes aberturas e vazões, aplicou-se a metodologia sugerida por [23]. Serão apresentados e discutidos os comportamentos das pressões médias (Pmédia), pressões com probabilidade 1% (P1%) e 0,1% (P0,1%) de serem inferiores a um determinado valor. Os dados relativos à base aqui apresentados foram reavaliados a partir dos estudos de [19]. 4.1 PRESSÕES MÉDIAS Para análise do comportamento das pressões médias ao longo da base e do teto do conduto, os dados estão apresentados em função da posição longitudinal ao longo da base e do teto do conduto para todas as aberturas e todas as vazões ensaiadas. A Figura 5 e Figura 6 apresentam o comportamento para a abertura de 30%, junto a base e ao teto, respectivamente.

Figura 5 - Distribuição longitudinal das pressões médias na base do conduto,

abertura 30%

Figura 6 - Distribuição longitudinal das pressões médias no teto do conduto, abertura

30%.

-600

-400

-200

0

200

400

600

0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200

Pre

ssões M

éd

ias (

mm

.c.a

)

Posição (m)

Q = 2,5 l/s Q = 5,0 l/s

Q = 7,1 l/s Q = 10,6 l/s

Q = 14,1 l/s Q = 15,9 l/s

Q = 19,8 l/s Q = 23,0 l/s

-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200

Pre

ssão M

édia

(m

m.c

.a)

Posição (m)

Q = 2,5 l/s Q = 5,0 l/s

Q = 7,1 l/s Q = 10,6 l/s

Q = 14,1 l/s Q = 15,9 l/s

Q = 19,8 l/s Q = 23,0 l/s



Através da análise das distribuições de pressões médias ao longo do conduto, observa-se que ocorrem valores mínimos logo a jusante da comporta se estendendo até certa distância para depois aumentarem, o que evidencia a grande influência da comporta no escoamento. A distância que sofre influência da comporta depende da abertura e da vazão ensaiada. No teto do conduto apresentam valores de pressões médias inferiores do que na base. Com os resultados de pressões médias obtidos nos ensaios e considerando o limite da resistência a tração do concreto de pressões da ordem de -6mca, pode-se admitir que para os valores médios de pressão próximos a este limite o concreto estará sujeito a esforços críticos que venham a causar danos imediatos a estrutura hidráulica afetada, aqui tratada como situação de cavitação plenamente estabelecida [23]. 4.2 PRESSÕES MÍNIMAS Para a análise das pressões mínimas foram considerados como valores mínimos os percentis de 1,0% e 0,1%, os quais representam 1,0% e 0,1% de probabilidade de não-excedência, ou seja, representam, estatisticamente, os menores valores de pressão que possa vir a ocorrer durante o funcionamento da estrutura hidráulica para todas as vazões e aberturas avaliadas experimentalmente, em função da posição longitudinal ao longo da base e do teto do conduto. As Figuras de 7 e 8 apresentam as distribuições longitudinais das pressões com 0,1% de probabilidade de não-excedência e as Figuras 9 e 10 com 1% de probabilidade de não-excedência.

Figura 7 - Distribuição longitudinal das pressões 0,1%, na base do conduto, abertura

30%.

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200

Perc

entil 0,1

% (

mm

.c.a

)

Posição (m)

Q = 2,5 l/s Q = 5,0 l/sQ = 7,1 l/s Q = 10,6 l/sQ = 14,1 l/s Q = 15,9 l/sQ = 19,8 l/s Q = 23,0 l/s



Figura 8 - Distribuição longitudinal das pressões 0,1%, no teto do conduto, abertura

30%.

Figura 9 - Distribuição longitudinal das pressões 1%, na base do conduto, abertura

30%.

Figura 10 - Distribuição longitudinal das pressões 1%, no teto do conduto, abertura

30%.

-1200,0

-1000,0

-800,0

-600,0

-400,0

-200,0

0,0

200,0

0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200

Perc

entil 0,1

% (

mm

.c.a

)

Posição (m)

Q = 2,5 l/s Q = 5,0 l/s

Q = 7,1 l/s Q = 10,6 l/s

Q = 14,1 l/s Q = 15,9 l/s

Q = 19,8 l/s Q = 23,0 l/s

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200

Perc

entil 1%

(m

m.c

.a)

Posição (m)

Q = 2,5 l/s Q = 5,0 l/s

Q = 7,1 l/s Q = 10,6 l/s

Q = 14,1 l/s Q = 15,9 l/s

Q = 19,8 l/s Q = 23,0 l/s

-1000,0

-800,0

-600,0

-400,0

-200,0

0,0

200,0

0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200

Perc

entil 1%

(m

m.c

.a)

Posição (m)

Q = 2,5 l/s Q = 5,0 l/s

Q = 7,1 l/s Q = 10,6 l/s

Q = 14,1 l/s Q = 15,9 l/s

Q = 19,8 l/s Q = 23,0 l/s



O comportamento das distribuições longitudinais das pressões com 0,1% e 1,0% de probabilidade de não-excedência são semelhante ao das pressões médias, apresentando valores mínimos logo após a comporta e se estendem até certa distância para depois aumentarem, porém seus valores de pressão são inferiores. A distância de influência da comporta aumenta para vazões maiores, sendo que para pequenas vazões a comporta pouco influencia no escoamento. No teto do conduto ocorrem pressões inferiores quando comparado à base. Considerando os estudos das pressões médias e mínimas em função de suas probabilidades de não-excedência, torna-se possível aplicar os resultados encontrados no modelo experimental deste trabalho (escala 1:32) com a metodologia proposta por [23] e também aplicada por [19]. Para avaliar os valores dos índices de cavitação que possam ocorrer possíveis danos à estrutura, foram considerados valores mínimos das séries de pressões médias e mínimas (1,0% e 0,1% de probabilidade de não-excedência) na elaboração das relações entre a pressão e vazão para cada abertura, além disso foram plotados nas mesmas figuras a pressão limitante de resistência a tração que o concreto suporta que é de -6mca, adequando este valor para o modelo reduzido o valor correspondente é de -187,5mmca. Foram consideradas os valores de vazões e aberturas responsáveis pelas pressões negativas equivalentes ou inferiores a tensão do concreto, as quais foram extraídas através da leitura direta dos gráficos para as três condições estudadas: pressão média, mínima 1,0% e 0,1%. A Figura 11 e 12 exemplifica como isso foi efetuado para a base e teto, respectivamente:

Figura 11 - Gráfico das pressões em relação as vazões de ensaio para a base,

abertura de 30%.

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Pre

ssão

(m

m.c

.a)

Vazão (L/s)

Pressão Média

Pressão 0,1%

Pressão 1%

Pressão deocorrência dedano



Figura 12 - Gráfico das pressões em relação as vazões de ensaio para a teto,

abertura de 30%. A Figura 10 e 11 correspondem a abertura de 30%, porém foram feitas para todas as aberturas verificando quais aberturas que apresentam pressões inferiores a pressão limite de resistência de tração do concreto e, portando obtiveram-se os valores de vazão que representam os pontos de intersecção ou de pressões menores que -187,5mmca. Para a determinação das velocidades do escoamento necessárias na obtenção dos índices de cavitação é necessária calcular a área molhada que o escoamento assume de acordo com a largura do conduto e a abertura da comporta, onde deve-se considerar o coeficiente de contração do jato (Cc) para cada abertura. Os coeficiente de contração para cada abertura de ensaio da comporta podem ser extraídos da Figura 13, por meio da linha de tendência entre os dados de ensaio encontrados em [25] e McNary [5].

Figura 13 - Coeficientes de contração na comporta segmento invertida para

diferentes aberturas. Fonte: [25] apud [17]. Através dos resultados encontrados para os índices de cavitação tornou-se possível a elaboração das curvas limites de cavitação, seguindo a metodologia proposta por [23], as quais, identificam os possíveis danos que a estrutura poderá vir a apresentar

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Pre

ssão

(m

m.c

.a)

Vazão (L/s)

Pressão Média

Pressão 0,1%

Pressão 1%

Pressão deocorrência dedados



durante seu funcionamento. Na Figura 14 e 15 foram plotados os índices de cavitação para as três situações possíveis de ocorrência do fenômeno, ou seja, cavitação plenamente desenvolvida, cavitação crítica e cavitação incipiente considerando as pressões médias e mínimas de 1,0% e 0,1% de não-excedência, juntamente com as curvas limites elaboradas por [23], para a base e teto, respectivamente.

Figura 14 - Curvas para os diferentes níveis de danos que a base do conduto está

sujeita

Figura 15 - Curvas para os diferentes níveis de danos que o teto do conduto está

sujeita

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0,22

0,24

0,26

0,28

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Índ

ice d

e c

av

itação

Aberturas

Plenamento desenvolvidaPmédia

Crítica P1,0%

Incipiente

Plenamente desenvolvidaPmédia [23]

Crítica P1,0% [23]

Incipiente P0,1% [23]

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Índ

ice d

e c

av

itação

Aberturas

Plenamente desenvolvidaPmédia

Incipiente P0,1%

Crítica P1,0%

Plenamente desenvolvidaPmédia [23]

Incipiente P0,1% [23]

Crítica P1,0% [23]



As curvas apresentadas nas Figura 14 e 15 expressam o comportamento dos índices possibilitando a análise de acordo com a probabilidade estabelecida e a frequência de cada situação em função da abertura de operação da comporta. Conforme [23] e [19], a área abaixo da curva de situação incipiente indica que a estrutura sofrerá com esforços por um curto intervalo de tempo, que a longo prazo podem vir a gerar danos significativos a estrutura e ao sistema hidráulico em questão. A área abaixo da curva de limite de situação crítica indica que os esforços aos quais a estrutura e o sistema hidráulico deverá resistir serão aplicados durante um intervalo de tempo maior. Os índices de cavitação plenamente desenvolvida são responsáveis por danos de maior frequência na estrutura, onde os danos serão notados mais rapidamente devido à agressividade do processo. Pela análise das figuras 14 e 15 percebe-se que ambos modelos físicos conduziram a resultados semelhantes. As maiores diferenças diferença entre o comportamento das curvas dos índices de deste estudo e curvas elaboradas por [23] estão relacionadas a menores aberturas (10% e 20%) e elas podem ser atribuídas a eventuais diferença de acabamento entre o terminal das comportas e também a efeitos de escala existente entre os dois modelos reduzidos.

5. CONCLUSÕES A análise do escoamento a jusante de comportas tipo segmento invertida em aquedutos de sistemas de enchimento e esvaziamento de eclusas de navegação de grandes barragens é fundamental para o estabelecimento de critérios hidráulicos de projeto que garantam segurança ao empreendimento. A ocorrência de pressões que induzam esforços à estrutura hidráulica inferiores ao seu limite de resistência causará problemas operacionais envolvendo grandes custos com manutenção e em última instância, redução ou alteração na capacidade de operação da estrutura. Caso os aquedutos sejam danificados pelos esforços de pressão, a segurança da estrutura hidráulica estará comprometida (em maior em ou menor grau), podendo, em última instância, estar completamente comprometida a operação das comportas dos aquedutos, e por consequência, o sistema de eclusagem do barramento. A indicação dos índices de cavitação aqui apresentados trazem ao setor de grandes barragens indicações de projeto hidráulico que poderão nortear as decisões técnicas na concepção de estruturas hidráulicas de transposição de níveis. Apresentou-se, aqui índices de cavitação associados à distintos riscos de exposição da estrutura a esforços hidráulicos, a partir da comparação de dois estudos em modelos hidráulicos com escalas distintas.

6. AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem as Engenheiras Hídricas Aline Saupe Abreu e Tuane de Oliveira Dutra pela colaboração nos ensaios e na análise dos dados experimentais. Este trabalho foi financiado pela FINEP no âmbito do CT-Aquaviário a partir do



projeto Análise dos esforços hidrodinâmicos a jusante de válvulas de sistemas de enchimento/esvaziamento de eclusas de navegação, desenvolvido em rede entre a UFPel, UFRGS, UNISINOS e URI/ERECHIM.

7. PALAVRAS-CHAVES Grandes Barragens, Eclusas de Navegação, Índices de Cavitação, Modelagem Física, Comporta tipo Segmento Invertida.

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] BRASIL, MINISTÉRIO DOS TRANSPORTES. (2010) - "Diretrizes da Política Nacional de Transporte Hidroviário", Ministério dos Transportes, Brasília.

[2] USACE, UNITED STATES ARMY CORPS OF ENGINEERS. (2006) - "Hydraulic Design of Navigation Locks", em 1110-2-1604, Washington, DC.

[3] ERBISTE, P. C. F. (1987) - "Comportas Hidráulicas", Editora Campus Eletrobrás, Rio de Janeiro.

[4] SCHREIBER, G. P. (1977) - "Usinas Hidrelétricas", Edgard Blücher, São Paulo. [5] USACE, UNITED STATES ARMY CORPS OF ENGINEERS. (1975) -

"Hydraulic design lock culvert valves", em 1110-2-1610, Washington, DC. [6] NEVES, E. T. (1960) - "Curso de Hidráulica", Editora Globo, Rio de Janeiro. [7] PORTO, R. de M. (2006) - "Hidráulica Básica", EESC - USP, São Carlos. [8] CHOW, V. T. (1959) - "Open-Channel Hydraulic", New York: McGraw-Hill Book

Company, INC. [9] USACE, UNITED STATES ARMY CORPS OF ENGINEERS. (1977) -

"Hydraulic design criteria". v. 2, Vicksburg, MS. [10] HENRY, H. R. (1950) - "Discussion of "Difusion of Submerged Jets", publicado

no livro Difusion of Submerged Jets, ASCE, vol.115, New York. [11] RAJARATNAM, N. & SUBRAMANYA, K. (1967) - "Flow equations for the sluice

gate", Journal of Irrigations and Drainage Engineering, ASCE vol. 93, n. 3. [12] SWAMEE, P. K. (1992) - "Sluice-Gate Discharge Equations", Journal of

Irrigations and Drainage Engineering, ASCE, vol. 118, n. 1. [13] SHARMA, H. R. (1976) - "Air-entrainment in high head gated conduits",

Journal of Hydraulic Division, nov. [14] BATTISTON, C. C. (2013) - "Análise da Dinâmica do Escoamento a Jusante de

Comporta de Controle de Vazão em Aqueduto de Eclusa de Navegação", 223f., Tese (Doutorado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental) - Curso de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Instituto de Pesquisas Hidráulicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

[15] PALAURO, C. (2012) - "Análise das pressões mínimas a jusante de comporta tipo segmento invertida em eclusas de navegação", 110f. Dissertação (Mestrado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental) - Curso de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Instituto de Pesquisas Hidráulicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

[16] DALLA CORTE, M. (2013) - "Simulação numérica tridimensional do escoamento em uma comporta segmento invertida por CFD", 69f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade do Vale do Rio dos Sinos.



[17] KEMPKA, M. (2014) - "Estimativa da distribuição longitudinal das pressões a jusante de comportas tipo segmento invertida", 91f. Dissertação (Mestrado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental) - Curso de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Instituto de Pesquisas Hidráulicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

[18] DUTRA, T. de O. (2014) - "Critérios de projeto hidráulico de eclusas de navegação: pressões médias nos condutos de enchimento e esvaziamento", 94f. TCC (Graduação em Engenharia Hídrica) Centro de Desenvolvimento Tecnológico, Universidade Federal de Pelotas.

[19] ABREU, A. S. (2014) - "Processo de cavitação em estruturas hidráulicas: escoamento a jusante de comportas tipo segmento invertido", 94f., TCC (Graduação em Engenharia Hídrica) Centro de Desenvolvimento Tecnológico, Universidade Federal de Pelotas.

[20] BALL, J. W. (1963) - "Cavitation from surface irregularities in high velocity", Proc. ASCE, HY9, Sept.

[21] QUINTELA, A. C., RAMOS, C. M. (1980) - "Protecção Contra a Erosão de Cavitação em Obras Hidráulicas", Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Ministério de Habilitação e Obras Públicas, Lisboa.

[22] TOMÁS, M. T. de C. D. L. G. (1986) - "Estudo do Fenômeno da Cavitação-Implementação de Técnicas Experimentais", 519 f., Tese (Doutorado em Mecânica dos Fluídos) - Instituto Nacional de Investigação Científica, Centro de Engenharia Civil, Universidade do Porto, Porto - Portugal.

[23] KEMPKA, M. (2011) - "Determinação das Pressões a Jusante de Comportas Tipo Segmento Invertida: Aplicação em Eclusas de Navegação", 95f., Trabalho de Conclusão de Curso- Departamento de Engenharia Civil, Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS.

[24] PORTUGAL, Ministério do Equipamento Social e do Meio Ambiente – Laboratório Nacional de Engenharia Civil. (1975) - "Directivas para a colocação das comportas nos descarregadores das barragens", Memória, n. 469, Lisboa.

[25] BATTISTON, C. C.; SCHETTINI, E. B. C.; CANELLAS, A. V. B.; MARQUES, M. G. (2009) - "Eclusas de Navegação: Caracterização Hidráulica do Escoamento a Jusante das Válvulas de Enchimento/Esvaziamento" Anais do Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, 18, Campo Grande.

ANÁLISE DAS PRESSÕES A JUSANTE DE COMPORTAS TIPO ...

Documents

Transcript of ANÁLISE DAS PRESSÕES A JUSANTE DE COMPORTAS TIPO ...