Fonte: HYDROPLUS, 2007.
3.4.3 Emprego de Geomembranas para Vertedores de Emergência
Estudos realizados pelo EUA - Bureau of Reclamation (1994) apontam que a utilização de membranas flexíveis ou geomembranas para vertedores de emergência, têm crescido em função do seu baixo custo de aplicação e sua praticidade em estruturas de pequenas cargas ou pequena altura. Sua instalação simplificada é baseada no revestimento do canal do vertedor de emergência por uma manta de geomembrana, que posteriormente recebe uma camada de material solto para proteção da mesma. É importante ressaltar a necessidade de reposição da camada de material solto sobre a geomembrana a cada operação do vertedor de emergência.
Em barragens de material solto em risco de galgamento devido à inadequada capacidade da estrutura vertedora existente, e em casos em que não seja viável a instalação de um vertedor de concreto convencional ou de enrocamento compactado, a colocação de um vertedor de emergência com geomembranas tem sido uma boa alternativa.
Esta estrutura é composta por um canal aberto de seção transversal trapezoidal, apresentada na Figura 3.8 e Figura 3.9, em que é aplicada a geomembrana seguido de uma cobertura de solo para a proteção da membrana contra danos causados pela passagem de animais ou máquinas (TIMBLIN, 1985).
Durante a operação do vertedor esta cobertura de solo é levada pelo escoamento, e a geomembrana tem por finalidade servir como uma camada impermeável de proteção contra a erosão da área em exposição a esse escoamento. A freqüência mínima de uso deste vertedor é relevante para um satisfatório funcionamento, já que existe a necessidade da manutenção da cobertura de solo sobre a membrana a cada operação. Um bom resultado em sua operação está ligado diretamente com a qualidade do material da membrana para ser resistente às forças atuantes. A geomembrana deve resistir aos danos que podem ser provocados por materiais que possam ser carregados para dentro da estrutura e ainda prover boas condições hidráulicas em sua operação(ASCE, 1994).
A geomembrana de PEAD (Polietileno de Alta Densidade) é elaborada com base em uma resina 100% pura, específica para uso na produção de geomembrana flexível para revestimentos impermeabilizantes. Especialmente desenvolvida para a impermeabilização de solos, a geomembrana possui alta resistência química e espessuras variáveis (de 0,5mm a 2,0mm). Os tipos de materiais para a confecção das geomembranas mais utilizadas no mercado para este fim são o c.p. (polietileno clorado) e o h.p.d. (polietileno de alta densidade) da “Hypalon” (CBDB, 2005).
COLMANETTI (2006) comprovou por meio de testes laboratoriais que as geomembranas apresentam características que proporcionam boa resistência física à ruptura por tração, oferecendo um alto grau de segurança na impermeabilização.
RAMOS et al (2006) realizaram uma pesquisa sobre a aplicação de geomantas em canais, revestidas ou não por grama. Os resultados dos ensaios em laboratório demonstraram a eficácia do emprego desta técnica quando a cobertura de grama apresenta-se com um desenvolvimento homogêneo em toda a geomanta. Os autores
recomendam manter a velocidade do escoamento entre 3,5 a 4,0 (m/s) para manter a estabilidade do canal desde que a grama esteja completamente desenvolvida. Para os ensaios sem o revestimento de grama a velocidade não deve ser maior que 0,8 m/s.
Figura 3.8 Aplicação de geomembrana na saída do vertedor Fonte: TIMBLIN (1985)
Figura 3.9 Seção transversal típica de vertedor com geomembrana Fonte: ADAPTADO DE TIMBLIN (1985)
4 CARACTERÍSTICAS DOS VERTEDORES
4.1 Introdução
Neste capitulo serão apresentadas as características dos vertedores normalmente empregados em barragens.
4.2 Generalidades dos Vertedores
O vertedor é uma das estruturas hidráulicas associada a uma barragem, tendo por finalidade transportar o excesso de água do reservatório. Por isso seu funcionamento correto é de suma importância para a segurança da barragem. Para que isso ocorra seu projeto deve ser minucioso, prevendo que a vazão de projeto que é a vazão utilizada para se dimensionar o vertedor, pode ser superada em alguns eventos. Quando isso ocorre, danos tanto no maciço da barragem, como no próprio vertedor, assim como prejuízos a jusante podem ser detectados.
O galgamento da barragem é uma das principais conseqüências da falha do vertedor. Entretanto, os danos provocados pela passagem de um volume superior ao esperado, a jusante da barragem, podem ser irreparáveis.
Portanto, é extremamente necessário que estas estruturas sejam suficientemente dimensionadas, prevendo a ocorrência de danos provocados por eventos extremos e minimizando os riscos de acidentes, bem como evitando o super dimensionamento dos vertedores que os tornaria inviáveis.
Os dados para o projeto do vertedor estão relacionados à topografia do local da obra; clima predominante; histórico hidrológico que incluem períodos de estiagem e enchentes; geologia que está diretamente ligada à fundação da obra; ocorrência de
sismos; grau de importância da capacidade de retenção de cheias no reservatório; qualidade da água no local; tipo de estrutura a projetar; dados hidráulicos de projeto; existência de desenvolvimento a jusante da obra como existência de propriedades e habitantes; e por último as exigências de projeto como vazão mínima a jusante. A escolha do tipo de vertedor e seus componentes estão diretamente ligados às condições do local da obra, às exigências de projeto, aos dados hidrológicos e ao fator econômico.
4.3 Componentes de um Vertedor
Uma alternativa utilizada para se evitar projetos antieconômicos é o dimensionamento de mais de um vertedor para a barragem. O vertedor principal que pode ser chamado de “serviço” tem a função de descarregar as menores vazões que são as mais freqüentes. O “auxiliar” é utilizado para descarregar as maiores vazões que ocorrem durante os eventos extremos. Sendo que o de “emergência” é projetado para ser uma alternativa a mais de segurança contra o galgamento da barragem. Seu uso ocorre em caso de extremas condições, como por exemplo, uma falha no vertedor principal ou ainda no vertedor auxiliar.
Segundo o EUA - Bureau of Reclamation (1987), os vertedores são formados geralmente por um canal de entrada, uma seção de controle, um canal de descarga e um canal de saída.
• Canal de Entrada direciona o escoamento até a estrutura de controle, proporcionando uma uniformidade do escoamento, com perdas de carga mínimas através do canal evitando assim a redução da vazão do vertedor. É utilizado em barragens de material solto, em que a estrutura de controle é localizada fora do maciço da barragem.
reservatório. Esta seção pode ter diferentes características e ser uma soleira, um orifício ou uma tubulação. A soleira da seção de controle pode apresentar varias formas em planta, como uma soleira reta, curvada, semicircular, formato de U, arredondada ou ainda de formato poligonal. Além dessas variações existe também a soleira de parede delgada, soleira espessa e com formato de S. Os orifícios podem ser assentados na horizontal, inclinados ou na vertical, podendo apresentar seção com cantos vivos ou arredondados. As tubulações podem ser localizadas da mesma forma que os orifícios, apresentando seções circulares, quadrados, retangulares, no formato de uma ferradura entre outros. Algumas dessas estruturas de controle podem ou não levar comportas. A abertura dessas comportas pode ser programada de acordo com os níveis do reservatório.
• Canal de Descarga o escoamento que passa pela estrutura de controle é conduzido por este canal ao leito do rio a jusante da barragem, de forma segura para a obra e estruturas de jusante. Os dados geológicos, topográficos e hidráulicos do local da obra determinam as características de projeto deste canal.
O canal de descarga pode assumir a forma de um canal aberto escavado ao longo das ombreiras da barragem, de um conduto localizado sobre ou através do maciço da barragem. Degraus no fundo do canal podem ser projetados com a finalidade de retardar o escoamento e também para dissipar a energia provocada pela velocidade do mesmo.
• Estrutura de Dissipação de Energia está posicionada no final do canal de descarga, com a finalidade de evitar que as altas velocidades geradas pelo escoamento causem danos como erosões na barragem e a jusante da mesma. Apresentam várias formas de dissipação, como através do ressalto hidráulico, lançamento de jato ao ar livre e dissipador em concha.
4.4
Tipos de Vertedores para Barragens
A classificação dos vertedores é baseada de acordo com a sua função, citada anteriormente no item 4.3 e também por suas características principais.
Em seguida serão apresentados resumidamente alguns dos mais utilizados vertedores (Oliveira, 2004):
Vertedor tipo extravasor é um dos mais utilizados, por isso existem diversos estudos desenvolvidos sobre seu funcionamento. Apresenta na crista um perfil adequado para acompanhar a superfície inferior da lamina de água vertente. Este perfil é denominado de perfil normal. Apresenta duas alternativas para a face de montante inclinada ou vertical, podendo conter mais de um alinhamento reto no paramento de montante. Este tipo de vertedor geralmente possui comportas, com a função de controlar a descarga do mesmo. Como este tipo de vertedor produz altas velocidades, em condições de grandes descargas, existe a necessidade de considerações de projeto para se evitar a cavitação.
A cavitação é a formação de bolhas ou cavidades em um líquido. Em estruturas hidráulicas, o líquido é água e as cavidades estão preenchidas com vapor de água e ar. As cavidades se formam em um local onde a pressão cai até a um valor que fará com que a água se vaporize a temperatura do ambiente. Essas cavidades ao serem transportadas através de regiões com gradientes de pressão positivos eventualmente implodem. Esses colapsos produzem pressões instantâneas muito altas que impactam na superfície sólida do escoamento. É justamente durante esse processo que pode ocorrer a erosão acompanhada de vibrações e ruído (DALFRÉ, 2005).
Vertedor labirinto ainda é pouco difundido no Brasil, por isso pouco utilizado. Sua principal característica é apresentar uma crista formada por uma linha
um aumento do comprimento da crista possibilitando a descarga de maiores vazões do que em um vertedor de soleira retilínea para igual carga. Geralmente apresentam a forma trapezoidal simétrica. A crista pode ter a forma circular ou um perfil extravasor, por exemplo, o de uma soleira tipo WES, EUA- Bureau of Reclamation (1987).
Vertedor tipo sifão é recomendado para descarregar vazões menores. Este tipo de vertedor é indicado quando se quer manter o nível do reservatório e o espaço para a localização da estrutura vertedora está reduzido. O vertedor tipo sifão possui sua estrutura formada por um tubo fechado com o formato de um U invertido. Apresenta em sua composição a seção da entrada, um ramal superior, a garganta ou seção de controle, o ramal inferior e a saída.
Tipo tulipa é usado em casos de barragens de terra ou enrocamento ou em vales estreitos, em que o espaço para a instalação do vertedor seja limitado. No caso de barragens de concreto com comprimento insuficiente para a colocação de outro tipo de vertedor, e ainda em barragens de arco, pode ser uma solução eficaz. A grande vantagem deste vertedor é a economia de concreto em sua construção, por possuir formas reduzidas comparadas as dos outros tipos de vertedores.
Vertedor tipo canal lateral é constituído por uma estrutura de controle localizada de forma paralela ao canal de descarga do vertedor, ideal para situações de pouco espaço e encostas íngremes.
Vertedor tipo canal de descarga sua principal característica é o posicionamento do seu canal perpendicular ao eixo da barragem. Este vertedor é muito utilizado em barragens de material solto, e por apresentar técnicas de projeto e construção simples.
5 VERTEDOR DE EMERGÊNCIA DE TERRA E VEGETAÇÃO
5.1 Introdução
Os vertedores de emergência de vegetação têm sido utilizados em reservatórios de controle de enchentes desde o inicio da década de 1960 nos Estados Unidos da América. Por possuir projeto simplificado, baixo custo de construção e manutenção, comparativamente com estruturas convencionais de vertedores, tornou-se uma boa opção em se tratando de reabilitação de uma barragem (SCS, 1985).
A função deste vertedor é descarregar as vazões não contempladas no valor da vazão de projeto do vertedor principal. Neste caso, a descarga será feita com uma velocidade não erosiva através de um canal adequado, e sem produzir o galgamento da barragem.
O vertedor de emergência de vegetação é formado por um canal aberto revestido com uma vegetação resistente à erosão, geralmente de seção transversal trapezoidal, apresentado na Figura 5.1. Sua estrutura consiste em um canal de entrada, uma seção de controle ou crista em nível, e um ou mais canais de saída.
Figura 5.1 Vista de Jusante do Canal do Vertedor de Emergência de Vegetação Fonte: Adaptado de OHIO DEPARTMENT OF NATURAL RESOURCES, 1999.
Este tipo de vertedor geralmente é dimensionado com somente 1 a 4% de chance de operar em um dado ano (TEMPLE, 1989). Na Foto 5.1 observa-se um vertedor de emergência de vegetação em funcionamento.
De acordo com TEMPLE (1992), dados da FEMA- “FEDERAL EMERGENCY MANAGEMENT AGENCY” indicam que a maioria das aproximadamente 25.600 barragens projetadas e construídas em uma ação conjunta de “UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE” o USDA e o SCS, possuem vertedores de emergência de vegetação.
Foto 5.1 Vertedor de Emergência de Vegetação