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HIDR
Introdu
Introdu
ç
ç
ão
ão
•
Engenharia Civil
>>>
Engenharia de edifícios
• Os engenheiros civis desenvolvem
actividades múltiplas
:
• no cálculo estrutural (estruturas); • na construção;
• no urbanismo;
• na gestão de obras; • na geotecnia;
• nos recursos hídricos (quantificação e gestão);
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• No âmbito da
hidráulica
, os engenheiros civis desenvolvem
actividades relacionadas com
:
• Saneamento Básico (hidráulica urbana):
• redes de distribuição de água;
• redes de recolha de águas residuais;
• sistemas de tratamento (de água e de águas residuais).
• Estruturas Hidráulicas (circuitos hidráulicos em barragens e obras afins); • Instalações Hidroeléctricas: • estações de bombagem; • centrais hidroeléctricas. • Hidráulica Marítima: • Estuários; • Costas e portos.
•
Hidráulica Fluvial
.
• A área da
Hidráulica
está muito ligada à de
Recursos Hídricos
e ao
Ambiente
através de actividades no âmbito de:
• Hidrologia superficial e subterrânea;
• Planeamento e gestão dos recursos hídricos; • Qualidade da água e controle da poluição.
Hidr
Hidr
á
á
ulica Geral
ulica Geral
vs
vs
Hidr
Hidr
á
á
ulica Fluvial
ulica Fluvial
• No actual contexto, a
Hidráulica Fluvial
é uma matéria de
especia-lização que
entronca
na
Hidráulica Geral
.
• A
Hidráulica Geral
(Hidráulica I e Hidráulica II) é uma
ciência da
engenharia civil
com um importante acervo de matérias para
todos
os engenheiros civis
. Os alunos aprendem a calcular:
– impulsos em superfícies planas ou curvas (estática)
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– instalações hidráulicas (destaque para as redes de distribuição de água)
– alturas de água em canais com superfície livre e leito fixo
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– escoamentos em meios porosos (casos simples)
– turbo máquinas hidráulicas (especificar)
• turbinas • bombas
Hidráulica Fluvial
=
Hidráulica dos rios
.
– para alguns problemas, os rios comportam-se como se tivessem leito fixo → estudam-se como os restantes canais com superfície livre
(problema de hidráulica geral para canais não prismáticos).
– em geral, tem que se considerar o
fundo móvel
→
hidráulica de
escoamentos bifásicos
• água• sedimentos (tipicamente areia; fase sólida)
– desde o início da civilização, o homem habituou-se a conviver com os rios e a tirar partido da sua existência. Exemplos:
• Civilização chinesa
• Babilónia
• Egipto
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Questões espec
Questões espec
í
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ficas da Hidr
ficas da Hidr
á
á
ulica Fluvial
ulica Fluvial
1.
Origem dos sedimentos e sua importância para a
engenharia civil
– Os sedimentos são maioritáriamente originados nas encostas das bacias hidrográficas por acção da erosão hídrica
– Os sedimentos desagregados são transportados para jusante pela acção do escoamento canalizado.
• Reduzem o volume útil das albufeiras;
• provocam assoreamento de passagens hidráulicas das vias de comunicação;
• induzem abrasão em turbinas e bombas;
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– O ciclo dos sedimentos é da maior importância no âmbito da gestão dos recursos hídricos. Quem não ouviu falar da falta de alimentação de areia às nossas praias ?
2.
Início do movimento das partículas sedimentares do
fundo
– Para velocidades e tensões de arrastamento inferiores a um determi-nado valor crítico, que depende essencialmente das dimensões das
partículas do fundo, estas não se movem. Tudo se passa como se o fundo fosse fixo (Hidráulica Geral). Para valores superiores, tudo se passa de modo diferente.
– O conceito de valor crítico (da velocidade ou da tensão de arrasta-mento) de início de movimento é importante para o dimensionamento de canais revestidos por enrocamento (por exemplo).
– O mesmo conceito é ainda fundamental para i) o cálculo do caudal sólido, ii) o estudo da deposição em reservatórios e albufeiras, iii) o estudo da erosão e deposição generalizadas, iv) o estudo de erosões junto de encontros e pilares de pontes, etc.
3.
Configurações do fundo
– Uma vez iniciado o movimento, o escoamento de água sobre um fundo de material incoerente interactua com ele, modelando-o e dando
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– A natureza das interacções entre a fase líquida e a fase sólida e as dimensões das configurações do fundo dependem de: altura do escoamento; velocidade do escoamento; propriedades do fluido; características do material granular do fundo.
– Considere-se um escoamento com altura constante e velocidades crescentes, sobre um fundo inicialmente plano, e com durações que garantam o completo desenvolvimento das configurações do fundo
– Problemas a resolver:
• qual o tipo de configurações presentes no fundo para determinadas condições do escoamento ?
• quais as dimensões dessas configurações ?
• qual a influência das configurações na altura do escoamento ?
4.
Altura do escoamento (
resistência ao escoamento; determinação de curvas de vazão)
– Nos escoamentos com fundo fixo, a relação entre a altura do escoamento e o caudal (curva de vazão) é única (em regime uniforme). – Em fundos móveis, a relação não é única (efeito das formas de fundo)!!
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– A aumentos do caudal, nem sempre correspondem aumentos da altura do escoamento.
– Quando a concentração de sedimentos em suspensão é elevada, as
propriedades do fluido são alteradas → a curva de vazão também é
alterada. Este é um assunto em aberto em termos científicos.
5.
Caudal sólido
(
volume de sedimentos por unidade de tempo
)
– Do mesmo modo que é importante conhecer o caudal líquido, também– O material sólido move-se por arrastamento, no fundo, e em suspensão, no seio do escoamento.
– Quanto vale o caudal sólido em suspensão ? Quanto vale o caudal sólido por arrastamento ? Quanto vale o caudal sólido total ?
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6.
Rios em regime
– Um rio encontra-se em equilíbrio dinâmico - ou em regime - quando,
não sendo revestido e podendo estar sujeito a erosão e deposição generalizadas, esses efeitos se anulam ao fim de um ou mais ciclos anuais, mantendo-se, em média, o mesmo perfil longitudinal ao longo do tempo.
– Problema a resolver:
• Conhecidos:
• o regime de caudais, Q; • o declive do vale;
• o caudal sólido afluente;
• a granulometria do material do fundo. • Determinar:
• a largura, B; • a altura, h;
• o declive do fundo.
de um rio em equilíbrio ou em regime.
• Determinar ainda a adequada forma em planta. Como se dimensiona um meandro? → Teorias de regime; Método racional.
• Problema do caudal de dimensionamento.
7.
Impactes das obras fluviais
•
Os rios
e respectivos leitos de cheia
são sistemas
dinâmicos
que se
ajustam continuamente
às alterações do caudal líquido e do caudal
sólido
. Alteram o respectivo curso
(criando novos cursos; cortando antigos cursos; migrando para jusante).•
Estas alterações são decisivas para a vida selvagem
.• No passado, a referida dinâmica foi muitas vezes ignorada quando se aplicaram, sem critério, as teorias de regime ao dimensionamento de canais “estáveis”.
• As alterações dos sistemas fluviais podem ser avaliadas em termos genéricos com base na balança de Lane.
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•
A balança de Lane
, traduz a seguinte proporcionalidade:
Q
sD
∼ Qi
Qs – caudal sólido; D – diâmetro do material do fundo; Q – caudal líquido; i – de-clive do talvegue
• Se
uma ou mais variáveis se alterar, o valor de outra (
ou mais
) tem
que se alterar para se recuperar o equilíbrio
.
Por exemplo, se o caudal sólido diminuir mantendo-se o caudal líquido e o diâmetro do material do fundo, o declive do talvegue deve diminuir de modo a que se mantenha o equilíbrio.• O
exemplo anterior
corresponde ao que, geralmente, acontece
em consequência da
construção de uma barragem
.
• Devido à retenção de sedimentos na albufeira, o caudal sólido a jusante passa de Qs para Qs-. Admitindo que o caudal líquido e o
diâmetro do material do fundo não se alteram, o declive do talvegue tem que passar de i para i-, resultando
• Qs
−D ∼ Qi
−• É este novo equilíbrio que conduz ao
fenómeno de erosão
generalizada do leito dos rios a jusante de barragens
:
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8.
Temas especiais em Hidráulica Fluvial
•
Sedimentação em albufeiras
• aspectos de quantidade;• aspectos de qualidade.
•
Erosões localizadas
• junto de encontros e pilares de pontes;
• a jusante de barragens e açudes.
•
Ondas de rotura de barragens sobre fundo móvel
•
Ecohidráulica (
frente de trabalho com largo futuro)
• esquemas fluviais ambientalmente aceitáveis;
• medidas de preservação e recuperação dos ambientes ribeirinhos.
• resistência ao escoamento devida à vegetação.
