Tema 6 vertedouros

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Heloisa Teixeira Firmo 
hfirmo@gmail.com 
hfirmo@poli.ufrj.br 
 
 
2562-7991 
Tema 6: Aproveitamentos 
Hidrelétricos: Vertedouros 
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Vertedouros: Sumário 
1. Bibliografia. 
2. Principais estruturas. 
3. Dimensionamento. 
4. Estrutura de controle. 
5. Geometria. 
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1. Bibliografia. 
 
 
USBR – Design of Small Dams. 
Manuais ELB (Inventário, PCH, Viabilidade, Projeto Básico). 
Schreiber, Usinas Hidrelétricas. 
Zulcy de Souza, Centrais Hidrelétricas, Editora Edgar Blücher, 
Ltda. 
Trindade Neves, Hidráulica Geral 
Lencastre, Manual de Hidráulica 
 
 
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2. Principais estruturas. 
Vertedouro - definição: 
Estrutura extravasora de cheias, que permite a 
passagem da água para jusante. 
Garantia de integridade de uma barragem, para as 
vazões máximas ocorridas, sendo um importante 
dispositivo de segurança. 
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2. Principais estruturas. 
É constituído por 4 estruturas básicas: 
 Estrutura hidráulica de aproximação ; 
 Estrutura de controle (crista livre ou 
comporta); 
 rápido; 
 Estrutura de dissipação. 
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2. Principais estruturas. 
Estrutura de aproximação: 
 
 
As velocidades de entrada devem ser limitadas e as 
transições devem ser suaves de forma a minimizar 
as perdas de carga e obter uma distribuição 
uniforme do escoamento, junto à ESTRUTURA DE 
CONTROLE. 
 
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2. Principais estruturas. 
Estrutura de controle: 
 
 É a parte mais importante do extravasor, pois 
regula as vazões que saem do reservatório; 
 
 Nas estruturas de descarga as relações entre 
Carga e Vazão podem ser fixas , como no caso das 
soleiras normais e não controladas , ou podem 
variar, no caso de soleiras com comportas , em 
função da abertura das mesmas 
 
 
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2. Principais estruturas. 
 
 
 As estruturas extravasoras deverão ser 
dimensionadas para a descarga de projeto 
amortecida no reservatório, definida nos estudos 
hidrológicos. 
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2. Principais estruturas. 
 
 
A partir desse dado e dos níveis d´água no 
reservatório e a jusante, deverá ser definida a 
geometria das estruturas e dos dispositivos de 
dissipação de energia , conforme os critérios de 
projeto. 
O comportamento hidráulico e as dimensões nas 
usinas de grande porte devem ser confirmadas por 
meio de estudos em modelo reduzido. 
 
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3. Dimensionamento. 
Definição das dimensões principais: 
 Dados hidrológicos; 
 Curva-chave; 
 Avaliação da vazão de projeto 
 Métodos estatísticos: 
 PMP + chuva-deflúvio 
 Cálculo do amortecimento da cheia de projeto. 
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3. Dimensionamento. 
Além do problema de galgar a barragem, uma exagerada 
subida dos NA a montante poderá causar inundações 
inconvenientes a jusante. A passagem pelo vertedouro 
de vazões maiores do que a de projeto poderá causar a 
jusante prejuízos importantes, erosões localizadas mais 
profundas, extensas e perigosas e inundações mais 
graves. Por excesso de vazão é possível até haver danos 
na própria estrutura do vertedor (galgamento das 
paredes do canal). 
Se for superdimensionado, é anti-econômico. 
Portanto, deve estar dimensionado de forma adequada. 
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3. Dimensionamento. 
pedrazzi_cap14.pdf 
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3. Dimensionamento 
http://www.fcth.br/Cursos/cursos/phd5706/capacidade_de_reservatorios.pdf 
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3. Dimensionamento. 
VAZÃO DE UM VERTEDOR 
Q = C . L´. H3/2 
onde : 
Q = Vazão em m3/s; 
 C = Coeficiente de descarga (entre 1,65 e 2,25) 
 L´ = Largura efetiva do extravasor (m) 
 H = Carga no extravasor (distância vertical 
 (m) da crista da soleira do extravasor ao nível 
 das águas do reservatório) 
 
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3. Dimensionamento. 
O valor do coeficiente de descarga C é influenciado por 
fatores tais como: 
a) a profundidade da linha d´água no canal de acesso; 
b) relação entre a forma da crista projetada e a forma 
da linha d´água ideal; 
c) inclinação do paramento de jusante; 
d) geometria à jusante da crista; 
e) grau de submergência à jusante; 
f) Forma da soleira; 
g) NA de jusante; 
h) Velocidade d´água à jusante. 
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Vazão de um vertedor com comporta 
Q = m. L´.(2g H)1/2 
Equação do orifício 
onde : 
Q = Vazão em m3/s; 
 m = Coeficiente de descarga (entre 0,6 e 0,8) 
 L´ = Largura efetiva do extravasor (m) 
 H = Carga no extravasor (distância vertical 
 (m) da crista da soleira do extravasor ao nível 
das águas do reservatório) 
 
 
 
3. Dimensionamento. 
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3. Dimensionamento. 
LARGURA DE SOLEIRA 
 
L´ = Lr - 2(n.Kp + Ka) . H 
Onde: 
n = número de pilares 
 Kp = coeficiente de forma, localização e 
 esbeltez do pilar; 
 Ka = coeficiente de geometria da aproximação 
 e ângulo formado entre o muro de aproximação e 
 o escoamento; 
 H = carga sobre a soleira. 
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4. Estrutura de controle. 
Estrutura de controle: 
 
 Deverá ser verificada a possibilidade de 
CAVITAÇÃO da calha, prevendo-se caso seja 
necessário , dispositivos de aeração. 
 
 
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4. Estrutura de controle. 
Estrutura de controle: 
 
 
 Deverão ser definidas cotas e disposição das canais 
de aproximação e restituição , fundações , galerias 
de acesso e drenagem , bem como ser indicados os 
sistemas recomendados de drenagem e tratamento 
profundo das fundações . 
Importância das regras de operação do vertedouro 
de forma a não gerar cheias artificais para jusante. 
 
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4. Estrutura de controle. 
O projeto do VERTEDOURO deverá minimizar os 
efeitos da erosão devido às altas velocidades de 
escoamento e às pressões negativas ( efeito de 
CAVITAÇÃO ).O revestimento de concreto da 
calha deverá ser estável e passível de manutenção , 
mesmo após descargas prolongadas 
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4. Estrutura de controle 
Parede delgada ou espessa 
http://www.fcth.br/Cursos/cursos/phd5706/capacidade_de_reservatorios.pdf 
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4. Estrutura de controle 
Gráficos de pressões na estrutura 
Design of Small Dams - USBR 
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 5. Geometria 
 
 
A melhor geometria para um descarregador é a que se 
assemelha à face inferior da lâmina vertente em queda 
livre. Os estudos, em modelos reduzidos, feitos nos E.U.A 
e na Europa levaram à adoção da equação teórica, 
referente às chamadas soleiras normais onde não 
ocorrem depressões ou sobrepressões, conhecida como 
"Perfil Creager". 
 
Vertedouro policêntrico 
http://www.fcth.br/Cursos/cursos/phd5706/phd5706_extravasores.PDF 
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5. Geometria 
 
Design of Small Dams - USBR 
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5. Geometria 
Lâmina afogada 
Design of Small Dams - USBR 
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28 PCH Bonfante - MG- Vertedor Labirinto 
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PCH Bonfante - MG- Vertedor Labirinto 
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Hoover dam - http://forum.outerspace.terra.com.br/showthread.php?t=359264 
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Hoover dam - http://forum.outerspace.terra.com.br/showthread.php?t=359264 
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5. Geometria 
Tulipa 
Design of Small Dams- USBR 
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5. Geometria 
Tulipa 
VAZÃO DE UM VERTEDOR TULIPA 
Q = C . L´. H3/2 
onde : 
Q = Vazão em m3/s; 
 C = Coeficiente de descarga 
 L´ = Largura efetiva do extravasor = 2 Π R(m) 
 R = raio da circunferência da tulipa (m); 
 H = Carga no extravasor (distância vertical 
 (m) da crista da soleira do extravasor ao nível 
 das águas do reservatório) 
 
Barragem Euclides da Cunha, tipo fio d´água, rio Pardo, SP. 
Entrou em operação em 1960.Rompimento da barragem Euclides da Cunha (1977), paralisou a UHE entre 
77 e 80 e levou à construção de um vertedouro tulipa. 
http://www.fcth.br/Cursos/cursos/phd5706/phd5706_extravasores.PDF 
UFRJ 
http://www.ehr.ufmg.br/docsehr/posgrad181.pdf 
http://casadokct.blogspot.com/2008_08_19_archive.html 
Barragem Euclides da Cunha, tipo fio d´água, rio Pardo, SP. 
Entrou em operação em 1960. 
Rompimento da barragem Euclides da Cunha (1977), paralisou a UHE entre 
77 e 80 e levou à construção de um vertedouro tulipa. 
http://www.fcth.br/Cursos/cursos/phd5706/phd5706_extravasores.PDF 
Inicio obras civis 1955 
Entrada em operação 24/11/1960 
Rompimento da 
barragem 
20/01/1977 
Reentrada em operação 1979/1980 
A História do Início do controle de cheias no Setor Elétrico Brasileiro 
Bacia do Rio Pardo 
UHE EUCLIDES DA 
CUNHA 
 
Fonte: palestra Paulo Diniz ONS – DRHIMA-Poli/UFRJ, 2011 
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A História do Início do controle de cheias no Setor Elétrico Brasileiro 
Fonte: palestra Paulo Diniz ONS – DRHIMA-Poli/UFRJ, 2011 
Tulipa - UHE Caconde SP 
http://www.fcth.br/Cursos/cursos/phd5706/phd5706_extravasores.PDF 
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A História do Início do controle de cheias no Setor Elétrico Brasileiro 
Fonte: palestra Paulo Diniz ONS – DRHIMA-Poli/UFRJ, 2011 
•Vista aérea da Usina Euclides da Cunha com chuva intensa. 
•Às 12:00 horas o nível montante encontrava-se 1,70 m abaixo do nível 
máximo normal (665,50) e com abertura de comportas em 0,5 m 
•Às 14:10 foi atingido o nível máximo normal e as comportas estavam com 
abertura de 1,0 m 
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A História do Início do controle de cheias no Setor Elétrico Brasileiro 
Fonte: palestra Paulo Diniz ONS – DRHIMA-Poli/UFRJ, 2011 
•Às 16:40 foi atingido o nível máximo maximorum (667,50) e as comportas 
estavam com apenas 3,0 m de abertura 
•Às 16:55 foi desligada a Usina Caconde na tentativa de reduzir a vazão afluente, 
apesar do tempo de trânsito ser de 9 horas 
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A História do Início do controle de cheias no Setor Elétrico Brasileiro 
Fonte: palestra Paulo Diniz ONS – DRHIMA-Poli/UFRJ, 2011 
•Às 20:30 foi atingido o coroamento da barragem (670,00), as comportas 
estavam com abertura de 4,3 m ( 50% da capacidade do vertedor em torno 
de 1.020m³/s) 
•Com o início do galgamento da barragem as comportas ficaram impedidas 
de movimentação e a sala de máquinas foi inundada 
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A História do Início do controle de cheias no Setor Elétrico Brasileiro 
Fonte: palestra Paulo Diniz ONS – DRHIMA-Poli/UFRJ, 2011 
•Às 21:15 foram desligadas as turbinas, tornando mais rápido o galgamento da 
barragem 
•Às 03:00 o nível do lago se encontrava 1,26m acima do coroamento, sendo 
evacuada a usina 
•Às 03:43 precisamente, inicia-se o rompimento da barragem de terra da usina 
Euclides da Cunha em uma faixa de 100m de extensão e aproximadamente 3 m de 
altura na ombreira direita 
 
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A História do Início do controle de cheias no Setor Elétrico Brasileiro 
Fonte: palestra Paulo Diniz ONS – DRHIMA-Poli/UFRJ, 2011 
• Por volta das 06:00 do dia 20 (quinta-feira) o rio já havia 
escavado os 60 m de altura da barragem. 
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A História do Início do controle de cheias no Setor Elétrico Brasileiro 
Fonte: palestra Paulo Diniz ONS – DRHIMA-Poli/UFRJ, 2011 
•Ao amanhecer da quinta-feira 20 de janeiro de 1977 esta era a 
vista da Usina Euclides da Cunha 
Barragem Euclides da Cunha, tipo fio d´água, rio Pardo, SP. 
Entrou em operação em 1960. 
Rompimento da barragem Euclides da Cunha (1977), paralisou a UHE entre 
77 e 80 e levou à construção de um vertedouro tulipa. 
http://www.fcth.br/Cursos/cursos/phd5706/phd5706_extravasores.PDF 
Barragem Euclides da Cunha, tipo fio d´água, rio Pardo, SP. 
Entrou em operação em 1960. 
Rompimento da barragem Euclides da Cunha (1977), paralisou a UHE entre 
77 e 80 e levou à construção de um vertedouro tulipa. 
http://www.fcth.br/Cursos/cursos/phd5706/phd5706_extravasores.PDF 
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5. Geometria 
Tipo Galeria 
http://www.fcth.br/Cursos/cursos/phd5706/phd5706_extravasores.PDF 
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5. Geometria 
Estrutura de dissipação; 
 Jato lançado (salto em esqui). 
 Bacias de dissipação- na bacia de dissipação 
convencional, temos a passagem de um 
escoamento em regime supercrítico a um 
subcrítico com a conseqüente formação, na 
maioria dos casos, de um ressalto hidráulico; 
 Ressalto – Súbita mudança do nível da água num 
canal em superfície livre, passagem de uma altura 
inferior à crítica para uma altura superior à 
crítica, acompanhada de dissipação de energia 
(calor); 
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5. Geometria 
Ressalto hidráulico: Foram executados muitos 
ensaios em modelos reduzidos dos quais resultaram 
muitas fórmulas para a determinação do comprimento 
do ressalto que diferem razoavelmente entre si. 
 
O ressalto é um fenômeno muito turbulento e ao 
rolo d´água sobrepõe-se uma camada d´água 
emulsionada que forma espuma. Por isso é difícil 
definir-se exatamente o começo e o fim do ressalto. 
5. Geometria: bacias de dissipação 
e o ressalto hidráulico 
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5. Geometria 
Ressalto hidráulico: 
Grandezas: 
 largura; 
 profundidade; 
 y1, y2 – dado y1 , largura, geometria, qual y2 que 
garante ressalto 
Se está mal dimensionado: EROSÃO. 
Quando falta profundidade: afundar o canal na 
extensão do ressalto até chegar à profundidade 
necessária y2 formando um poço chamado bacia de 
dissipação. 
 
 
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5. Geometria 
Bacia de dissipação: água sai das comportas em 
regime rápido mas no rio corre sempre regime lento. 
A redução da alta velocidade no rio e a dissipação 
correspondente de energia efetuam-se de um modo 
eficiente através do ressalto decorrente da brusca 
elevação d´água; forma-se um rolo d´água sobreposto 
ao jato descendo do vertedouro. 
A fricção entre o jato e o rolo transforma a energia 
cinética da água parcialmente em calor. 
 
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5. Geometria 
Diagramas 6.43 (Schreiber) servem para a fixação 
do valor do coeficiente C (considerando escoamento 
a jusante) 
 a – velocidade supercrítica 
 b – forma-se ressalto incompleto; 
 c - forma-se ressalto completo; 
 d - forma-se ressalto afogado; 
 e – não forma-se ressalto, o jato solta-se da 
soleira , corre por cima da água do canal , por curta 
distância e depois se mistura com água mais lenta 
(salto de esqui). 
 
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5. Geometria: Salto de ski 
(exigem boa rocha) 
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5. Geometria: dissipação de energia 
com salto em esqui. 
Itaipu 
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Itaipu 
5. Geometria: dissipação de energia 
com salto em esqui. 
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Itaipu 
5. Geometria: dissipação de 
energia com salto em esqui. 
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Itaipu 
5. Geometria: dissipação de 
energia com salto em esqui. 
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5. Geometria: Bacias de dissipação 
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5. Geometria: bacias de dissipação 
1) Bacia tipo I (1,2 < Fr < 2,5) 
F = v/ (gy)1/2 
2) As alturas conjugadas guardam a seguinte relação: 
 y2 >= y1 U2 >= U1 
Não há necessidade de bacias especiais. A plataforma horizontal 
deverá ter comprimento: 
L > 4 y2 
 
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5. Geometria: bacias de dissipação 
 
 
2) Bacia tipo II (2,5 < Fr < 4,5) 
São as que apresentam o menor desempenho hidráulico, 
porque a onda se forma em simultâneo com o ressalto. 
Geralmente procura-se modificar o Fr a fim de se sair deste 
tipo de 
ressalto. 
 
 
5. Geometria: bacias de dissipação 
3) Bacias tipo III e IV ( Fr > 4,5) 
Nestas bacias predomina o verdadeiro ressalto. Quando 
 U1 <= 15 m/s o USBR recomendao tipo III que possui 
blocos de queda, amortecedores e soleira terminal que 
permitem diminuir o comprimento da bacia. 
Quando U1 > 15 m/s o USBR recomenda a bacia tipo IV que 
não tem blocos amortecedores, o comprimento do fundo é 
maior, mas a soleira é dentada. 
 
UHE Porto Colombia 320 MW 
http://www.furnas.com.br/ 
UHE Porto Colombia 320 MW 
http://www.furnas.com.br/ 
UHE Porto Colombia 320 MW 
http://www.polmil.sp.gov.br/unidades/cpfm/hidreletrica_colombia
.htm 
UHE Porto Colombia 320 MW 
http://www.polmil.sp.gov.br/unidades/cpfm/hidreletrica_
colombia.htm 
UHE Porto Colombia 320 MW 
http://www.polmil.sp.gov.br/unidades/cpfm/hidreletrica_colombia.htm 
Vista geral do modelo tridimensional (escala: 1:100) da 
UHE de Porto Colombia no laboratório de Furnas/LAHE. 
 
 
Vista geral da bacia de dissipação da UHE de 
Porto Colombia vertendo 4.000m3/seg. 
 
Vista geral da bacia de dissipação da UHE de 
Porto Colombia vertendo 4.000m3/seg. 
 
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Erosões na bacia de dissipação 
Porto Colômbia 
Porto Colômbia: Erosões e reconstrução da bacia de dissipação