Usinas Hidrelétricas

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ETC413 – HIDRÁULICA
AULA - USINAS HIDRELÉTRICAS
Prof. Carlos Moya
Material de uso exclusivo dos alunos do IMT para fins de estudo apenas. Não prescinde da consulta à bibliografia indicada no Plano de Ensino.
Engenharia Civil
Prof. Carlos Moya
Mensagem aos Alunos
O presente material foi preparado com base na bibliografia consultada e nas notas de aula do Prof.
Jayme Ortiz.
Tem por único objetivo apoiar o aluno no estudo da disciplina ETC 413, mas não visa substituir o
conteúdo fornecido em aula, a consulta à bibliografia indicada no Plano de Ensino da Disciplina e,
tampouco, prescinde da resolução dos exercícios recomendados pelo professor.
Bibliografia Consultada
Material de uso exclusivo dos alunos do IMT para fins de estudo apenas. Não prescinde da consulta à bibliografia indicada no Plano de Ensino.
NOVAK, P.; MOFFAT, A.I.B; NALLURI, C.; NARAYANAN. Hydraulic Structures. 4. ed. Newcastle upon Tyne: 
Taylor & Francis, 2006, 700p. 
UNITED STATES DEPARTMENT OF INTERIOR – BUREAU OF RECLAMATION. Design of Small Dams. 4. 
Indian ed. New Delhi: SBS Publishers, 2014, 860p.
PIMENTA, C.F. Curso de Hidráulica Geral. 4. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1981, Vol. 1, 482p e 
Vol. 2, 436p.
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Usinas Hidrelétricas
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Usinas Hidrelétricas - Tópicos
• PCH, UHE e AHE
• Estruturas principais
– Barragem
– Vertedouro
– Circuito hidráulico de geração
– Casa de força
• Turbinas e geradores
• Equipamentos auxiliares eletromecânicos
– Subestação
– Linha de transmissão
– Desvio do rio
• Arranjo geral
– Fatores condicionantes na escolha do arranjo e das estruturas
– Análise de casos
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Usinas Hidrelétricas
• PCH: Pequena Central Hidrelétrica
– Menor ou igual a 30 MW de potência instalada
– Reservatório menor ou igual a 3 km²
– Reservatório entre 3 km² e 13 km², sujeito a avaliação da relação 
queda, potência e área
– Vantagens/benefícios econômicos
• Gerador não paga a transmissão
• Pode vender para consumidor livre com demanda entre 1MW e 3MW
• Isenção de alguns impostos
• Crédito de carbono
• UHE: Usina Hidrelétrica
– Acima de 30 MW de potência instalada; e/ou
– Reservatório maior que 13 km²
– Uso principal apenas para geração de energia
• AHE: Aproveitamento Hidrelétrico
– Igual a UHE, mas tem outros usos significativos
– Diferença semântica
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais
• Barragens
– Finalidades:
• Fechamento transversal do rio
• Elevação do NA natural do rio (formação de reservatório)
– Tipos:
• Solo (terra)
• Enrocamento com núcleo
– Argiloso
– Asfalto
– Concreto
• Enrocamento com face de concreto
• Concreto (convencional ou CCR)
– Em arco
– Gravidade
• Mista (combinação de mais de um tipo)
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Usinas Hidrelétricas
Barragem de Enrocamento com Núcleo Argiloso
 
Pré Ensecadeira Ensecadeira de montante 
Barragem principal: 
Enrocamento com núcleo argiloso 
Ensecadeira de jusante 
Barragem Pedra 
do Cavalo - BA
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Usinas Hidrelétricas
Barragem de Enrocamento com Face de Concreto
UHE Campos Novos
Fonte: CNEC Engenharia S. A.
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Usinas Hidrelétricas
Barragem de Enrocamento com Face de Concreto
UHE Campos Novos
Fonte: CNEC Engenharia S. A.
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Usinas Hidrelétricas
Barragem de Enrocamento com Face de Concreto
UHE Machadinho
Fonte: CNEC Engenharia S. A.
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Usinas Hidrelétricas
Barragem de Gravidade CCR
UHE Fundão
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Usinas Hidrelétricas
Barragem de Concreto em Arco
Hoover Dam - USA
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais
• Vertedouro
– Finalidades:
• Permitir o escoamento de água para a jusante do reservatório
• Controle da vazão do rio
• Impedir que a água passe por cima da barragem (galgamento)
• Segurança do empreendimento: 
– Geralmente dimensionado para a vazão decamilenar (tempo de recorrência de dez mil anos)
– Tipos:
• Soleira livre
– Vertimento ocorre quando o NA do reservatório supera a cota da soleira
– Não há controle de vazão
– Somente na superfície
– Necessariamente o NA do reservatório é variável
– Pode ser do tipo Creager, Tulipa ou outros
• Com dispositivo de controle de vazão
– Dispositivos de controle podem ser comportas ou válvulas
– Vertimento ocorre quando abre-se a comporta ou válvula
– Pode ser de superfície ou de fundo
– Não precisa que o NA do reservatório se eleve para verter
– Partes que o compõe
• Canal de aproximação
• Soleira vertente
• Dissipador de energia
• Canal de restituição
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Usinas Hidrelétricas
Vertedouro de Soleira Livre – Tulipa
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Usinas Hidrelétricas
Vertedouro de Soleira Livre – Tulipa
UHE Caconde
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Usinas Hidrelétricas
Vertedouro de Soleira Livre – Tulipa
UHE Caconde
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Usinas Hidrelétricas
Vertedouro com Comporta Segmento – de Superfície
El. 268,00
El. 244,40
El. 223,00
El. 210,00
El. 268,00El. 268,00
El. 244,40El. 244,40El. 244,40
El. 223,00El. 223,00
El. 210,00El. 210,00
UHE Foz do Chapecó
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008
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Usinas Hidrelétricas
Vertedouro com Comporta Segmento – de Superfície
UHE Foz do Chapecó
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008
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Usinas Hidrelétricas
Vertedouro com Comporta Segmento – de Superfície
UHE Itaipu
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Usinas Hidrelétricas
Vertedouro com Comporta Segmento – de Superfície
UHE Itaipu
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UHE Tucuruí
Fonte: Google Earth
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UHE Tucuruí
Fonte: Google Earth
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UHE Tucuruí
Fonte: Google Earth
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UHE Tucuruí
Fonte: Google Earth
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Usinas Hidrelétricas
Vertedouro de Fundo – Comporta Segmento
Estudo de barragem em arco
Vista de montante
Fonte: CNEC Engenharia S. A. 
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Usinas Hidrelétricas
Vertedouro de Fundo
Fonte: DAEE
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais
• Circuito Hidráulico de Geração
– Finalidades:
• Conduzir a água desde o reservatório até a restituição ao rio, 
passando pelas turbinas
• Permite a geração de energia
– Partes que o compõe
• Canal de aproximação
• Tomada d’água
• Túnel de adução
• Conduto forçado
• Caixa espiral
• Turbina
• Tubo de sucção
• Canal/túnel de fuga (restituição)
• Chaminé de equilíbrio
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Usinas Hidrelétricas
Circuito Hidráulico de Geração – UHE Salto Pilão
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008
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Usinas Hidrelétricas
Circuito Hidráulico de Geração – UHE Salto Pilão
CONDUTOS FORÇADOS
CHAMINÉ DE EQUILÍBRIO 
DE MONTANTE
TÚNEL DE ACESSO À 
CHAMINÉ DE 
EQUILÍBRIO JUSANTE
TÚNEL 
ADUTOR
TÚNEL DE ACESSO 
DE EQUIPAMENTOS
CHAMINÉ DE EQUILÍBRIO 
DE JUSANTE
TÚNEL DE FUGA
TÚNEL DE BARRAMENTOS 
E VENTILAÇÃO
POÇO DAS COMPORTAS
TÚNEL DE ACESSO À 
ABÓBADA DA CASA 
DE FORÇA
CASA DE FORÇA
INÍCIO DA 
BLINDAGEM
POÇO DE 
BARRAMENTOS 
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008
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Usinas Hidrelétricas
Circuito Hidráulico de Geração - UHE Serra do Facão
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008
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Condutos forçados
Itaipu Binacional
Fonte: Google Earth
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Conduto Forçado em Construção
UHE Machadinho
Fonte: CNEC Engenharia S. A.
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais
• Casa de força
– Finalidades:
• Geração de energia
– Tipos:
• Caverna
• Abrigada
– Partes que a compõem
• Turbina
– Pelton (queda alta → 200m a 2000m)
– Francis (queda média e alta → entre ~ 50m e ~ 700m)
– Kaplan (queda baixa e média → até ~ 50m)
– Bulbo (queda baixa → até ~ 20m)
• Gerador
– Eixo horizontal
– Eixo vertical
• Transformador
• Sala de comando
• Galeria mecânica
• Galeria elétrica
• Área de montagem (pontes rolantes)
• Sistemas auxiliares eletromecânicos
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais
• Casa de força
– Partes que o compõem
• Turbina
– Pelton (queda alta → 200m a 2000m)
– Francis (queda média e alta → entre ~ 50m e ~ 700m)
– Kaplan (queda baixa e média → até ~ 50m)
– Bulbo (queda baixa → até ~ 20m)
• Exemplos de UHEs
– Pelton: UHE Henry Borden 889MW 720m Rio das Pedras 
– Francis: UHE Itaipu 14.000MW 120m Rio Paraná
– Kaplan: UHE Jupiá 1.551MW 21m Rio Paraná
– Bulbo: UHE Jirau 3.750MW 15m Rio Madeira
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais 
Casa deForça UHE Funil
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais 
Casa de Força UHE Tucuruí
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Sala de Comando
Itaipu Binacional
Fonte: Google Earth
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais 
Turbinas
Kaplan
Pelton
Francis
Fonte: Geraldo Lúcio Tiago Filho – Estado da Arte das PCHs – UNIFEI
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais 
Esquema de uma Turbina Tipo Pelton
Fonte: Wikipédia
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais 
Esquema de uma Turbina Tipo Pelton
Fonte: Geraldo Lúcio Tiago Filho – Estado da Arte das PCHs – UNIFEI
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais 
Esquema de uma Turbina Tipo Pelton
Fonte: Wikipédia
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais 
Esquema de uma Turbina Tipo Francis
Fonte: Wikipédia
Gerador
Tubo de sucção
Pré-distribuidor
Caixa Espiral
Rotor Francis
Distribuidor
Eixo
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais 
Esquema de uma Turbina Tipo Francis
Fonte: USP – Introdução às máquinas hidráulicas
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais
Esquema de uma Turbina Tipo Francis
Fonte: Geraldo Lúcio Tiago Filho – Estado da Arte das PCHs – UNIFEI
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais 
Esquema de uma Turbina Tipo Kaplan
Fonte: Wikipédia
Gerador
Tubo de sucção
Rotor Kaplan
Eixo
Distribuidor
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais 
Esquema de uma Turbina Tipo Kaplan
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais 
Esquema de uma Turbina Tipo Bulbo
Tubo de sucção
Turbina Bulbo
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais 
Esquema de uma Turbina Tipo Bulbo
Fonte: Geraldo Lúcio Tiago Filho – Estado da Arte das PCHs – UNIFEI
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Usinas Hidrelétricas - Estruturas Principais
Esquema de uma Turbina Tipo Bulbo
Fonte: Geraldo Lúcio Tiago Filho – Estado da Arte das PCHs – UNIFEI
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Circuito Gerador
UHE Machadinho
Fonte: CNEC Engenharia S. A.
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Casa de Força
UHE Machadinho
Fonte: CNEC Engenharia S. A.
52
Circuitos de Geração
UHE Machadinho
Fonte: CNEC Engenharia S. A.
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Casa de Força
UHE Machadinho
Fonte: CNEC Engenharia S. A.
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais – Casa de Força
• Auxiliares eletromecânicos
– Sistemas de Esgotamento e Enchimento das Unidades
– Sistema de Drenagem
– Sistema de Água de Resfriamento
– Sistema de Água Potável
– Sistema de Esgoto Sanitário
– Sistema de Ventilação
– Sistema de Ar Condicionado
– Sistema Ar Comprimido de Serviço
– Sistema Separador Água/Óleo dos Transformadores
– Sistema de Óleo Lubrificante
– Sistema de Água de Proteção Contra Incêndio
– Sistema de Medições Hidráulicas
– Sistema de CO2 de Proteção Contra-Incêndio na Sala de Óleo Lubrificante
– Sistema de CO2 de Proteção Contra-Incêndio da Sala de Controle da Usina
– Sistema de Detecção Automática e Alarme de Incêndio da Casa de Força
– Sistema de iluminação
– Sistema de iluminação de emergência
– Gerador de emergência
– Sistema de telecomunicações
– Sistema de supervisão e controle
– Sistema de medição e faturamento
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais
• Subestação
– Finalidade: 
• Aumento do nível de tensão para níveis de transmissão mais 
elevados e, consequentemente, mais econômicos
• Manobras para chaveamento de linhas de transmissão
– Tipos:
• De instalação
– A céu aberto
– Em interiores
– Blindada
• De operação
– Automática
– Semi-automática
– Manual
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais – Subestação
Blindada
Em interiores
A céu aberto
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais
• Linha de transmissão (LT)
– Finalidade: 
• Transportar a energia gerada 
até a subestação de 
interligação com o sistema
• Evitar perdas
– Tipos:
• Corrente contínua
– Grandes distâncias
• Corrente alternada
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais
• Desvio do rio
– Finalidade:
• Ensecar, proteger e garantir condições de trabalho na praça de 
construção da obra
• Controlar o rio durante a construção de um aproveitamento
• São em geral obras provisórias
• Divide a construção em fases
• Tem um risco associado ao dimensionamento das estruturas
– Tipos:
• Quanto à estrutura principal de desvio
• Quanto à possibilidade de reaproveitamento posterior de algumas 
estruturas:
– Simples: exclusivamente para desvio
– Múltipla: para utilização posterior como ensecadeiras incorporadas à 
barragem e túneis ou galerias utilizadas como extravasor (tulipa)
• Quanto ao tipo de condução do escoamento:
– Escoamento livre
– Escoamento forçado
• Quanto ao número de fases
– Uma fase de desvio
– Múltiplas fases de desvio
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais
• Desvio do rio
– Estruturas usualmente utilizadas:
• Ensecadeiras
– De enrocamento e terra
– Com cortina impermeável
– Galgável
– Incorporada
– Celular
• Túneis
• Canais de desvio
• Estreitamento do leito natural do rio
• Galerias
• Vertedor com soleira rebaixada
• Desvio pelo circuito hidráulico de geração
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais – Desvio do Rio
• 1- Barragem
• 2- Túnel
• 3 - Ensecadeira de montante
• 4 - Ensecadeira de jusante
Esquema com uma fase de desvio
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais – Desvio do Rio
Esquema com duas fases de desvio
• Fase 1
1 - área ensecada de 1ª Fase
2 - ensecadeira de 1ª Fase
3 - desvio de 1ª Fase, pelo leito do rio
• Fase 2
4- área ensecada de 2ª Fase
5 - ensecadeira de 2ª Fase
6 - desvio de 2ª Fase, pela estrutura 
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais – Desvio do Rio
 
Leito do Rio 
Leito do Rio Canal de Aproximação Emboque 
Canal de Restituição 
Desemboque 
Ensecadeira de Jusante 
(Incorporada) 
Ensecadeira de Montante 
Área Ensecada 
UHE Barra GrandeFonte: CNEC Engenharia S. A. 
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Usinas Hidrelétricas
Estruturas Principais – Desvio do Rio
2ª Fase da UHE Baguari1ª Fase da UHE Baguari
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Usinas Hidrelétricas
Arranjo Geral
• Condicionantes na escolha do arranjo e das estruturas
– Aspectos físicos:
• Topografia
• Geologia (fundação, material de construção)
• Regime hidrológico e hidráulico
• Localização
– Aspectos técnicos:
• Métodos e materiais construtivos
• Domínio da tecnologia
• Experiência da projetista e da construtora
• Cronograma da obra
• Reaproveitamento de equipamentos e estruturas de obras anteriores
• Impacto sócio-ambiental
– Aspectos financeiros:
• Custo das Obras
• Análise de casos
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Usinas Hidrelétricas – Arranjo Geral
UHE Serra do Facão
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008
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EMBOQUE
ENSECADEIRA 
DE JUSANTE
SUBESTAÇÃO
BACIA DE 
DISSIPAÇÃO
BARRAGEM DE 
ENROCAMENTO 
ME
CASA DE 
FORÇA
VERTEDOURO
BARRAGEM DE 
ENROCAMENTO 
MD
ENSECADEIRA 
DE MONTANTE
TOMADA 
D'água
BARRAGEM DE 
CCR
DESEMBOQUE
TÚNEL DE 
DESVIO
Usinas Hidrelétricas – Arranjo Geral
UHE Serra do Facão
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008
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Usinas Hidrelétricas – Arranjo Geral
UHE Foz do Chapecó
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008
68
Usinas Hidrelétricas – Arranjo Geral
UHE Foz do Chapecó
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008
69
VERTEDOURO
BARRAGEM 
PRINCIPAL
TÚNEIS E CANAL 
DE ADUÇÃO
CANAL DE FUGA
CASA DE FORÇA
TOMADA DÁGUA
SUBESTAÇÃO
NA MÁXIMO 
NORMAL: 265,00M
BARRAGEM DE 
FECHAMENTO
Usinas Hidrelétricas – Arranjo Geral
UHE Foz do Chapecó
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008
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Obras UHE Foz do Chapecó
Fonte: Google Earth
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Usinas Hidrelétricas – Arranjo Geral
UHE Salto Pilão
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008
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Usinas Hidrelétricas – Arranjo Geral
UHE Salto Pilão
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008
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Eclusa
Barragem 
Principal 
(CCR)
Subestação Ensecadeira 
de jusante
Ensecadeira 
de montante
Casa de 
força
Vertedouro
Escada 
de peixe
Usinas Hidrelétricas – Arranjo Geral
UHE Estreito
Fonte: CNEC Engenharia S. A. – 2008