Apresentação do PowerPoint - Instituto Superior de Agronomia

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UC Engª Água ZR / 2º ciclo de Eng Ambiente
M ª Rosário Cameira /Departamento de Engª Biossistemas
Bacias de dissipação de energia
Engª da Água em
Zonas Rurais
BACIAS DE DISSIPAÇÃO DE ENERGIA_Parte A
 Considerações gerais
 Bacias de dissipação por ressalto hidráulico.
• Tipos
• Dimensionamento
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Bacias de dissipação de energia
 Considerações gerais
Porque é necessário dissipar a energia dos escoamentos
•
excesso de energia dos escoamentos;
• obras onde ocorra a dissipação da energia;
• restituição dos caudais feita em condições que se
aproximam das naturais.
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Bacias de dissipação de energia
Como se processa a dissipação da energia do escoamento
dissipação de energia em
excesso nos escoamentos
num curto desenvolvimento
requer
ocorrência de
escoamentos com elevada
intensidade de turbulência
atrito interno e com as fronteiras
Energia
mecânica
da água
Energia de
turbulência
Calor
As estruturas de dissipação são, pelo exposto, colocadas a jusante de canais,
descarregadores, quedas, etc.
São dimensionadas de modo a:
 desencadearem a ocorrência de um ressalto hidráulico, dissipador de energia;
 criarem um caudal de restituição (“tailwater”) com velocidade igual à do canal
receptor a jusante.
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Bacias de dissipação de energia
O ressalto hidráulico, que ocorre na
transição do regime rápido para o
regime lento, é um escoamento
rapidamente variado, com elevada
intensidade
de
turbulência
e,
consequentemente, com significativa
dissipação de energia.
Outros escoamentos macro turbulentos frequentemente utilizados como meio
de dissipação de energia:
 formação de vórtices de eixo horizontal;
 existência de macro rugosidades nos canais;
 penetração de jactos em colchões de água;
 impacto de jactos em fronteiras sólidas;
 cruzamento de jactos;
 queda livre
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Bacias de dissipação de energia
 Tipos de estruturas mais frequentemente adoptadas para dissipação
da energia dos escoamentos:
Bacias de dissipação por ressalto hidráulico;
Bacias de dissipação por “roller”;
Bacias de dissipação de impacto;
Macrorugosidades
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Bacias de dissipação de energia
 1. BACIAS DE DISSIPAÇÃO POR RESSALTO HIDRÁULICO
Canal de
restituição
So
h0
SM
Canal de
acesso
h3
h1
Z0
h2
SJ
LM
Z1
LB
Z2
Z3
LJ
L
6
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Bacias de dissipação de energia
Condições de dimensionamento das bacias de dissipação por ressalto:
• características do escoamento à entrada da bacia (h1, v1 e FR1) e
• características do escoamento no curso de água na secção de restituição (h3,
V3 e FR3) . (ver esquema)
O dimensionamento das bacias de dissipação de energia por ressalto implica a
determinação dos seguintes parâmetros:

características geométricas da bacia: comprimento, largura e dimensões dos
acessórios que se pretenda introduzir com o objectivo de reduzir o
comprimento do ressalto hidráulico, de promover a fixação do ressalto
hidráulico dentro da bacia ou de evitar as escavações imediatamente a
jusante da bacia de dissipação;


cota da soleira da bacia de dissipação;
localização da secção de montante da bacia de dissipação.
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Bacias de dissipação de energia
 Dimensionamento das bacias de dissipação
Objectivos do dimensionamento:
 Obter uma estrutura que contenha o ressalto hidráulico;
 Estabilizar o ressalto para controlo do escoamento a jusante;
 Minimizar o comprimento da bacia.
W0
So
WM = B
WJ
h0
SM
h3
h1
Z0
h2
SJ
LM
Z1
LB
Z2
Z3
LJ
L
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Bacias de dissipação de energia
Escolha do tipo de bacia de dissipação por ressalto hidráulico
 Refere-se
à opção por um dos diversos tipos de bacias de dimensões
normalizadas propostas por alguns organismos de investigação;

Destaca-se o USBR (1987), que propõe três tipos de bacia de dissipação em
função do número de Froude na secção de montante da bacia.
 De entre as diversas bacias passíveis de ser aplicadas, deve escolher-se a
que tiver menores dimensões.
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Bacias de dissipação de energia
Às três referidas, junta-se a mais simples, Tipo I:
A) Bacia de planta rectangular e fundo horizontal, Tipo I (USBR)
Devem ter as dimensões necessárias para
confinar o ressalto formado para o caudal de
dimensionamento, sem nenhuma estrutura
adicional.
Condições de utilização
 quedas superiores a 60 m e
 caudais por unidade de largura < 45 m2/s
Geralmente não é uma estrutura prática devido ao seu comprimento
excessivo (uma vez que não tem estruturas adicionais);
Para ajudar a fixação do ressalto e diminuir o comprimento da bacia,
utilizam-se diversos dispositivos (originam as bacias do tipo II, III e IV).
O seu dimensionamento fornece a base para o calculo dos restantes tipos
de bacias.
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Bacias de dissipação de energia
Procedimento geral para todos os tipos de bacias (baseado nas bacias do
tipo I)
 Passo 1- Determinar condições hidráulicas na saída do canal de acesso:
q0, h0, v0, FR0
QAkR
v
FR 
2
3
j 0 .5
[como o regime é rápido (comandado por montante), h0 = hu,
podemos considerar j = so]
Q
A
Canal de
restituição
v
gh
Canal de
acesso
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Bacias de dissipação de energia
 Passo 2 - Determinar condições
hidráulicas no canal de recepção:
v3, hu3 Fr3
 Passo 3 – Estimar a altura conjugada de h0, para verificar a necessidade de
bacia por comparação com h3 (ou hTW)
h0 *  C
h0
2
se h0 *  h3
 1  8 F  1
2
r0
C é a relação entre as alturas a montante e a
jusante (tailwater)
Sem bacia o ressalto formar-se-ia no canal de recepção , o
que é indesejável => é necessária uma BDE que acomode o
ressalto
 Passo 4
1ª tentativa de cálculo da cota da
soleira da bacia (Z1),
 da largura da bacia (WB),
 dos declives de montante (SM) e
de jusante (SJ).
 determinação das condições à
entrada da bacia q1, h1, v1, FR1.
 seleccionar o tipo de bacia com
base no nº Froude, Fr1.
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Bacias de dissipação de energia
 Determinar a cota da soleira da bacia (Z1), de modo a acomodar a altura
conjugada do ressalto (h’0). É aconselhável utilizar um factor de segurança de 5 %
aplicado à TW
h0 *  h3  Z  Z1  Z0  Z
 Escolher largura da bacia, WB e declives dos taludes SM e SJ (começa por se
atribuir valores típicos, WB = WC e SM e SJ = 0.5)
 Calcular o comprimento da transição, LM:
LM 
Z0  Z1
SM
 Verificar se a largura atribuída à bacia é aceitável
se
WB  W0 
2 LM
SM2  1
3 FR 0
Então WB OK
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Bacias de dissipação de energia
 Determinar condições à entrada da bacia, h1, v1, FR1
Para o cálculo da velocidade e de altura de escoamento à entrada da bacia, é
necessário aplicar a equação da energia e da continuidade entre o troço final do
canal de acesso e a secção inicial da bacia

Q  h1 WB 2g ( Z0  Z1  h0  h1 )  v02

1
2
Resolver iterativamente no excel
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Bacias de dissipação de energia
 Passo 5
• Calcular a altura conjugada do ressalto (h*1) – será o h2 da Figura
h1 *  C
h1
2
 1  8 F  1
2
r1
• Calcular o comprimento da bacia
(LB), a partir da Figura;
 Calcular o comprimento a jusante, LJ
LJ 
LM( SM  S0 )  LBS0
S J  S0
Sendo So o declive do canal de acesso
 Determinar o desnível para o canal de recepção a jusante
Z3  LJ SJ  Z1
• Verificar se há tailwater suficiente para forçar o ressalto na bacia a montante,
comparando (h2 + Z2) com (h3 + Z3).
Se (h2 + Z2) < (h3 + Z3) => há ressalto na BDE e seguimos para o próximo passo
Se (h2 + Z2) > (h3 + Z3) => o ressalto sai da BDE=> voltamos ao passo 4 e
alteramos diminuímos a cota da soleira, Z1
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Bacias de dissipação de energia
Passo 6- Determinar o raio da curvatura (m) para a
mudança de declives entre o descarregador e a bacia
r
h0
 1F.25

 e R  1




Passo 7- Dimensionar os elementos adicionais, específicos para cada tipo de
bacia
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Bacias de dissipação de energia
Exemplo: Dimensionar uma bacia de dissipação por ressalto livre, para as
seguintes condições
Canal de acesso:
Q = 11.8 m3 s-1;
b = 3 m;
K = 67 m1/3 s-1;
S0 = 6.5 %
Z0 = 30.5 m
Canal de restituição:
b = 3.10 m;
s = 1:2 (V:H);
K = 33 m1/3 s-1;
S0 = 0.35 %
Passo 1: q0 = 3.93 m2 s-1; hu0 = 0.46 m; Fro = 4.02; v0 = 8.53 m s-1
Passo 2: hu3 = 1.25 m; Fr3 = 0.48; v3 = 1.69 m s-1
Passo 3: h*o = 2.61 > hu3 = 1.25 m => é necessária a construção da bacia
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Bacias de dissipação de energia
Passo 4:
Z1 = Z0 – (2.61 – 1.25) = 29.14 m
Assumir WB = b = 3 m
Assumir SM e SJ = 0.5 m m-1
Calcular LM = 2.72 m
Verificar WB
h1 = 0.39 m , v1= 9.8 m s-1 Fr1 = 5.1
Passo 5:
h*1 = 2.82 m
Ábaco=> LB = 16.36 m
LJ = 0.21 m
Z3 = 29.25 m
2.82 + 29.14 > 1.25 + 29.25 => voltar ao passo 4 e diminuir z1
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Bacias de dissipação de energia
B) Bacia com blocos de queda e soleira dentada, Tipo II (USBR)
Foi desenvolvida para utilização em descarregadores de grande queda e
canais de grande largura;
Condições de aplicação:
 FR > 4.5
 quedas superiores a 65 m e
 caudais unitários > 45 m2 s-1
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Bacias de dissipação de energia
Acessórios utilizados:
 blocos de queda;
 soleira de estabilização dentada
Consegue reduzir-se para 70%, o comprimento, em relação ao de uma bacia
simples, do tipo I;
Blocos de queda
Soleira dentada
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Bacias de dissipação de energia
Procedimento para bacias tipo II USBR
 Passos 1 a 4 e 6 são iguais ao caso das bacias de ressalto livre (Tipo I)
 Passo 5: no ábaco escolher a curva relativa à bacia do tipo II => menor
comprimento
 Passo 5: A altura de
jusante deve ser igual à
altura
conjugada
do
ressalto (h1*) podendo
atribuir-se um factor de
segurança de 0.5 %


h1
1  8 Fr21  1
2
C = 1 ou 1.5
h1'  C
 Passo 7: Dimensionar elementos adicionais
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Bacias de dissipação de energia
Os acessórios das bacias contribuem para:
 aumentar a capacidade de fixação do ressalto:
 reduzir a submersão em relação ao valor requerido numa bacia sem
acessórios (em alguns casos).
Como actuam:
Blocos de
queda
Soleira
dentada
 dividem a lâmina líquida em jactos diferenciados , sendo
desviados do fundo os que passam sobre os blocos;
 cria-se um grande número de turbilhões dissipadores de
energia, permitindo diminuir a tendência para o ressalto
se deslocar para jusante.
 no extremo de jusante cria turbilhões que tendem a
estabilizar o fundo a jusante, ainda que construído por
elementos móveis.
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Bacias de dissipação de energia
Soleira dentada:
• Altura = 0.2 x h2;
• Espaçamento máximo = 0.15 x h2;
• Espessura = 0.002 x h2;
• Para bacias estreitas, a largura e
espaçamento podem ser reduzidas mas
devem ser iguais.
Blocos de queda:
• nº de blocos, Nbq;
• Largura dos blocos, Wbq;
• Espessura dos blocos, Ebq;
• Altura dos blocos, hbq;
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23
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Bacias de dissipação de energia
Altura dos blocos de queda, hbq, deve ser igual a h1. Se h1 for menor do que
0.2 m, então hbq = 0.2 m.
Nbq 
WB
2 h1
W1bq  W2bq 
Sendo Nbq o nº de blocos de queda, WB a largura da bacia e
h1 a altura de escoamento à entrada da bacia
WB
2 Nbq
Sendo W1bq a largura dos blocos, W2bq o espaçamento entre
blocos
 As equações calculam N blocos e N-1 espaços entre blocos;
 A largura de bacia que sobrar deve ser dividida igualmente pelos dois
espaços entre os blocos e as paredes laterais da bacia;
 A largura dos blocos pode ser reduzida, desde que W1 = W2
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24
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Bacias de dissipação de energia
C) Bacia com blocos de queda, blocos de amortecimento e soleira
terminal contínua, Tipo III USBR
desenvolvida para utilização em pequenos descarregadores e canais de
pequena largura (bacias curtas a jusante de estruturas que transportem caudais
relativamente baixos, com velocidades moderadas)
Condições de aplicação:
Blocos de
 FR > 4.5
queda
 caudais unitários < 18 m2 s-1
Blocos de impacto
Soleira terminal
 velocidades moderadas, 15- 18 m s-1.
Acessórios utilizados:
 blocos de queda;
 blocos de impacto;
 soleira de
estabilização lisa
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Bacias de dissipação de energia
Procedimento para bacias tipo III USBR
 Passos 1 a 4 e 6 são iguais ao caso das bacias de ressalto livre (Tipo I)
 Passo 5: no ábaco escolher a curva relativa à bacia do tipo III
 Passo 5: No cálculo da altura conjugada deve usar-se C=1.0. (o mesmo que
para o ressalto livre), embora no mínimo possa utilizar-se um C=0.85 ;


h1
1  8 Fr21  1
2
C = 1 ou 0.85
h1'  C
 Passo 7: Dimensionar elementos adicionais
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Bacias de dissipação de energia
Blocos de
impacto
Soleira
contínua
 recebem o impacto do escoamento criando grandes
turbilhões que dissipam energia;
Ocorrem grandes flutuações de pressão que podem
provocar cavitação e erosão dos blocos.
 dirige as correntes para cima afastando-as do fundo
à saída da bacia.
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Bacias de dissipação de energia
Blocos de impacto:
 A altura dos blocos de impacto, hbi é calculada como:
Blocos de impacto
hbi  h1 (0.168 Fr1  0.58)
 A espessura de topo dos blocos de impacto deve ser de
0.2h3, sendo o declive da face de jusante de 1:1;
 O nº de blocos de impacto, Nbi, é dado por:
Nbi 
WB
1.5 hbi
 A largura , W3bi e o espaçamento, W4bi dos blocos de
impacto são dados por:
WB
W3  W4 
2 Nbi
 A distância entre os blocos de impacto e os blocos de
queda deve ser = 0.8 h2
Soleira contínua
Soleira contínua:
 A altura da soleira contínua de jusante, hsc é calculada como:
 O declive da face de montante da soleira deve ser de
0.5:1 (V:H) => calcular comprimento da soleira.
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Bacias de dissipação de energia
 As equações fornecem Ni blocos de impacto e Ni-1 espaçamentos entre eles.
 O espaço que sobra é dividido igualmente pelos espaços entre os blocos das
extremidade e as paredes laterais.
 A largura e o espaçamento podem ser reduzidos para estruturas mais
estreitas, desde que na mesma quantidade.
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29
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Bacias de dissipação de energia
d) Bacia com deflectores e soleira terminal contínua, Tipo IV USBR
Desenvolvida para canais, ou outro tipo de estrutura de aproximação para os
quais o nº de Froude é relativamente baixo.
Condições de aplicação:
 Adequadas para o ressalto oscilante,
 2.5 > FR < 4.5
 quedas < 15 m
A sua eficiência para esta gama de baixos Fr, reside
no efeito dos deflectores, que atenuam
significativamente as ondulações
O comprimento a dar à estrutura é igual ao definido para a rectangular
simples (ressalto livre)
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Bacias de dissipação de energia
Procedimento para bacias tipo IV USBR
 Passos 1 a 4 e 6 são iguais ao caso das bacias de ressalto livre (Tipo I)
 Passo 5: no ábaco escolher a curva relativa à bacia do tipo IV ≈ Tipo I
 Passo 5: No cálculo da altura conjugada deve usar-se obrigatoriamente
C=1.1, ou seja a altura de jusante deve ser 10 % superior à altura conjugada.
h1'  C
h1
2
 1 8 F  1
2
r1
C = 1.1
 Passo 7: Dimensionar elementos adicionais (ver procedimento para
bacias II e III)
a altura dos blocos de queda deve ser 2h1;
a face de jusante dos blocos de queda deve ser inclinada a 5º.
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Bacias de dissipação de energia
Blocos de queda
Nbq 
 nº de blocos de queda, Nbq
W2  2.5 W1
WB
2.625 h1
(A largura dos blocos deve ser menor ou
igual que h1)
 As equações calculam N blocos e N-1
espaços entre os blocos;
 A largura de bacia que sobrar deve
ser dividida igualmente pelos dois
espaços entre os blocos e as
paredes laterais da bacia;
Blocos de queda
Soleira
contínua
Soleira contínua:
 A altura da soleira contínua de jusante,
hsc é calculada como:
 O declive da face de montante da soleira deve ser de 0.5:1 (V:H) => calcular
comprimento da soleira.
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Bacias de dissipação de energia
 Expansão e depressão à entrada da bacia de dissipação
 Quanto maior for o n Froude à entrada da bacias, mais eficiente será o
ressalto hidráulico e menor comprimento de bacia será necessário;
 Para aumentar o nº Fr à medida que a água escoa para a bacia, são
usadas expansões e depressões;
 Estas convertem energia potencial em energia cinética ao permitirem que
o escoamento expanda , caia ou ambos;
 Como resultado a altura de escoamento diminui e a velocidade aumenta,
aumentando o Fr.
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Bacias de dissipação de energia
No relatório do trabalho prático nº 2, secção de resultados, os alunos devem
apresentar:
A) Esquema de dimensionamento em corte longitudinal, com apresentação das
dimensões da bacia e das alturas de escoamento nas 4 secções de interesse.
Exemplo: Esquema de dimensionamento em corte longitudinal para uma
bacia Tipo III (em papel milimétrico e à escala)
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Bacias de dissipação de energia
B) Esquema de dimensionamento em perspectiva, com apresentação das
dimensões da bacia e dos elementos adicionais
Exemplo: Esquema de dimensionamento em perspectiva para uma bacia
Tipo II (em papel milimétrico e à escala)
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Bacias de dissipação de energia
C) Quadros resumo com os dados
do problema e as variáveis de
dimensionamento calculadas
Quadro 2 - Dimensões da bacia de
dissipação do Tipo__
Declives (m m-1):
Canal de acesso
Quadro 1 - Condições hidráulicas
h
(m)
v
(m s-1)
Fr
Secção 0
q0
(m2 s-1)
Canal de restituição
Bacia a montante
Bacia a jusante
Comprimentos (m):
Secção 1
Bacia a jusante
Fundo da bacia
Secção 2
Bacia a jusante
Secção 3
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Bacias de dissipação de energia
Quadro 3 - Dimensões dos elementos adicionais (m)
Blocos de queda
Largura
Espaçamento
Altura
Comprimento
Distância às paredes laterais
Blocos de impacto
Largura
Espaçamento
Altura
Comprimento
Distância às paredes laterais
Distância aos blocos de queda
Soleira dentada/contínua
Altura
Comprimento
Inclinação
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Bacias de dissipação de energia
Aspectos complementares do dimensionamento
− Altura dos muros
Os muros da bacia de dissipação de energia devem apresentar coroamento
horizontal com uma folga relativamente ao nível de jusante que, segundo
BUREC (1987) deve ser f = 0,1(V1 + h2 ) , com f [m]; V1 [m/s]; h2 [m] (2)
− Escavação a jusante e muros-ala
Considera-se adequado prever uma plataforma horizontal a jusante da bacia
de dissipação de energia por ressalto, cuja concordância com o terreno
envolvente se efectuará mediante rampas de escavação com declive não
acentuado, adequado às respectivas características geotécnicas.
Caso se julgue necessário para
protecção do terreno ou estruturas a
montante da secção de restituição
contra a turbulência do escoamento,
poder-se-ão prever muros-ala que
ligarão as paredes da bacia ao
terreno ou estruturas existentes. Na
Figura 3 apresenta-se uma vista dos
muros-ala da bacia de dissipação da
barragem do Beliche.
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Bacias de dissipação de energia
− Enrocamentos de protecção:
No caso da bacia se localizar em terrenos susceptíveis de sofrerem erosões
inaceitáveis no decurso do normal funcionamento deste órgão, deve prever-se
a jusante da bacia um revestimento com enrocamento de protecção com
dimensão adequada à velocidade média do escoamento à saída da bacia e
tendo em consideração a elevada turbulência residual que este escoamento
ainda possui.
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Bacias de dissipação de energia
Algumas considerações para a escolha de Bacias de Dissipação





A bacia de dissipação do tipo IV é a que apresenta menor comprimento,
seguida pela do tipo III e, finalmente, pela do tipo II.
A preferência pelas bacias do tipo III e IV é, assim, evidente.
Salienta-se que a bacia do tipo IV se utiliza para 2,5<Fr1<4,5, enquanto as
restantes se utilizam para Fr1≥4,5.
No que se refere à velocidade e ao caudal específico, são também
apresentados valores limite, que não devem ser excedidos sem que se
proceda a ensaios em modelo físico.
Tendo em atenção os baixos números de Froude para que se utiliza a bacia
do tipo IV, esta não apresenta grande eficiência na dissipação de energia,
pelo que a opção pela sua utilização deve ser precedida de análise
comparativa de dispositivos de dissipação de energia alternativos que
permitam soluções mais compactas e mais económicas e com maior
eficiência na dissipação de energia.
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UC Engª Água ZR / 2º ciclo de Eng Ambiente
M ª Rosário Cameira /Departamento de Engª Biossistemas
Bacias de dissipação de energia
 A bacia do tipo III necessita de uma altura de água sobre a soleira de apenas
0.8h2 para que o ressalto se mantenha no seu interior, enquanto que a bacia
do tipo II necessita de 0.95h2;.
 Peterka (1978) refere ser aconselhável considerar alturas de água sobre estas
bacias de 1.1h2 e 0.9h2 para as bacias do tipo II e III, - medida cautelar em
relação à incerteza com que habitualmente se conhece o nível na secção de
restituição para o caudal de dimensionamento da obra
 Para a bacia do tipo IV, recomenda-se uma altura de água h2. BUREC (1987)
refere que não foram efectuados testes relativos à erosão a jusante da bacia
do tipo IV e ao carregamento do material para dentro da bacia, pelo que, no
caso de não serem efectuados ensaios hidráulicos que permitam estudar este
fenómeno, se devem tomar precauções para evitar tal erosão.
Bibliografia:
Pinheiro, A.N. 2006. Estruturas hidráulicas: obras de dissipação de energia. Instituto
Superior Técnico, Departamento de Engº Civil/secção de Hidráulica
Hydraulic Design of Energy Dissipators for Culverts and Channels.Publication No FHWA-NHI-06086, U.S. Department of Transportation. , July 2006.
Lencastre, A. 1996. Hidráulica Geral. Lisboa
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