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ÍNDICE 1.
INTRODUÇÃO
2
2.
OBJETIVO
2
3.
REFERÊNCIAS BÁSICAS
3
4.
CRITÉRIOS BÁSICOS
3
5.
CÁLCULOS
7
6.
INTERPRETAÇÃO E CONCLUSÃO DOS RESULTADOS
13
7.
RECOMENDAÇÕES
13
8.
ANEXOS
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1
1. Introdução O projeto de construção de uma barragem possui extrema complexidade e envolve muitos interesses. Abastecimento populacional, irrigação, controle de cheias, lazer, geração de energia, entre outros, são fatores que isolados, ou conjuntamente, levam à construção de uma barragem. Sejam de concreto, de terra ou enrocamento, as barragens sempre têm de cumprir seu papel, atendendo às exigências a que forem demandadas.
2. Objetivo Este trabalho tem como objetivo o dimensionamento hidráulico de uma barragem no rio Paraíba do Sul, na cidade de São José dos Campos, com projeção para o ano de 2025 com o tempo de retorno de 25 e 50 anos.
Esta barragem irá suprir a demanda da zona norte e oeste da cidade, cobrindo por volta de 400mil habitantes e uma área para irrigação para hortaliças junto à barragem. Deverá também controlar as cheias desta região e proteger um centro tecnológico.
2
3. Referências Básicas Foi tomado como base para a realização deste trabalho, as notas de aula e a apostila da matéria PHD2413 – Contruções Hidráulicas.
4. Critérios Básicos O estudo de demanda teve como resultado um consumo de 217 l/hab.dia e para a irrigação, um consumo de 0,174l/s.ano para uma área de 500 ha.
O rio apresenta três seções diferentes ao longo do seu percurso na zona urbana com revestimentos de concreto (n=0,017), gabião (n=0,028) e asfalto (n=0,017). Os croquis do rio, suas seções e suas características são mostrados a seguir (com medidas em metros):
Croqui do sistema rio – barragem – cidade
3
4
O esquema mostra dois afluentes desaguando no rio. Suas vazões são mostradas no quadro abaixo:
TR (anos)
AF1
AF2
25
5
40
50
10
60
500
25
85
Após visita em campo, foi averiguada a existência de um pólo tecnológico, onde a enchente deve ser evitada ao máximo devido ao enorme prejuízo caso isto ocorra.
A área da bacia é 170 km² e o comprimento do talvegue é 34 km. Para o cálulo dos hidrogramas das cheias foram utilizados os seguintes dados: •
Tempo de concentração: 9,4 horas;
•
Duração da chuva: 24 horas
•
Número da curva do solo: 60
Os hidrogramas das cheias são mostrados a seguir: •
Para tempo de retorno igual a 10 anos TR=10 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
t (hrs)
5
•
Tempo de retorno igual a 25 anos: TR=25 140 120 100 80 60 40 20 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
30
35
40
30
35
40
-20 t(hrs)
•
Tempo de retorno igual a 50 anos: TR=50 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20
0
5
10
15
20
25
t(hrs)
•
Tempo de retorno igual a 100 anos: TR=100 250
200
150
100
50
0 0
5
10
15
20
25
-50 t(hrs)
6
•
Tempo de retorno igual a 500 anos: TR=500 600 500 400 300 200 100 0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
-100 t(hrs)
5. Cálculos •
Cálculos das capacidades de cada trecho:
Trecho DE
Trecho CD n25
0,024
n
0,017
n50
0,025
Area (S25)
42,300
Area (S25)
46,080
Area (S50)
47,000
Area (S50)
53,600
Pmolhado,25
18,400
Pmolhado,25
20,380
Pmolhado,50
19,400
Pmolhado,50
21,822
Rh25
2,299
Rh25
2,261
Rh50
2,423
Rh50
2,456
I
0,003
I
0,002
Q25
237,393
Q25
146,069
Q50
273,154
Q50
177,701
7
Trecho EF
Trecho EF n25
0,023
n'
0,017
n50
0,023
n''
0,024
Area (S25)
46,800
Area (S')
21,000
Area (S50)
53,600
Area (S'')
71,500
Pmolhado,25
19,582
Pmolhado'
22,000
Pmolhado,50
20,714
Pmolhado''
22,128
Rh25
2,390
Rh'500
0,955
Rh50 I
2,588 0,004
Rh''500 I
3,231 0,004
Q25
229,509
Q'500
75,741
Q50
273,798
Q''500
417,945
Q500
493,686
Onde 1
1 Q = * Rh 6 * S * Rh * I n 2
3 3 ⎡ ⎤ 2 ( ) P n ∑ i i ⎢ ⎥ nE = ⎢ ⎥ Pm ⎢⎣ ⎥⎦
Todos os trechos foram calculados para os períodos de retorno Tr=25 e Tr=50. No primeiro caso, a capacidade do canal foi calculada de forma a considerar-se uma borda livre de 10% da profundidade do canal na seção. Já no segundo foi considerada inundação total da seção do canal.
Devido à existência do centro tecnológico no trecho EF, o trecho foi calculado com capacidade total para o tempo de retorno de 500 anos, para sua proteção. Ou seja, a probabilidade de uma enchente igual ou superior ocorre em um ano qualquer é de 1/500 neste trecho. Nessa enchente, a inundação da pista marginal ocorreria, mas como a prioridade de proteção é do centro tecnológico, dado o risco de eventual contaminação, o período de Retorno de 500 anos tornouse o mais adequado.
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Considerando as vazões dos afluentes, temos:
trecho CD
trecho EF
Q25
232,393
141,069
184,509
Q50
263,154
167,701
203,798
Q500
•
trecho DE
-
-
383,686
Cálculo dos volumes e cotas da barragem:
A seguir, os cálculos efetuados. Perfil da barragem apresentado em anexo: ¾ (1) Volume Morto e Cota
Para o cálculo do volume morto, isto é, o volume disponível para acúmulo de sedimentos, utilizamos os seguintes dados:
o
Área da bacia: 170km²
o
Vida útil: 100 anos
o
Taxa de transporte: 100 m³/km².ano
Portanto o volume morto será: (área da bacia)x(taxa de transporte) = 1,7x106 m³.
Para calcularmos a cota que o volume morto atingirá, devemos utilizar o gráfico cota x área x volume, que está representada pelas seguintes equações:
o
Cota = 705 + 2.10-6.(volume), para cota ≤ 715m
(1)
o
Cota = 700 + 3.10-6.(volume) , para cota > 715m
(2)
Sabendo que a cota inicial da barragem é 705m e utilizando a equação (1), temos que a cota do volume morto é de 708,4m.
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¾ (2) Nível Mínimo Minimorum
Para o cálculo deste nível, foi estipulado que a entrada de água na tomada d’água é 1m acima do nível do volume morto, para diminuir a entrada de materiais sólidos nos condutos.
Tem-se uma altura adicional de 1m acima da tomada para evitar o arrastamento de ar,e portanto, evitar a formação de vórtices. Essa altura não tem um valor maior para não dificultar a limpeza da grade.
A grade da tomada d’água é retangular com a proporção 1:1,4 em suas dimensões. A velocidade média da água que passa por ela é 0,20m/s. Considerando essas informações e as seguintes, calcularemos suas dimensões:
o
População: 400mil habitantes
o
Consumo: 0,217m³/hab.dia
o
Área das hortaliças para irrigação: 500ha
o
Consumo para irrigação: 0,174 l/s.ha = 0,174x10-3m³/s.ha
A vazão de demanda (Qdemanda) será de: (população) x (consumo) + (área para irrigação) x (consumo) = 1,1m³/s.
Portanto a área da grade será: Qdemanda / V = 5,5m². E suas dimensões serão: altura H=2,8m e L=2m.
Portanto o nível mínimo minimorum está a 4,8m acima do nível de volume morto, então sua cota será: 713,2m.
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¾ Nível Máximo Normal
Para o cálculo do volume útil, necessitamos do valor da vazão de demanda (Qdemanda) que é 1,1m³/s. Utilizando a curva de possibilidade de regularização de vazões (em anexo), temos que o volume útil da barragem será: 5,7x106m³.
Utilizando a equação (1), temos:
o
Cota
=
705
+
2.10-6.(volume),
utilizando
cota
=
713,2m,
descobriremos que o volume até esta cota será: 4,1x106m³.
Sabendo que o volume total até o nível máximo normal será 4,1x106m³ + 5,7x106m³ = 9,8x106m³. Utilizando a equação (2), temos que a cota será: 729,4m. ¾ Nível Máximo Maximorum
Para calcularmos o nível máximo maximorum, utilizaremos o método expedito, onde utilizamos o hidrograma com o tempo de retorno de 500 anos.
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Aproximadamente, a área do triângulo ABC é 2,396x107m³ e do triângulo ACD é 1,865x107m³, portanto o volume de controle de cheia é 5,31x106m³.
Com esse valor de volume de controle de cheia, jogando na equação (2) temos que a cota do nível máximo maximorum será: 745,33m.
A partir daí pode-se calcular a largura do vertedor superior. Com H = 745,33 - 729,4 = 15,93m e com CQ = 0,47, utiliza-se da equação abaixo. 3
Q = CQ * 2 * g * B * H 2 Obtém-se B = 2,90m. ¾ Altura adicional devido ao Fetch
Devido às ações do vento, deve-se considerar uma altura adicional acima do nível máximo maximorum da barragem, para que não haja extravasamento indesejado.
Para o cálculo de tal altura usam-se:
V = 137 km / h velocidade do vento; F = 5km fetch; h0 = 0,028 * V * F + 0,76 − 0,26 * 4 F
Portanto, a altura adicional h0 será de 1,55m. ¾ Borda livre
Por questões de segurança será adotada borda livre de 10% da altura total da barragem, a qual será de 4,19 m.
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6. Interpretação e conclusão dos resultados A partir dos resultados obtidos no cálculo dos níveis da barragem, pudemos definir a altura necessária da mesma, bem como as dimensões do vertedor, ambos necessários ao abastecimento da demanda populacional, bem como a demanda de irrigação.
Quanto à vazão de retorno de 20% relativa à irrigação, foi desconsiderado devido ao seu baixo valor e irrelevância diante dos outros valores de vazão.
Foi observada a capacidade dos canais a jusante, de modo a se preservar o centro tecnológico (objetivo principal do projeto) de enchentes, o que acarretaria em contaminações e prejuízos. Para isso, a barragem foi dimensionada com tempo de retorno de 500 anos.
A barragem ficou, assim, com cota máxima 751,06 m e altura de 46,06 m sendo consideradas as alturas relativas ao fetch e a borda livre.
7. Recomendações Em decorrência do projeto da barragem, alguns impactos ocorrerão na área abrangida, os quais deverão ser mitigados e/ou compensados. Duas propostas foram analisadas: i. a primeira realizando intervenções no centro tecnológico (como elevação do seu nível, relocação, instalação de defensas) e dimensionando-se a barragem para um tempo de retorno menor, não comprometendo tanto os outros trechos em estudo; ii. já para a segunda, manter-se-ia o dimensionamento proposto acima, bem como as instalações do centro tecnológico, mas assim, causando alguns transtornos aos outros trechos.
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A proposta escolhida foi a segunda, por ter sido considerada menos prejudicial ao centro tecnológico, que poderia ter seus serviços comprometidos, fora o transtorno gerado com tais medidas propostas.
Dessa maneira, escolhida a segunda proposta, algumas ações que deverão ser tomadas estão listadas a seguir:
•
Desapropriação, remoção da vegetação e limpeza adequada das áreas inundáveis à montante, para garantia de boa qualidade da água reservada;
•
Desapropriação de eventuais áreas a serem inundadas à jusante, dado que, como a barragem foi projetada para um período de retorno de 500 anos, e visando a proteção do centro tecnológico, os outros trechos à jusante podem ter algumas áreas marginais inundadas (visto suas capacidades não tão elevadas como no trecho EF);
•
Estudo das relocações de eventuais utilidades públicas que venham a ser prejudicadas pelo empreendimento;
•
Evitar o uso das bacias e reservatórios como locais de recreio;
•
Programa de controle de erosão, para controle do volume de sedimentos, aumentando a vida útil do reservatório;
•
Adoção de um programa de educação sanitária.
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8. Anexos
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