Eclusas

Escola de Engenharia

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SANEAMENTO, MEIO AMBIENTE E RECURSOS HÍDRICOS

Estruturas Hidráulicas

Seminário  – Eclusas

Nebai Tavares Gontijo Rubens Gomes Dias Campos

Belo Horizonte 2005

SUMÁRIO 1

INTRODUÇÃO............................................................................................................................................3

2

ECLUSAS BRASILEIRAS.........................................................................................................................5

3

TIPOS DE ECLUSAS DE QUEDA............................................................................................................9 3.1 ECLUSAS DE BAIXA QUEDA .................................................... ............................................................................................................... .............................................................. ... 9

4

3.2

ECLUSAS DE MÉDIA QUEDA.................................................... ............................................................................................................... .............................................................. ... 9

3.3

ECLUSAS DE ALTA QUEDA ...................................................... ................................................................................................................. .............................................................. ... 9

3.4

ECLUSAS DE ALTÍSSIMA QUEDA ....................................................... ......................................................................................................... .................................................. 10

CIRCUITOS HIDRÁULICOS TÍPICOS DE ALTA QUEDA..............................................................11 4.1 COMPONENTES DE CIRCUITOS HIDRÁULICOS DE ALTA QUEDA ..................................................... .......................................................... ..... 11 4.1.1

Canal de adução........ ................................................................ .................................................... 11

4.1.2

Tomadas D’água .......................................................... .............................................................. ... 11

4.1.3

  Dutos ..................................................... ........................................................... ............................. 11

4.1.4

Válvulas ...................................................... ........................................................... ........................ 12

4.1.5

Sistemas de Distribuição ............................................................ ................................................... 12

4.1.6 

  Manifolds e dissipadores de energia ........................................................... .................................. 13

4.2

5

6

COMPONENTES DOS CIRCUITOS HIDRÁULICOS DE ESVAZIAMENTO DAS CÂMARAS DE ALTA QUEDA....13

4.2.1

Obras de restituição ........................................................... ......................................................... .. 14

4.2.2

  Restituidores no canal de navegação .................................................................. .......................... 14

HIDRÁULICA GERAL DAS ECLUSAS DE ALTA QUEDA..............................................................14 5.1 HIDRÁULICA DO E NCHIMENTO.......................................................... ............................................................................................................ .................................................. 14 5.1.1

Velocidades............................................................... .................................................................. ... 15

5.1.2

Pressões....................... ................................................................ .................................................. 17 

PROJETO HIDRÁULICO, CRITÉRIOS E PROCEDIMENTOS.......................................................17 6.1 CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO ................................................... ..................................................................................................... .................................................. 17 6.1.1

Critérios relativos às velocidades ............................................................... .................................. 17 

6.1.2

Critérios relativos às pressões...................................................................... pressões...................................................................... ................................. 18

6.2

PROCEDIMENTOSDE PROCEDIMENTOS DE PROJETO...................................................................................... ............. 19

6.2.1

Tomada d’água........................ ................................................................ ...................................... 19

6.2.2

Válvulas de controle ................................................................ ...................................................... 21

6.2.3

Questões Fundamentais.................................. ................................................................ ............... 21

6.3 6.3.1

6.4

DISTRIBUIÇÃO INTERNA A CÂMARA........................................................... .................................................................................................... ......................................... 25   Dutos Principais..... ........................................................... .......................................................... .. 25

PROJETO DE ESVAZIAMENTO................................................... .............................................................................................................. ............................................................. 27

6.4.1

  Manifols de Distribuição ............................................................... ................................................ 27 

6.4.2

Válvulas ...................................................... ........................................................... ........................ 27 

6.4.3

 Restituição .............................................................. .................................................................... ... 28

REFERÊNCIAS ..................................................... ........................................................... .................................. 29 1 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Principais hidrovias do Brasil ........................................... ................................................................. .......................................3 .................3 Figura 2.1: Eclusas Brasileiras .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................. .......55 Figura 2.2: Eclusa de Barra Bonita..................................................... Bonita............................................................................. ........................................7 ................7 Figura 2.3: Detalhe da Eclusa de Barra Bonita ................................................ ....................................................................... .......................... ...77 Figura 2.4: Eclusa de Promissão ................................................. .......................................................................... ...............................................7 ......................7 Figura 2.5: Eclusa de Sobradinho.......................... Sobradinho.................................................. ................................................ .............................................8 .....................8 Figura 2.6: Detalhe da Eclusa de Sobradinho ................................................ ........................................................................ ............................ ....88 Figura 2.7: Eclusa de Três irmãos .............................................. ...................................................................... ................................................8 ........................8 Figura 2.8: Detalhe da Eclusa de Três irmãos .............................................. ...................................................................... .............................. ......88 Figura 2.9: Eclusa de Lajeado ................................................ ....................................................................... ............................................... ............................. .....88 Figura 2.10: Detalhe da Eclusa de Lajeado ............................................... ....................................................................... ................................. .........88 Figura 4.1: Projeto de uma eclusa. ............................................ ................................................................... .............................................. ......................... 11 Figura 4.2:Sistema de distribuição de fundo. .............................................. ...................................................................... ............................. .....12 12 Figura 4.3: Sistema de distribuição lateral. ............................................... ....................................................................... ............................... .......13 13 Figura 4.4: Aparência de Manifolds para projeto.................................... projeto........................................................... ................................. ..........13 13 Figura 5.1: Evolução das vazões. ................................................ ........................................................................ .............................................15 .....................15 Figura 5.2: Velocidades máximas. ............................................. .................................................................... ..............................................16 .......................16

LISTA DE TABELAS Tabela 3.1: Eclusas de Alta Queda Brasileiras ................................................ ........................................................................ .......................... 10

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1 INTRODUÇÃO Hidrovia designa as vias navegáveis interiores que foram balizadas e sinalizadas para uma determinada embarcação tipo, ou seja, aquelas que oferecem boas condições de segurança às embarcações, suas cargas e passageiros ou tripulantes e que dispõem de cartas de navegação. A navegação nos rios é o meio de transporte de mercadorias mais antigo. Embora o Brasil   possua uma rede hidrográfica considerável, a navegação, como parte integrante de uma   política de transportes, somente foi utilizada durante o período colonial e do Império, ao contrário do que acontece nos países desenvolvidos, como Estados Unidos, França e Alemanha, que aproveitam ao máximo seus rios e lagos. Apesar do elevado potencial existente, o Brasil não tem priorizado a navegação como meio de transporte e a sua utilização, atualmente, é bastante reduzida. A Figura 1.1 mostra a localização das principais hidrovias do Brasil, caracterizando os trechos navegáveis, de pouca navegabilidade, obstáculos e obstruções.

Figura 1.1: Principais hidrovias do Brasil

Cada rio da Rede Hidroviária Brasileira oferece condições bem diferentes de navegabilidade, no que diz respeito ao calado, largura da rota de navegação, raios das curvas presentes, 3 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

 presença de corredeiras, cachoeiras, barragens e eclusas, bem como às variações decorrentes do ciclo hidrológico. Segundo o Ministério do Transportes (2004), as principais hidrovias do Brasil são: 

Hidrovia do Madeira;



Hidrovia do São Francisco;



Hidrovia Tocantins-Araguaia;



Hidrovia Paraná-Tietê;



Hidrovia Paraguai-Paraná.

Um dos meios de transporte mais barato, com menor valor unitário (R$/Ton.), é o meio fluvial, ou marítimo, e é por isso que este se justifica em um país com a extensão e potencial  para tal, como o Brasil. Esta finalidade se encontra na competitividade que o produto deve ter  tanto no mercado interno como externo. O transporte hidroviário em comparação com o rodoviário e o ferroviário apresenta como vantagem o baixo custo de implantação, manutenção e o próprio custo de transporte. A desvantagem desse modal é o fator tempo, que pode diminuir a competitividade das hidrovias. Por isso, é necessário analisar as características de cada hidrovia para que se possa maximizar  as condições de utilização das mesmas e avaliar os produtos transportados. Normalmente, aqueles com baixo valor agregado e peso bruto alto deveriam ser transportados pelo modal hidroviário. A navegação em comparação com os outros meios de transporte não secciona o ecossistema, uma vez que o rio ou lago fazem parte do ecossistema mais amplo, entretanto quando as cargas de grande potencial poluidor ou contaminante são transportadas pode ocorrer dano ao meio ambiente aquático, biótico, físico.

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2 ECLUSAS BRASILEIRAS Eclusa é um reservatório em forma de câmara que possibilita, através do enchimento e esvaziamento, que uma embarcação transponha uma diferença de nível. A Figura 2.1 mostra as principais eclusas brasileiras.

Figura 2.1: Eclusas Brasileiras

Região Sudeste 

Eclusa de Barra Bonita (SP)



Eclusa de Bariri (SP)



Eclusa de Ibitinga (SP)



Eclusa de Promissão (SP)



Eclusa de Nova Avanhandava (SP)



Eclusa de Três Irmãos (SP)



Eclusa de Ilha Solteira (SP)



Eclusa de Jupiá (SP)



Eclusa de Porto Primavera (PR)



Projeto Eclusa de Itaipu 5

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Região Norte 

Eclusa de Tucuruí (PA);

Região Nordeste 

Eclusa de Sobradinho (BA);



Eclusa de Boa Esperança (PI);



Projeto Eclusa de Serra Quebrada (MA)

Região Sul 

Eclusa de Amarópolis (RS);



Eclusa de Anel de Dom Marco (RS);



Eclusa de Bom Retiro (RS);



Eclusa de Fandango (RS);

A Eclusa de Barra Bonita (vide Figura 2.2e Figura 2.3) está localizada no Rio Tietê, no município de Barra Bonita, com comprimento total de 148 m, largura: 12 m e desnível máximo: 26 m. O Tempo de eclusagem é de 12 minutos para subir e 12 minutos para descer, com capacidade de embarcações de 2 mil toneladas por vez. A inauguração ocorreu no dia 29 de novembro de 1973. A Eclusa de Promissão (vide Figura 2.4) está localizada no Rio Tietê, no município de Promissão, a jusante da UEH de Ibitinga e nas proximidades da corredeira de Lajes. A eclusa   para navegação foi concluída em 1986, com largura útil de 12,00 m, comprimento de 142,00 m e calado de 3,50 m. A Eclusa de Sobradinho (vide Figura 2.5 e Figura 2.6) está localizada no Rio São Francisco, no município de Juazeiro na Bahia, a montante de Juazeiro/Petrolina.. A eclusa para navegação possui largura útil de 17,00 m, comprimento de 120,00 m, tirante de ar de 15 metros. O tempo máximo pra enchimento é de 16 minutos com capacidade efetiva de tráfego de 8.000.000 t/ano. A Eclusa de Lajeado (vide Figura 2.9 e Figura 2.10) se localiza no rio Tocantins no município do Lajeado (TO). Os estudos de viabilidade indicaram ser esta a melhor alternativa para vencer o desnível criado pela Usina Hidrelétrica de Luis Eduardo Magalhães (Lajeado-TO). A obra vai permitir a operacionalização da Hidrovia Tocantins no trecho Peixe (TO) a Miracema (TO).

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Figura 2.2: Eclusa de Barra Bonita

Figura 2.3: Detalhe da Eclusa de Barra Bonita

Figura 2.4: Eclusa de Promissão

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Figura 2.5: Eclusa de Sobradinho

Figura 2.6: Detalhe da Eclusa de Sobradinho

Figura 2.7: Eclusa de Três irmãos

Figura 2.8: Detalhe da Eclusa de Três irmãos

Figura 2.9: Eclusa de Lajeado

Figura 2.10: Detalhe da Eclusa de Lajeado 8

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3 TIPOS DE ECLUSAS DE QUEDA A queda de uma eclusa é a diferença entre os N.A.s de montante e de jusante. Desta forma se   pode ter eclusas de baixa, média, alta e altíssima queda. E são as quedas hidráulicas de trabalho de uma câmara que definem o tipo, o porte e o custo de um sistema de enchimento/esvaziamento. Porém a queda hidráulica não define a concepção do sistema, como se por exemplo, por um longo período podem ocorrer quedas menores devido ao regime fluvial. Um sistema hidráulico corretamente projetado considerará todas as quedas, suas  permanências, suas probabilidades e seus tempos de operação cabíveis. A forma básica de uma eclusa moderna é de um paralelepípedo, cuja relação em planta mantém uma relação entre 1:6 a 1:12. Os sistemas mais simples, onde a maioria da operação de adução/esgotamento se realiza pela extremidade, são mais eficientes para pequenas quedas. Os sistemas sofisticados, de alimentação pelo fundo da câmara, são próprios de eclusas de alta queda. Para as de queda intermediária se tem a opção de sistemas de extremidades e de condutos que se distribuem ao longo da câmara pelos muros. A classificação das quedas depende de conceitos de técnica de execução local. Porém de acordo com Rich (1952), com enfoque da experiência Americana, considerou para a de baixa queda as de até 4,5m, para as intermediárias as até 10,5 m aproximadamente e acima de 15,0 m se tem as de alta queda. A partir, do ponto de vista hidráulico, de 35 a 40 m se tem o limite  para eclusas de alta queda.  3.1

 Eclusas de Baixa Queda

Para este tipo de eclusa podem ser encontrados muitos casos onde o enchimento é feito de forma frontal, por duas folhas verticais ou por porta basculante, de acionamento vertical.  3.2

 Eclusas de Média Queda

Para estas eclusas podem ser encontrados muitos casos onde o enchimento é feito pelo sistema “Lateral Ports”. Um exemplo com a concepção do “Bottom Lateral Ports” é a Eclusa de Americana de Holt, no rio Black Warrier, de 35,0 m de largura por 182,9 m de comprimento, vence um desnível de 19,39 em 11 minutos. A distribuição destes Ports ou de Manifolds ao longo da câmara foi objeto de vários estudos de modelos reduzidos, e seu sucesso está na ausência de ondas estacionárias e a turbulência local dos jatos.  3.3

 Eclusas de Alta Queda

Câmaras de altas quedas podem necessárias em situações específicas de navegação, em geral em trechos de rios com declive acentuado, em ligações entre bacias, etc. O caso que é comum no Brasil é a situação de eclusas projetadas com usos múltiplos, onde prevaleceu o interesse da parte hidrelétrica, que exige alturas significativas para produção com níveis e adequabilidade técnicas interessantes. 9 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

Os problemas hidráulicos relativos à alta queda que merecem destaque; 

Problemas de cavitação a jusante das válvulas, que podem danificar o conduto e interromper a estrutura para manutenção;



O pico das vazões de enchimento/esvaziamento são altos e interferem na distribuição interna e restituição;



O volume de eclusagem, que em rios e hidrovias de vazões pequenas, pode ser  importante;



Problemas com a tranqüilidade do plano d’água (turbulência) interno à câmara e conseqüente minimização de esforços nas embarcações;



Altas velocidades de condução da vazão nos tubos de enchimento/esvaziamento (cavitação).

A Tabela 3.1 mostra as eclusas de Alta Queda no Brasil. Tabela 3.1: Eclusas de Alta Queda Brasileiras Tipo B.Bonita P.Primavera Tucuruí Sobradinho Três Figueiras

 3.4

Queda(m) 27 22 35 33 15

Volume(m3) 47.600 78.500 240.000 86.500 37.000

Vazão Média(m3/s) 58 120 240 86 77

Velocidade Máxima (m/s) 12 10 12 11 10

 Eclusas de Altíssima Queda

São os limites para eclusas de altíssima queda os valores de 40,0 a 45,0 m. Como exemplo se  pode citar o caso das Três Gargantas na China, como 120,0 m de queda.

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4 CIRCUITOS HIDRÁULICOS TÍPICOS DE ALTA QUEDA  4.1

Componentes de Circuitos Hidráulicos de Alta Queda

Um exemplo de projeto de eclusas, mostrando todas as partes constituintes de condução d’água, pode-se ser visualizado nas Figuras e , como segue;

Figura 4.1: Projeto de uma eclusa.

4.1.1 Canal de adução Canal de aproximação onde implica a necessidade de submeter às velocidades de aproximação e níveis aceitáveis.

4.1.2 Tomadas D’água São peças que mereceram vários estudos minuciosos por serem a interface entre o canal de adução e o reservatório ou conduto.

4.1.3 Dutos Os dutos são aqui compreendidos como a conexão ente às tomadas d’água e válvulas, entre válvulas e sub-condutos de distribuição, ou, no esvaziamento, entre assa últimos e as válvulas de jusante, e entre estas e os dissipadores do canal de restituição. São as partes mais simples dos circuitos, onde se tem velocidade menor, em geral. É nos dutos que se pode aproveitar, quando da distribuição uniforme das velocidades na seção transversal, para a realização da  partição básica da vazão.

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4.1.4 Válvulas As válvulas nas eclusas de alta queda são, em geral, comportas planas embutidas ou setor  invertido. As válvulas, e a própria região adjacente às válvulas, devem ser objeto da mais cuidadosa avaliação no projeto, pois é nesta região que ocorrem as maiores velocidades de todo o circuito, que aliadas a baixas pressões podem levar ao fenômeno da cavitação.

4.1.5 Sistemas de Distribuição O sistema de distribuição é definido como sendo o sistema no fundo da câmara, formado por  condutos menores, que se transformam em manifolds. Também existe o sistema de distribuição lateral, como segue, nas Figuras ;

Figura 4.2:Sistema de distribuição de fundo.

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Figura 4.3: Sistema de distribuição lateral.

4.1.6 Manifolds e dissipadores de energia A confecção dos manifolds deve ser regida com excelência pois deve propiciar  funcionamento idêntico em cada orifício. É feito o uso de dissipadores externos de energia

Figura 4.4: Aparência de Manifolds para projeto.  4.2

Componentes dos circuitos hidráulicos de esvaziamento das câmaras de alta queda

Poucos elementos são acrescentados com relação ao enchimento. Os manifolds funcionam no esvaziamento como na tomada, porém, com maior perda de carga, mas sem os problemas usuais de tomadas de água. Os dutos são semelhantes aos do enchimento. As válvulas são 13 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

muito semelhantes as do enchimento e funcionam de maneira similar. No caso do esvaziamento é possível se pensar em descarga livre a jusante o que se justifica pois não há compromisso com excedentes de energia que possam passar para o canal, na mesma grandeza como no enchimento. Há casos em que a obra de restituição foi projetada em canal separado do canal de aproximação de jusante, de maneira a se economizar na parte da obra de dissipação, necessária às adequadas condições de navegação.

4.2.1 Obras de restituição  No caso de não ser usado o canal de navegação de jusante como canal de restituição, mas realizando a restituição em canal à parte, a preocupação, em relação à dissipação de energia, fica restrita ao canal, particularmente às margens.  No caso de ser usado o canal de navegação de jusante como de restituição, a dissipação de energia será feita com grande eficiência por mecanismos adequados, procurando a minimização de velocidades e ondas para jusante.

4.2.2 Restituidores no canal de navegação Sua concepção é baseada em uso de manifolds, porém também é feito o uso com outros mecanismos.

5 HIDRÁULICA GERAL DAS ECLUSAS DE ALTA QUEDA As eclusas modernas têm tendência a serem cada vez mais largas, para uso de comboios. Os grandes volumes de água e os tempos curtos para serem aduzidos, com a mínima manifestação cinética na câmara e ausência de ondas, formam o problema geral das eclusas, e nas de altas quedas ainda se tem o problema das altas velocidades nos condutos e válvulas, locais de potencial cavitação associada. Para resolver este problema uso-se reservatórios intermediários, em Ust-Kamenogorsk. A maior atenção dada ao enchimento pode ser explicada por ser este o procedimento crucial com relação à segurança da embarcação dada à condição de se introduzir água à câmara, inicialmente, com pequena lâmina de profundidade e uma embarcação de enorme massa. O esvaziamento, por seu lado, é favorável com problemas em relação ao nível no plano de água dada à alta lâmina inicial, e além disso, joga água para fora em locais, onde se podem ter  melhores condições de dissipação de energia.  5.1

 Hidráulica do Enchimento

A evolução das vazões totais no tempo tem o aspecto da Figura a seguir;

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Figura 5.1: Evolução das vazões.

O valor máximo das vazões é o ponto fundamental para a adução e para o dimensionamento dos condutos principais. Para a adução o volume da câmara, e a sua evolução no tempo, são fundamentais para e reservação à frente das tomadas, de forma a não se produzir valores indesejáveis do transitório, no canal de adução. A variação das vazões é fundamental, no caso de enchimento frontal, por ser diretamente   proporcional a inclinação da linha d’água inicial, e portanto, diretamente proporcional aos esforços transmitidos aos cabos das amarras. Para os gradientes da vazão deve se ter maior atenção entre os manifolds, pois diferenças acentuadas no andamento entre estes, pode promover a instalação de correntes ou ondas estacionárias no interior da câmara. Então para também dimensionar o canal usa-se a vazão máxima.

5.1.1 Velocidades A partir dos pontos cruciais, que é à jusante das válvulas, onde ocorrem a velocidades máximas em relação a todo o circuito, pode-se observar a Figura , como segue;

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Figura 5.2: Velocidades máximas.

Alguns outros pontos devem ter suas velocidades verificadas, e as medidas correlatas deverão ser tomadas, como segue; 

Canal de adução ; Velocidades máximas, com implicações no revestimento, influência nas garagens e embarcações em trânsito no canal;



  Na área próxima as tomadas ; Variação das velocidades nos volume mais superficiais, implicando em circulações e tendências a vórtices;



 Na grade de tomada ; Implicando em vibrações e perda de carga.;



  Nos vãos das aberturas em manifolds; Velocidades máximas em concreto, com  potencialidades de erosão por sedimentos e cavitação;



  Nos condutos; Velocidades máximas e distribuição das velocidades nas curvas, com potencialidades de problemas de partição e cavitação;



Região a jusante das válvulas; Velocidades muito altas do jato implicando em depressão da região e do revestimento local, assim devem-se utilizar material especial;



Velocidades nos orifícios dos Manifolds de distribuição no fundo da câmara; Velocidade máxima e evolução no tempo, implicando na uniformidade da dissipação; 16

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

Velocidade vertical do plano d’água; Velocidade média com implicações na capacidade de tráfego e velocidade máxima com implicações na segurança da embarcação.

Com relação ao esvaziamento os pontos são os mesmos, porém se destaca a área de restituição de jusante, com relação à velocidade máxima,quando se tratar de canal de restituição junto a canal de navegação.

5.1.2 Pressões O desenvolvimento das pressões nos circuitos de altas quedas é caracterizado pela variação   brusca ocasionada pela presença das válvulas. E de inicio dos processos de enchimento e esvaziamento, sendo típica a queda brusca de pressão, como na Figura 5.2.1a , à jusante das mesmas, associada a velocidades altas, o que aliás, resulta em forte potencial de cavitação. São pontos de especial interesse, por estarem relacionados às pressões baixas e potencial de cavitação, nas tomadas, nos dutos, em curva, a jusante de válvulas, com interesse também  para a velocidade conjugada com esta pressão. E pontos onde haja interesse de se determinar  à carga dinâmica, como em paramentos dissipadores à frente de jatos no interior da câmara, ou eventuais peças de ressalto na restituição. Entre enchimento e esvaziamento não existem maiores distinções.

6 PROJETO HIDRÁULICO, CRITÉRIOS E PROCEDIMENTOS Estes critérios são de referência americanas e nacionais, e apresentam uma certa flexibilidade em relação aos valores, sempre resguardando a segurança e as técnicas de engenharia. 6.1

Critérios de Dimensionamento

6.1.1 Critérios relativos às velocidades Velocidades junto às grades As velocidades médias admissíveis se situam em torno de 1 m/s. Porém existem casos, experiência americana, de velocidades de 2,4 a 3,0 m/s. As velocidades máximas admissíveis são de 2,0 m/s. Velocidades nos condutos De uma forma geral, sob condições atmosféricas, cavitação e erosão começam a ser  importante a jusante de pequenas descontinuidades geométricas nos condutos, quando a velocidade do fluxo varia em torno de 12,0 m/s. A recomendação americana é que onde o valor da velocidade se mantiver a cima de 12,0 m/s deve-se tratar a superfície de forma especial. Para este tratamento de limitar Offsets, uso de concreto de alta resistência. Onde

17 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

ocorrem as situações de velocidades superiores a 12,0 m/s e variações pressões se recomenda o uso de revestimento metálico ou concreto epóxi. Velocidades e efeitos inerciais na movimentação do plano d’água na câmara A movimentação do plano d’água no interior da câmara deverá ser continua, sem variações  bruscas de velocidade. Em média, é desejável que as velocidades, tanto no enchimento quanto no esvaziamento, situem-se em torno de 2,0 m/min. Um valor de velocidade máxima utilizado é de 4,0 m/min. Estas recomendações estão ligadas à limitação imposta pelo tempo de enchimento/esvaziamento, demanda de tráfego e a segurança da embarcação.

6.1.2 Critérios relativos às pressões Pressões a jusante das válvulas As pressões a jusante das válvulas estão submetidas a critérios relativos à prevenção da cavitação ou a sua minimização, que é o caso de se manter pressões negativas em situações cavitantes, para que haja incorporação de ar através de aeradores. Pressões em curvas do circuito hidráulico O escoamento em curva poderá ser submetido a depressões junto à parede convexa da curva,  por efeito centrífugo, ocorrendo tendência de descolamento, implicado em cavitação. Para projetos nacionais tem-se adotado; 

Pressão de vapor a 30 ºC da ordem de 0,43 m, e pressão atmosférica local igual a 9,94 m;



Flutuação de pressão, em 0,5 x U 2/2g;

Critérios relativos á cavitação junto às válvulas de controle O critério apropriado seguindo o que preconiza a EM- 1110-2-16100 do U.S.A.C.E., tem-se a definição do índice de cavitação como segue; σ  

=

P + ( Pa − Pv )

(1)

U 2 / 2 g

Onde: P é a pressão na veia contraída logo a jusante da comporta Pa é a pressão atmosférica Pv é a pressão de vapor d’água na temperatura de projeto U é a velocidade na veia contraída 18 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

g é a aceleração da gravidade Este valor indica a cavitação com vibração e erosão incipiente. Este valor se torna mais  preocupante quando não existe a adição controlada de ar. Em princípio valores superiores a 0,8 para σ indicam a não ocorrência de cavitação, a jusante das válvulas de eclusas. A forma geométrica influencia muito no potencial de cavitação. Expansões no teto da galeria, que se localizem até 5 vezes da altura da válvula para jusante, aumentam a perda de carga na válvula, implicando num menor potencial de cavitação. Recomenda-se que as expansões graduais no teto a jusante da válvula não excedam 1/10. 6.2

 PROCEDIMENTOS DE PROJETO

Atualmente o conhecimento da hidráulica das eclusas de alta queda é considerável, mas para o   projeto completo dos sistemas de enchimento e esvaziamento deve-se realizar uma investigação criteriosa em modelo reduzido físico hidráulico. Os modelos matemáticos não resolvem questões ligadas à tridimensionalidade de fenômenos como turbulência na câmara, instalação de ondas estacionárias, esforços em amarras, distribuições de velocidades nos dutos, partição dinâmica de vazões na câmara, tendência a vorticidade nas tomadas, entre outros. A seguir serão apresentados procedimentos para determinação da forma hidráulica e cotas de instalação dos dutos e componentes no sentido de limitar as opções e mudanças a testar em modelo reduzido. Os procedimentos levarão quase ao projeto final, que sofrerá ajustes na fase do modelo reduzido.

6.2.1 Tomada d’água A escolha do tipo de tomada d’água depende dos fatores locais e principalmente do custo.As tomadas d’água de eclusas de alta queda podem ser simples, com uma única cobertura, com dupla abertura e manifolds, no próprio canal de aproximação da navegação. A forma mais moderna de se realizar a captação dos grandes volumes é através do uso de manifolds. Isto porque com eles, pode-se ampliar a áreas de captação, distribuindo-a horizontalmente, minimizando problemas relativos a velocidades junto à tomada, abaixamento do NA e formação de vórtices, geralmente, obtendo integração com o canal navegável, ou seja, com o estacionamento e trânsito de embarcações. Os tipos básicos de manifolds que se tem estudado em modelo e em obras mais modernas são na maioria americanas, estudadas pelo Corps of Engenieers. Será descrito o procedimento de dimensionamento baseado nas considerações do “Hidraulic Design of Navigation Locks” De acordo com o número de aberturas ( n ) calcula-se

i −1 n

para cada abertura;

19 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

Para cada valor da abertura, encontra-se no ábaco os valores correspondentes de

 Ai  A1

, que é a

relações recomendada entre a área  Ai da garganta e a primeira área, mais a jusante do “manifold”; Soma-se os parâmetros

 Ai  A1

e encontra a relação

 Ai

∑  B , onde  B é a largura da garganta do

conduto, considerada as n aberturas; Com o valor de  A1 define-se os valores restantes. Partindo-se das aberturas frontais e considerando as larguras de gargantas obtidas, através de composição geométrica, obtém-se o projeto.   Nas áreas de captação frontal tem-se o desenvolvimento de velocidades, que servirá como   base para o projeto das grades de proteção, em particular no que se refere a problemas de vibração. A submergência de tomadas de eclusas, tipo manifolds, necessita de pesquisa específica, realizada em protótipos com considerações sistematizadas sobre aproximação. Existem casos de submergência inadequada, com formação de vórtices, em obras mais antigas com tomadas mais encaixadas na entrada da eclusa e há casos onde o comportamento da área frontal á tomada, na obra, parece indicar superdimensionamento. Depressões, fortes circulações e engolimento de ar, em função do efeito da escala de Reynolds, além da não representação da pressão, podem ser sensivelmente maiores no  protótipo. Sugere-se a seguir um procedimento simples, testado em modelo reduzido. Esse  procedimento, após o estabelecimento da forma em planta e altura da tomada, se resume em reduzir o manifold a uma tomada frontal equivalente que, com a mesma altura externa, tenha como área da seção mais estreita, a somatória das áreas dos estrangulamentos do manifold. Com esse procedimento, aplicou-se o resultado do trabalho de Gordon que propôs a seguinte relação: (2)

S m = C × U × d 

Onde: S m : submergência necessária; C : coeficiente relativo à aproximação; U  : velocidade do fluxo na seção mais estrangulada

da tomada;

d : Altura externa da tomada.

20 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

Essa relação foi proposta para tomadas de usina, cujo desenho, tipo tomada frontal, não  permite, diretamente a sua aplicação em manifolds. Os manifolds como tomada induzem a uma aproximação com componente lateral muito mais sensível do que as tomadas frontais, onde predomina a aproximação vertical de cima para baixo.

6.2.2 Válvulas de controle As válvulas do circuito hidráulico são ponto de máxima importância do projeto, pois através delas, funcionando corretamente, se conseguirá realizar o transporte, em condições adequadas, dos enormes volumes d’água, das eclusas de alta queda atuais. Diversos tipos de válvulas foram usados em eclusas, porém nas de alta queda a predominante é a plana com adufas submersas. Inicialmente as comportas foram projetadas com sua face voltada contra o fluxo, como concebidas para funcionar originalmente, em vertedores. Porém nos casos onde a queda da eclusa ultrapassava poucos metros, ocorria entrada de ar pelo poço da válvula, na fase acelerada do escoamento. Este fato não significava muito no caso das válvulas de jusante,   pois no esvaziamento o ar era expulso para a área externa da câmara, porém no caso do enchimento o ar era expulso nos sistemas de distribuição internos a câmara, pelos orifícios com grande turbulência e perturbação do plano d’água. O Corps of Engineers (USA) concebeu e aplicou a solução “Tainter invertida”, essa solução evitava completamente a entrada de ar no escoamento, pelo poço da válvula. Essa concepção foi aperfeiçoada hidrodinamicamente percebendo-se que a estrutura de suporte da placa curva, sendo vertical melhorava o comportamento da peça, com relação aos esforços de “downpull” e “uplift”. A forma hidrodinâmica da faca da válvula no escoamento imediato de jusante pode ser responsável pela redução do potencial de cavitação.

6.2.3 Questões Fundamentais O desenvolvimento da “comporta radial invertida” correspondeu às solicitações hidrodinâmicas das câmaras de alta queda. A comporta Tainter invertida é considerada como solução econômica, simples de operar e de funcionamento confiável. O desenvolvimento das comportas controle do fluxo nos circuitos, tem sido notável, embora a aumento das alturas das altas quedas venha agravar os problemas inerentes à alta carga hidráulica. As questões relativas às comportas podem ser caracterizadas em: 

Vibração em função das flutuações de pressão a jusante das válvulas;



Esforços espasmódicos na aparelhagem de movimentação;



Ampliação de esforços ligados aos fenômenos de “downpull” e “uplift”; 21

Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG



Os circuitos de enchimento e esvaziamento terão que ter no mínimo duas válvulas   para possibilitas a manutenção sem a paralisação da eclusa, dessa forma a operação normal se fará com as duas válvulas sincronizadas;



Obediência às leis de abertura, quando complexas, com patamares de espera em determinados níveis;



Cavitação, fenômeno desencadeado pela baixa e pulsante pressão a jusante da válvula advinda de escoamentos com altas velocidades.

As questões citadas tem tido avanços significativos com o desenvolvimento de materiais para mecânica e sistemas eletrônicos de controle e operação. Essas questões devem ser verificadas com a utilização do modelo reduzido físico específico da região das válvulas e comportas. Esse modelo reproduzirá os escoamentos em regimes variável e transitório, com esmero nos detalhes das peças mecânicas, a escala geométrica do modelo é comum 1:10 e 1:15. A cavitação pertence ao âmbito do estudo engenheiro civil hidráulico ou do hidrotécnico, deve ser prevista na concepção dos circuitos e investigada em modelo hidráulico reduzido, em fases subseqüentes de projeto. Os processos de abrandamento da cavitação ou de seus efeitos são: 

Adição de água na área no “roller” imediatamente a jusante da válvula;



Adição de ar para emulsionamento, no jato e também no teto, ambos imediatamente à jusante da válvula igualmente;



Utilização de concretos de alta densidade ou concreto epóxi na área da válvula;



Encamisamento “linning” de trecho a jusante da válvula com aço, até mesmo com aço inoxidável;



Projeto de expansão do teto à jusante da válvula, de forma a aumentar as pressões médias na área crítica.

Desses processos, a adição de água não leva a resultados consideráveis, a não ser em grandes quantidades o que exigiria um segundo duto. A execução de concretos especiais tem-se revelado com limitações e estes tem sido mais estritamente aplicado às situações de menor  efeito erosivo da cavitação, com no caso dos partidores de fluxo, horizontais ou verticais. Atualmente nos projetos de alta queda incorpora-se a adição de ar, uma vez que pode ser  mantida fechada por registro; o revestimento em aço do trecho à jusante e a expansão do teto. Cavitação A cavitação é o fenômeno de súbita vaporização e subseqüente condensação com manifestação mecânica de forcas, que pode ocorrer em um líquido, sob determinadas condições de temperatura e pressão. Esse processo é função das pressões instantâneas, das flutuações e não apenas da pressão média. 22 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

A cavitação em um fluxo com alta velocidade, normalmente inicia-se quando, à temperatura constante, por efeito dinâmico do escoamento, pontos do líquido atingem a pressão de vapor e com a presença de núcleos gasosos se formam as cavidades de vapor.  Nas válvulas das eclusas a pressão aumenta bruscamente devido ao movimento rápido para   jusante e a bolsa de vapor implode, gerando ruído e ondas de alta pressão no líquido. As implosões são responsáveis por vibrações indesejáveis e erosão nas paredes dos dutos. A cavitação chamada de vaporização ocorre em líquido com pouco gás e é denominada gasosa a quando ocorre em líquido com gás emulsionado. A cavitação gasosa tem como característica taxas lentas de crescimento de bolhas de vapor menores, assim o processo cavitante não é violento e não ocorrem vibrações ou erosões graves. Nas eclusas tem se introduzido ar nos escoamentos com alto potencial de cavitação. Vários fatores intervêm no fenômeno da cavitação: condições geométricas, amplitude de flutuação de pressões, quantidade de partículas ou gás dissolvido, gradientes bruscos espaciais de pressão, pressão média local, velocidades médias e locais, aceleração locais, entre outros. O procedimento geral usado para análise quantitativa da cavitação é o estabelecimento experimental do comportamento de um parâmetro adimensional, que normalmente é definido  pela relação entre forças que previnem e causam a cavitação. σ  

=

PV  + P A − PVAP U V 

(3)

2

2g Onde: PVAP : pressão de vapor na temperatura

ambiente considerada;

P A : pressão atmosférica; PV  : pressão na veia contraída; U V  : velocidade média no jato, na veia contraída.;

O adimensional da cavitação engloba apenas condições médias, como pressão e velocidade, desconsiderando escala de turbulência, conteúdo de ar, tensão superficial. Implicando variações do parâmetro em função de condições de escala. O início do fenômeno de cavitação é caracterizado por sons leves com estrondos intermitentes. Esses estrondos, em eclusas, podem ter volume mais significativo, porém, no conjunto, os ruído observados não são desagradáveis, as vibrações são de difícil mensuração e a quantidade de erosão é pouco significativa. Essa fase da cavitação é chamada incipiente e os valores de σ  i são associados especificamente para cada tipo de escoamento. O próximo fenômeno é caracterizado em observação de válvulas chamado de cavitação “crítica” e são associados valores de σ  c (potencial de cavitação crítica). 23 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

A adição de ar imediatamente a jusante das válvulas vem sendo realizada com sucesso em varias eclusas de alta queda, provocando aumento da pressão média e diminuição do valor de  pico dos pulsos de pressão instantânea negativa. O problema da adição de ar é a saída, quantidades excessivas ou projetos que facilitem a saída de forma localizada dentro da câmara podem levar a perturbações importantes no plano d’água. Investigações no modelo mecânico da comporta são imprescindíveis, quando se conta com a adição de ar, como solução de projeto. Projeto  Nos casos de câmara de alta queda moderna, para hidrovias com alta capacidade de tráfego  pra grandes comboios o que significa grandes volumes de adução e esgotamento, a escolha recairá sobre comportas Tainter invertidas. De forma geral as eclusas de alta queda terão duas soluções, com relação ao número de condutos: em apenas um lado da câmara e nos dois lados da câmara. Eclusas encaixadas em rochas, em geral, é mais econômico se conceber os sistemas de enchimento/ esvaziamento, com o duto principal em um só lado da câmara. O projeto geométrico das válvulas deve observar a necessidade mínima de duas peças, separadas convenientemente para poder ser feita à inspeção e manutenção independentes, assim a eclusa diminui o rítimo ao ser operada com uma válvula, durante poucos dias, não havendo prejuízo significativo para a capacidade de tráfego. Eclusas em fundação baixa utilizam-se muros de gravidade, havendo espaço para dutos  principais, dos dois lados da câmara, utilizando a simetria desejável dos circuitos, embora a operação de válvulas deva ser sincronizada. A velocidade máxima nos condutos, para concretos comuns, tem sido mantida entre 7 e 8 m/s, quando se tem a possibilidade de transporte de sedimentos. A localização das válvulas nos circuitos, procura harmonizar dois aspectos pelo menos, o  primeiro é o desenvolvimento gradual dos dutos em perfil de forma a não se ter curvas muito  pronunciadas e o segundo ponto as sua vantajosa instalação nas cabeças, tanto de montante como de jusante. A análise dos potencias de cavitação pesará consideravelmente na definição final da cota de assentamento das comportas, no “setting” que poderá ser abaixo ou acima do piso inicial, tendo em vista respectivamente, o aumento da pressão média ou a sua diminuição, em geral, essa última, visando à adição espontânea de ar. A instalação de válvulas deve-se tentar prever o ponto de “linning” e observar o aumento da  perda de carga da válvula, o que beneficia de forma significativa o potencial de cavitação. O aumento é realizado através da expansão do teto imediatamente a jusante da válvula. O tamanho dos recessos e poço de válvulas dependem do projeto mecânico e a forma hidráulica é realizada satisfazendo o projeto. A adição de ar de ser de no máximo 20% da vazão líquida, resultando no posicionamento de um tubo de algumas dezenas de centímetros de diâmetro no teto, em principio por facilidade. 24 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

6.3

 Distribuição interna a Câmara

  Nas eclusas de alta queda, os sistemas de distribuição se fixaram no tipo dinamicamente  balanceado. A idéia da distribuição é a de ocupar o fundo da câmara com manifolds, que são   providos por vazões sucessivamente equipartidas, e com perdas totais até cada orifício de saída bastante iguais, qualquer que seja o orifício A diferença entre as eclusas de alta queda na questão de distribuição ocorre em relação ao encaixe ou não na rocha e na relação entre largura e comprimento da câmara.   Nas câmaras encaixadas é interessante, em relação a custos, que apenas um duto principal localizado em apenas um lado da câmara leve a um sistema de partições. Nas câmaras de muros de gravidade busca-se maior simetria para a adução com um duto de cada lado. Defeitos de sincronismos da operação das válvulas podem implicar em desigualdade de vazões em partes da câmara, o que se refletirá na segurança. A simetria obtida com dois dutos não é diferente da simetria dinâmica obtida com um só duto. A distribuição e a relação entre largura e comprimento da câmara podem gerar alguma diferença. Os sistemas de distribuição deverão ser adaptados às diferentes relações largura versus comprimento. Os partidores sempre terão que ser ajustados quanto à posição, em modelos físicos, devido à questão de irregularidades. Em relação ao funcionamento da câmara apenas o modelo reduzido, com a representação dinâmica tridimensional é que pode esclarecer o real funcionamento da distribuição e as implicações nas embarcações e comboios do ponto de vista de segurança.

6.3.1 Dutos Principais Os dutos principais são peças onde se deseja velocidade apropriada aos concretos comuns, ou no máximo aos concretos de boa resistência. Tem-se obtido bons resultados em termos de conservação em dutos onde a velocidade máxima situa-se entre 7 e 8 m/s, para concretos comuns e entre 10 e 12 m/s para concretos de alta resistência, os concretos de alta resistência a custos competitivos o “streamline” com desenvolvimento hirodinâmico dos contornos  permite velocidade de 12m/s. As curvas necessárias no duto principal deverão ser integradas de forma suave e com os maiores raios possíveis, embora, nem sempre haja espaço e solução econômica para a realização de curvas com grandes raios. A seguir são mostrados os passos para a verificação do potencial de cavitação em curva: 

Calcula-se a velocidade média máxima, pela vazão máxima prevista, número de  partições e geometria;



Determina-se a pressão média na curva, considerando, a favor da segurança de maneira que a perda de carga ocorra só na expansão da saída dos furos. 25

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(4)

2

∆h = Kfuros ×

U F 

2g

O N.A. na câmara no momento da vazão máxima calculado por modelo matemático, terá a carga antes da curva P M  = H a.curva−

U M 

(5)

2

2g

Determina-se a depressão na curva e portanto a pressão mínima através de valores experimentais paramétricos como apresentado por Design Criteria (1978) C P =

4 ⎛  R M   ⎞ + 1⎟ ⎜ ⎛  R M   ⎞ C  ⎟ − 1⎟ × ln⎜ ⎜  R ⎜  M  ⎟ ⎝  C   ⎠ −1⎟ ⎜ ⎝  C   ⎠

2

−1

2

C P ' =

(6)

∆P U  M 

2

(7)

2g P MIN  = P M  − ∆P

(8)

Onde:  R M  : raio médio da curva; C : metade da largura do conduto; C P :

relação entre depressão e a carga cinética local determinada experimentalmente Determina-se a pressão mínima admissível: ∆PFLUT  = K FLUT 

U M 

2

2g

(9)

As partições devem ser precedidas de suaves expansões compensadoras, de forma a se manter  as velocidades médias, ou seja, as vazões sem acelerações indesejáveis. O ideal é procurar  soluções com dutos de menor comprimento possível, uma vez que quanto mais desenvolvidos os dutos, maior a oscilação de massa que ocorrerá no final dos processos de enchimento e sobre-esvaziamento, sendo responsáveis por sobre-enchimento e sobre-esvaziamento, que 26 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

requerem cuidados operacionais de projeto. A estimativa desses valores de sobre-enchimento e esvaziamento poderá ser feita com modelo matemático. O sobre enchimento tem influencia no curso dos amarradores flutuantes e na operação da  porta de montante. O sobre-esvaziamento tem influencia na profundidade mínima da câmara, face ao assentamento da embarcação sobre a laje do teto da distribuição, bem com a influencia na operação de abertura da porta de jusante. 6.4

 Projeto de Esvaziamento

6.4.1 Manifols de Distribuição O esvaziamento é uma situação fundamentalmente diversa do enchimento, do ponto de vista da segurança das embarcações.   No processo de esvaziamento a energia potencial correspondente ao N.A. da câmara é transformada em cinética nos difusores de restituição, quando se tratar de retorno ao canal navegável e a energia é transformada em velocidade e ondas, quando devolvida em canal específico para restituição. O funcionamento do Manifolds de distribuição leva ao fluxo uma perda de carga maior que no enchimento, pois se projeta para a distribuição, hidrodinamicamente, ou seja, observam-se as linhas de fluxo “streamlines”, para menor perda possível no enchimento. As partições que podiam dividir vazões, no enchimento, de forma desequilibrada, devido a eventuais distribuições irregulares de velocidade funcionam apenas como pequenas expansões e se os fluxos partidos tiverem alguma diferença de velocidade a homogeneização acontecerá após certo comprimento, sem maiores conseqüências.  Nas eclusas de alta queda, o colchão d’água funcionará amortecendo eventuais diferenças de vazões de entrada nos orifícios dos manifolds de distribuição. Um projeto bem concebido de enchimento levará a um bom comportamento da operação de esvaziamento correspondente, no que tange a distribuição interna à câmara.

6.4.2 Válvulas As válvulas do esvaziamento poderão ser projetadas com mais tranqüilidade que as do enchimento, em termos de projeto não diferem das válvulas apresentadas no enchimento. As válvulas estão sujeitas a potenciais de cavitação próximos aos das válvulas de enchimento, mas poderão ser elevadas a cotas mais altas, de forma a se ter pressões negativas que  proporcionem entrada de ar sem que haja maiores preocupações com o mesmo. No mínimo o ar sairá através do manifold de restituição de jusante, de forma distribuída, em área afastada das garagens de barcos. As vantagens das comportas planas são no esvaziamento, uma vez que se pode ter  emulsionamento de ar à vontade, essas vantagens devem ser pensadas em face de desuniformidade de equipamentos, peças de reposição, treinamento de equipes de manutenção 27 Programa de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da UFMG

e operação. Tem-se optado sempre pela padronização, o que permite até eventual intercambio entre quatro válvulas de uma câmara. O revestimento em aço a jusante das válvulas do esvaziamento, só será preconizado, à semelhança do enchimento, se as condições de cavitação previstas assim o recomendarem, sendo essa a solução de melhor desempenho técnico-econômico.

6.4.3 Restituição Se a restituição ocorrer em canal separado da navegação de jusante, o projeto pode ser  simplificado. Entretanto, se for realizada no próprio canal de navegação de jusante será necessário dispersar a energia remanescente do esvaziamento de forma a não se ter  velocidades médias máximas ao largo do canal superiores a 2 m/s, nem circulação que levem a correntes transversais aos comboios, de qualquer ordem de grandeza de velocidade, além de não provocar ondas cuja amplitude venha a perturbar embarcações ou danificar margens não revestidas para tal efeito. Essas condições são fáceis de se obter quando a eclusa é realizada junto às estruturas de aproveitamento múltiplas, por exemplo, hidrelétrico em conjunto, pela falta de se ter à disposição, em geral, o canal de fuga e de restituição de vertedores para parte da vazão de esvaziamento da eclusa. É fundamental o afundamento do conjunto em uma bacia, cujas paredes, a pouca distância dos orifícios, funcionam homogeneizando o funcionamento da furação externa. Quanto à furação interna, a contraposição dos furos promove eficiente dissipação.

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