Análise do Funcionamento e da Aplicabilidade de Descarregadores de Cheias em Túnel em Aproveitamentos Hidroelétricos

Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos ANTÓNIO MIGUEL GAMEIRO DOS SANTOS MARQUES Dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL — ESPECIALIZAÇÃO EM HIDRÁULICA Orientador: Professor Doutor Francisco Taveira Pinto Co-Orientador: Doutor Engenheiro Pedro Manso MARÇO DE 2013 MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL 2012/2013 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446  m[email protected] Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440  [email protected]  http://www.fe.up.pt Reproduções parciais deste documento serão autorizadas na condição que seja mencionado o Autor e feita referência a Mestrado Integrado em Engenharia Civil - 2012/2013 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2013. As opiniões e informações incluídas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respectivo Autor, não podendo o Editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra em relação a erros ou omissões que possam existir. Este documento foi produzido a partir de versão eletrónica fornecida pelo respectivo Autor. Análise do funcionamento de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos Ao meu avô, Não deixes para amanhã, aquilo que podes fazer hoje. Cultura popular portuguesa Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos i AGRADECIMENTOS Agradeço ao meu orientador Professor Doutor Francisco Taveira Pinto todo o apoio, disponibilidade e paciência demonstrados ao longo de todo o trabalho. Ao meu coorientador, Professor Doutor Pedro Manso que, mesmo à distância, se disponibilizou ao máximo para ajudar sempre que necessário. Ao IHRH pelos recursos disponibilizados, em particular à Dona Esmeralda Miguel pela disponibilidade e ajuda. À Professora Elsa Carvalho pela amizade e motivação demonstrados no dia-a-dia de trabalho. À Joana Coutinho, pela contagiante boa disposição diária e pelo apoio proporcionado sempre que necessário. E por me ensinar que devo trabalhar tudo de uma vez, para no dia seguinte ter menos que fazer. Aos colegas, futuros engenheiros, pelos divertidos momentos proporcionados e, acima de tudo, pelo grande espírito de entreajuda desenvolvido. Aos frequentadores do C.A.T. por me proporcionarem incríveis momentos ao longo do meu percurso académico e pelas histórias que nunca esquecerei. Ao Pipo, ao Gonçalo, à Carol, à Jajão, ao Freitas e ao Prazeres por serem um exemplo de que a distância, por maior que seja, não impede grandes amizades. Por fim, agradeço aos meus pais, avós, tios, primos e à minha irmã, Rita, por me possibilitarem a melhor educação possível e por me aturarem, e me darem todo o seu apoio e a motivação necessária para a conclusão desta difícil viagem. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos iii RESUMO Considerando a importância dos descarregadores de cheias na constituição de uma barragem, este trabalho tem como objetivo estudar o funcionamento hidráulico e a aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel. Para isso, foram apresentados em primeiro lugar os diferentes tipos de barragens e de descarregadores de cheia existentes. Posteriormente, numa tentativa de compreender a existência de algum limite hidráulico que impeça a construção de um descarregador de cheias em túnel, foram analisadas, em maior pormenor, as características deste tipo de solução, assim como possíveis métodos de dimensionamento dos mesmos e a importância do seu correto arejamento, de forma a evitar problemas no seu funcionamento. Foi então compilada uma lista de diversas barragens que possuem descarregadores de cheia em túnel, e as características dos mesmos, tendo sido realizada, com essa informação, uma análise comparativa e dimensional, procurando compreender quais as variáveis que têm mais influência na capacidade de descarga deste tipo de órgão de segurança de barragens. Finalmente foi realizada uma análise a diferentes métodos de escavação de túneis, tendo-se verificado não existir nenhum limite tecnológico que possa inviabilizar a construção deste tipo de estrutura. Palavras-Chave: Descarregador de cheias em túnel, Dimensionamento, Análise Comparativa, Análise Dimensional, Escavação de Túneis. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos v ABSTRACT Considering the importance of flood spillways in a dam’s constitution, this work aims to study the hydraulic operation and applicability of tunnel spillways. For this, it is first presented the different types of existing dams and flood spillways. Subsequently, in an attempt to understand the existence of a hydraulic limitation that prevents the construction of a tunnel spillway, the characteristics of this type of solution were analyzed with more detail, as well as possible design methods and the importance of its proper aeration, preventing problems in its operation. A list of several dams that include tunnel spillways was then compiled, along with its characteristics, with this information, a comparative and dimensional analysis was performed, with the objective of trying to understand which variables have the most influence on the discharge capacity of this type of dam safety device. Finally an analysis was performed on different methods of tunnel opening, in an attempt to figure out if there is any technical limitation that could derail the construction of this type of structure. KEY-WORDS: Tunnel Spillway, Design, Comparative Analysis, Dimensional Analysis, Tunnel Opening. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos xiii SÍMBOLOS E ABREVIATURAS – Largura do descarregador de secção retangular [m] – Área do canal preenchida por água [m2] – Área de ar no escoamento [m2] – Área teórica molhada [m2] – Comprimento do descarregador de secção retangular [m] – Concentração média de ar no início do arejamento – Concentração média de ar à distância X – Altura da lâmina de água escoada pelo canal [m] – Diâmetro [m] – Diâmetro equivalente [m] – Aceleração da gravidade [m/s2] – Altura da conduta que se encontra preenchida por ar [m] – Altura útil do escoamento [m] – Diferença entre o nível de pleno armazenamento e a cota da água no final da curva [m] – inclinação do descarregador [m/m] – Perda de carga unitária [m/m] – Rugosidade equivalente [m] – Área do canal preenchida por ar [m2] – Coeficiente de Manning-Strikler [m1/3 s-1] – Comprimento da cavidade de ar [m] – Distancia a jusante do arejador até ao ponto de inicio do arejamento [m] – Distância a jusante do arejador [m] – Perímetro molhado [m] – descarga de ar por unidade de largura – Caudal [m3/s] – Raio do descarregador [m] – Raio da curva entre o troço mais e menos inclinado de um descarregador de cheias [m] – Número de Reynolds - Raio hidráulico [m] – Pressão de referência na secção [Pa] – Pressão atmosférica [Pa] – Pressão manométrica [Pa] – Pressão de vaporização da água [Pa] – Perímetro da parte da secção do túnel preenchida por ar [m] – Secção de escoamento [m2] – Velocidade do escoamento [m/s] – Velocidade média do escoamento [m/s] – Ângulo ao centro do escoamento [rad] – Ângulo ao centro entre o canal e a lâmina líquida [rad] – Coeficiente de resistência – Viscosidade cinemática [m2/s] – Massa volúmica [kg/m3] – Massa volúmica da água [kg/m3] – Índice de cavitação EUA – Estádos Unidos da América ICOLD – International Commitee On Large Dams NATM – New Austrian Tunneling Method RBM – Raise Boring Machine RSB – Regulamento de Segurança de Barragens TD – Túnel da Direita TE – Tunes da Esquerda WES – Waterways Experiment Station Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 1 1 INTRODUÇÃO A problemática da rutura de barragens tem levantado questões importantes no que toca ao dimensionamento e segurança de barragens. Esta questão está associada, na maioria dos casos, a um comportamento inadequado dos respetivos órgãos de segurança, particularmente dos descarregadores de cheia. Segundo o International Commitee on Large Dams (ICOLD), um terço das falhas em barragens foram provocados por galgamentos da barragem, este acontecimento deve-se principalmente a uma capacidade de descarga insuficiente por parte dos descarregadores de cheias instalados nessas barragens. As principais razões para o mau dimensionamento dos descarregadores são a falta de precisão dos métodos utilizados para prever as cheias a que a zona onde se encontra a barragem irá estar sujeita e a má especificação das condições de dimensionamento do descarregador. Nesta dissertação pretende-se analisar melhor a solução dos descarregadores de cheia em túnel e identificar em que condições tecnológicas, hidráulicas, geológicas, económicas e ambientais este tipo de solução é uma alternativa conceptual vantajosa e em que condições se poderá explorar os limites tecnológicos atuais. Apesar de possuírem grandes vantagens, como será referido mais à frente, este tipo de descarregadores não constitui uma solução frequentemente adotada em barragens, especialmente para cheias superiores a 2000 m3/s. O objetivo deste trabalho é, então, tentar compreender as razões que levam a que, na maioria dos casos, se opte por não construir um descarregador de cheias em túnel. O presente trabalho surge no âmbito da disciplina Dissertação em Hidráulica do Mestrado Integrado em Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. O estudo efetuado é apresentado ao longo de 6 capítulos, incluindo o atual, e constitui a dissertação submetida para satisfação parcial dos requisitos do grau de Mestre em Engenharia Civil – Especialização em Hidráulica. Em função deste objetivo, apresenta-se, em primeiro lugar, um enquadramento teórico que descreverá a importância das barragens para a sociedade atual, o tipo de barragens existentes e o tipo de órgãos constituintes destas, terminando numa análise sucinta aos diferentes tipos de descarregadores de cheias existentes e suas componentes. No terceiro capítulo, são enunciadas as principais vantagens e desvantagens da aplicação em barragens de descarregadores de cheia em túnel, analisando depois, em detalhe, as características de funcionamento hidráulico deste tipo de descarregadores, com o objetivo de dar a compreender as principais preocupações no dimensionamento dos mesmos e de forma a verificar se existe algum limite que impeça que esta solução seja mais vezes utilizada. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 2 No quarto capítulo encontra-se uma lista de diversas barragens, portuguesas e não só, que possuem descarregadores em túnel, assim como as suas características. Esta listagem serve para realizar uma análise comparativa e dimensional dos vários descarregadores deste tipo com o objetivo de tentar compreender de que forma foram dimensionados e identificar/obter algumas relações empíricas comuns entre os parâmetros de projeto dos mesmos. No quinto capítulo foram apresentados e analisados dois métodos mecânicos relativamente recentes para a escavação de túneis, de forma a verificar possíveis limitações dos mesmos e compreender de que forma apoiariam, ou não, a opção de construir um descarregador de cheias em túnel, Por último, serão apresentadas as conclusões do trabalho, tentando assim responder às questões colocadas:  Por que razão os descarregadores em túnel são alternativas conceptualmente interessantes?  Por que razão a construção de descarregadores em túnel não é mais comum?  Quais as condições que poderiam levar a que este tipo de solução fosse mais vezes utilizado? Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 3 2 ENQUADRAMENTO GERAL 2.1. A IMPORTÂNCIA DAS BARRAGENS PARA O DESENVOLVIMENTO SOCIAL As barragens, estruturas artificiais construídas pelo Homem com o objetivo de reter água escoada nos rios, foram, desde o início da história da Humanidade, essenciais ao seu desenvolvimento. A sua construção deve-se, principalmente, à escassez de água em épocas do ano com menor pluviosidade, períodos secos, e à consequente necessidade de armazenar água. Hoje em dia já são vários os objetivos pelo qual se constrói uma barragem, sendo alguns dos mais importantes a rega, o abastecimento de água (industrial e doméstico), o controlo de cheias e a regularização do caudal de rios. Este tipo de obra pode também ser utilizado para atividades recreativas, aquacultura, recarga de aquíferos, controlo de propagação de marés e até controlo de poluição. Em termos mundiais, a construção de barragens é uma solução com cerca de 5000 anos, estando as mais antigas situadas em regiões do Médio Oriente, Egipto e Índia. Em Portugal a construção de barragens existe desde o final do Séc. XIX (Afonso, 2001). 2.2. TIPOS DE BARRAGENS 2.2.1. BARRAGENS DE ATERRO Existem três tipos principais de barragens de aterro: de terra (com perfil homogéneo ou zonado), de enrocamento (com órgão de estanquidade a montante ou interno) e barragens mistas (com perfil constituído por dois maciços, um de terra e outro de enrocamento). Uma barragem de terra pode ser constituída por uma grande variedade de solos naturais. A sua capacidade de sofrer grandes deformações sem ocorrência de rutura e a sua elevada relação base/altura são as principais vantagens. Já uma barragem de enrocamento, dada natureza do material que a constitui, que é, por definição, grosseiro e com reduzida quantidade de finos, necessita de ser munida de um dispositivo que assegure a sua impermeabilidade. Isto é geralmente conseguido através da aplicação de uma cortina estanque vertical ou revestindo o talude de montante com uma membrana impermeável (por exemplo de betão) (Caldeira, 2001). Alguns exemplos de barragens de aterro em Portugal são, por exemplo, a barragem do Alvito ou de Montargil, figura 2.1. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 4 Fig. 2.1 - Barragem de Montargil (www.inag.pt). 2.2.2. BARRAGENS DE ALVENARIA E DE BETÃO As barragens de betão podem ser de diversos tipos: as mais simples em relação ao processo de dimensionamento são as barragens de gravidade, concebidas para resistir ao impulso da água que retêm apenas através do seu peso. A sua secção transversal é geralmente de forma triangular, sendo a sua planta reta ou com ligeira curvatura e o seu dimensionamento deve garantir a segurança quanto ao derrube e ao deslizamento, não podendo, claro, as tensões no corpo da barragem e na fundação ultrapassar os limites permitidos. A passagem de cheias nestas estruturas, mais antigas, processa-se através do galgamento frequente sobre trechos da barragem. Um dos exemplos mais recentes deste tipo de barragens é a barragem de Torrão, no rio Tâmega, a mais alta barragem portuguesa de gravidade, com 70 metros de altura concluída em 1988. Da evolução deste modelo construtivo, surgiram as barragens descarregadoras, que, ao contrário das anteriores, possuem comportas que permitem controlar o nível de água retido a montante e descarregar o volume em excesso quando necessário. A primeira barragem deste género em Portugal foi a barragem de Santa Luzia, na ribeira de Unhais, concluída em 1942, figura 2.2. Mais recentemente surgiram as barragens abóbada (ou arco), estruturas com curvatura em planta, com convexidade voltada para montante, permitindo transmitir o impulso da água principalmente para os encontros e não para o fundo do vale, utilizando para tal a resistência à compressão do material de que é feita. Nestas estruturas a espessura, na base, é pequena quando comparada com a altura. A mais recente abóbada de grandes dimensões construída em Portugal é a barragem de Alto Lindoso, no rio Lima, uma abóbada de dupla curvatura com 110 m de altura máxima. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 5 Fig. 2.2 – Barragem de Santa Luzia. (www.inag.pt) Existem ainda barragens de contrafortes, em que a resistência e a estanquidade são garantidas por estruturas distintas. A primeira é constituída por uma série de contrafortes paralelos e, em regra, equidistantes, de perfil geralmente triangular, sobre os quais se apoia a estrutura de estanquidade. Esta segunda pode ser uma laje; uma continuidade do contraforte, cuja cabeça é maciça, tendo em certos casos forma arredondada ou poliédrica - cabeça de diamante; ou em arco, designando-se então barragem de abóbadas múltiplas (Ramos, 2001). De entre as barragens de contraforte em Portugal é de referir a barragem de Caia, na ribeira do mesmo nome, uma obra concluída em 1967. 2.3. ÓRGÃOS GERALMENTE EXISTENTES EM APROVEITAMENTOS HIDROELÉTRICOS Um aproveitamento hidroelétrico é constituído por muitos órgãos que não apenas a barragem, funcionando esta apenas como obra de retenção de água, figura 2.3. Existe, antes de mais, um circuito hidráulico, cujo primeiro elemento é a tomada de água, isto é, um órgão que permite a captação de água para um canal ou galeria de derivação, uma câmara de carga, elemento que distribui a água para a conduta forçada, retendo corpos flutuantes e impedindo a entrada de sedimentos nas condutas, e amortecendo ainda os regimes transitórios. A conduta forçada permite o transporte de água até às turbinas onde é gerada a energia elétrica. O circuito hidráulico termina após a restituição da água das turbinas até ao curso de água. Existe também uma central com ligação à rede que transforma a energia e a liga diretamente à rede geral do país. Por fim, existem órgãos de descarga, ou de segurança de barragens, designados descarregadores. Estes deverão permitir o escoamento de cheias de projeto sem ser necessário recorrer a outros dispositivos de descarga, tais como tomadas de água ou descargas de fundo. A descarga deverá ser realizada em condições de segurança da estrutura, sendo suficientemente eficaz para que os níveis de água máximos previstos, a montante da obra, não sejam excedidos. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 6 Os caudais de cheia deverão ser conduzidos para jusante do aproveitamento, permitindo que a sua restituição seja o mais similar possível ao escoamento natural do rio, antes da construção do aproveitamento hidráulico (Proença, 2011a). De seguida irá ser dada maior atenção ao tema dos descarregadores dado serem o principal objeto de estudo desta dissertação. Fig. 2.3 – Esquema da constituição de um aproveitamento hidroelétrico (Proença, 2011a). 2.4. DESCARREGADORES DE CHEIAS De acordo com o Regulamento de Segurança de Barragens, artigo 14º, nº3, “os descarregadores de cheias devem ser aptos a escoar em qualquer circunstância a cheia de projeto sem necessidade de auxílio das descargas de fundo, tomadas de água ou outros dispositivos” (Portaria n.º 846/93). De acordo com os vários aspetos que lhe correspondem, existem diversas classificações possíveis para os descarregadores. Esta classificação deve ser feita em relação a dois aspetos:  Localização do descarregador no aproveitamento e existência ou não de meio de controlo de caudal;  Existência de condução ou não da lâmina líquida durante a descarga e tipo de dissipação de energia. No quadro 2.1 apresentam-se as características gerais dos principais tipos de descarregadores. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 7 Quadro 2.1 – Resumo dos principais tipos de descarregadores existentes (Proença, 2011a). Critério Classificação Aplicabilidade Controlo do Escoamento (A) Localização e controlo do escoamento A.1. Sobre a barragem Barragens de Betão Descarga livre, por sifão ou controlada por comporta Barragens de aterro (descarregadores não convencionais) Descarga livre A.2. Orifícios através da barragem Barragens de betão Descarga controlada por comportas A.3. Canal de encosta Qualquer tipo de barragem Descarga livre ou controlada por comportas A.4. Poço (vertical ou inclinado) Barragem de terra ou de enrocamento (poço, seguido de galeria sob a barragem). Barragem de qualquer tipo (galeria escavada) Descarga livre ou controlada por comportas A.5. Fusível Qualquer barragem (de emergência, lateral à barragem). Descarga livre (B) Guiamento da lâmina líquida e dissipação B.1. Queda livre e dissipação de energia no leito Com e sem proteção do leito, com ou sem sobrelevação do nível natural do rio. Localização e controlo segundo A.1 ou A.2. B.2. Queda guiada e trampolim de saída com dissipação no leito Com e sem proteção do leito, com ou sem sobrelevação do nível natural do rio. Localização e controlo segundo A.1, A.2, A.3 e A.4. B.3. Queda guiada e obra de dissipação de energia Localização e controlo segundo A.1, A.2, A.3 e A.4. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 14 descargas deverão ser controladas de forma a não colocar em perigo a estabilidade da barragem. Os danos causados pela descarga na zona de restituição deverão ser cuidadosamente avaliados e os estudos para estimação da cheia de projeto deverão ser o mais precisos possíveis. Na escolha do tipo de descarregador de cheias a construir numa barragem, deverá ser seguido um processo metódico constituído por diferentes etapas. Em primeiro lugar deverá realizar-se um estudo preliminar das diferentes possibilidades que permitam escoar, pelo menos, uma parte da cheia de projeto, armazenando em segurança o restante excesso de água. Nesta altura deverá já pensar-se qual o tipo de estrutura de controlo a utilizar. De seguida deverão ser selecionadas diferentes estruturas, adequadas às condições geográficas e topográficas do local, capazes de descarregar, em segurança, a cheia de projeto. Nesta altura deverá considerar-se o tipo de estrutura de dissipação de energia a instalar no final do descarregador. É necessário então analisar diferentes combinações possíveis entre os vários tipos de galerias de descarga e estruturas de dissipação de energia com as estruturas de controlo selecionadas anteriormente. A partir deste ponto são conhecidas todas as bases necessárias para a realização de um estudo económico para calcular a melhor combinação entre o volume de água a descarregar e a ser retido. O quarto passo na escolha do tipo de descarregador de cheias a construir consiste na realização de um estudo económico das diferentes alternativas consideradas anteriormente, incluindo os custos acrescidos pela capacidade de armazenamento necessária na albufeira requerida por cada solução considerada. A validade da solução aparentemente mais económica depende da existência de uma diferença considerável entre o custo total das alternativas, principalmente quando se comparam soluções com entrada em soleira e soluções com comportas. A construção de uma soleira descarregadora oferece vantagens em relação a uma entrada controlada por comportas devido à sua simplicidade, independência de mecanismos operacionais e de pessoal para operar a entrada da água. É por isso considerada pelos projetistas, como a solução mais apropriada, caso não exista uma grande vantagem económica na utilização de comportas e o bom funcionamento das mesmas esteja assegurado. A construção de uma soleira descarregadora é ainda vantajosa no caso da barragem se situar num local remoto e onde exista a necessidade de descarregar uma cheia instantânea. A aplicação de comportas pode conduzir a uma descarga superior à capacidade do descarregador, caso estas sejam abertas mais do que o previsto, risco que não se verifica nas soleiras descarregadoras. No entanto esta solução possui algumas vantagens, reduzindo a capacidade de armazenamento necessária para a albufeira, permitindo maior flexibilidade no controlo do volume de água retido pela mesma e, em caso de acidente, possibilitam um rápido esvaziamento e acesso ao descarregador para operações de manutenção. A sua utilização torna-se significativamente mais segura quando ligada a uma estação de controlo da barragem que se encontre permanentemente em funcionamento. As vantagens proporcionadas pela utilização de comportas deverão estar claramente estabelecidas e o seu bom funcionamento deve ser garantido antes desta opção ser selecionada como solução final. Por último, o projetista deverá escolher a solução a construir, tendo em conta a sua experiência profissional, as diferenças de preço relacionadas com os fatores atrás mencionados e todos os critérios de segurança e funcionamento a cumprir (Scherich, 1988). Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 15 3 DESCARREGADORES EM TÚNEL 3.1. INTRODUÇÃO No capítulo anterior foram mencionados os benefícios da construção de aproveitamentos hidroelétricos e os tipos de barragens existentes. Foram ainda listados os diferentes tipos de descarregadores de cheias existentes, bem como os órgãos constituintes dos mesmos. Ao longo deste capítulo irá ser prestada maior atenção aos descarregadores de cheia constituídos por um túnel, tema principal desta dissertação. Serão apresentados, em primeiro lugar as vantagens e desvantagens da construção deste tipo de órgão de descarga de cheias, seguindo-se uma explicação dos critérios de projeto verificados, atualmente, neste tipo de obras. 3.2. NORMAS DE PROJETO Segundo o Regulamento de Segurança de Barragens, Artigo 15º: 1 — O projeto deve incluir os critérios e os modelos de dimensionamento dos órgãos de segurança e exploração, nomeadamente os descarregadores de cheias, as descargas de fundo e a central e circuitos hidráulicos, bem como das obras de derivação provisória, designadamente dos pontos de vista de comportamento hidráulico e estrutural. 2 — No dimensionamento dos órgãos de segurança e exploração, serão considerados os seguintes aspetos gerais: a) As cheias de projeto e de verificação, nas fases de construção e de exploração, tomando em conta os danos potenciais induzidos pela barragem, e considerando a eventual existência de barragens a montante e a jusante; b) Os órgãos de segurança e exploração, visando a regulação do nível de água na albufeira, quer em condições normais de exploração quer em situações de emergência; c) O cálculo do tempo necessário para o esvaziamento da albufeira; d) A previsão dos dispositivos necessários para proceder à dissipação de energia dos caudais descarregados e turbinados, sem prejuízo para a barragem e para outras obras que possam ser afetadas; e) As soluções adotadas, justificadas por métodos comprovados pela experiência e com recurso, sempre que necessário, à utilização de modelos hidráulicos e estruturais. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 16 3 — Os descarregadores de cheias devem ser aptos a escoar a cheia de projeto em qualquer circunstância, sem necessidade de auxílio das descargas de fundo ou de outros órgãos de exploração, e satisfazer os seguintes requisitos quando munidos de comportas: a) Devem ser divididos em, pelo menos, dois vãos ou orifícios; b) As comportas de serviço, sempre que o seu tipo o permita, devem poder ser manobradas localmente e à distância, e mediante energia de natureza elétrica ou hidráulica procedendo de duas origens distintas, além de poderem ser acionadas manualmente nos casos em que a sua dimensão permita tal manobra em tempo útil; c) No caso de se instalarem comportas automáticas, estas devem ser providas de dispositivos que permitam comprovar o seu automatismo e respetiva fiabilidade. 4 — As descargas de fundo devem permitir o esvaziamento da albufeira e ser equipadas com duas comportas de características idênticas às descritas na alínea b) do número anterior, uma funcionando como segurança e a outra destinada ao serviço normal da exploração, excetuando -se, quando devidamente justificado, as barragens incluídas nas classes II e III. 3.3. VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS DESCARREGADORES EM TÚNEL Os descarregadores em túnel são, geralmente, muito vantajosos em barragens situadas em vales estreitos e com grandes declives, e, uma vez que não implicam qualquer risco para o suporte lateral da barragem, são apropriados para barragens cujas margens não são adequadas à construção devido à possível ocorrência de derrocadas. Um outro fator que leva à escolha deste tipo de descarregador de cheias é a possibilidade de aproveitar o desvio provisório por galeria, executado no início da construção da barragem. Por fim, uma vez que, para a construção destes descarregadores, não é necessária uma tão grande escavação a céu aberto, a obra irá implicar um menor impacte visual. Por outro lado, os descarregadores de cheias em túnel são de difícil dimensionamento. O escoamento no túnel deve ser em superfície livre, por questões de segurança estrutural, decorrentes da pressão exercida na parede da galeria e da possibilidade de ocorrência de ressalto hidráulico contra a abóbada. Para isto, é por vezes necessária a construção de uma conduta de arejamento que introduz o ar necessário para que o escoamento se processe em superfície livre. É necessário ainda ter em conta a possibilidade do orifício de entrada ficar obstruído por troncos de árvores ou outros detritos transportados pelo rio. Os descarregadores em túnel podem levar, ainda, a uma situação muito delicada pois, em caso de mau funcionamento, o seu arranjo não é tão fácil de executar como em outros descarregadores, podendo levar à rutura do túnel, colocando a barragem em risco de colapso. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 17 3.4. CRITÉRIOS DE PROJETO ATUAIS Os descarregadores de cheias em túnel são constituídos, geralmente, por um órgão de controlo de entrada de água, e uma galeria que se divide numa parte inclinada, e numa parte aproximadamente horizontal, que transporta a água para jusante da barragem. Como órgão de controlo do caudal descarregado, é geralmente utilizada uma soleira descarregadora, nomeadamente do tipo WES, que poderá ser equipada, ou não, com comportas do tipo segmento. Quanto à galeria, a sua configuração, em perfil, engloba um trecho inicial muito inclinado e um trecho final praticamente horizontal, como foi referido, e que termina numa obra de dissipação de energia. De forma a facilitar a mudança de declive é construída uma secção em curva, figura 3.1. A secção transversal do trecho inclinado, logo após a soleira descarregadora, possui uma forma retangular devido à existência de comportas. Importa, por isso, referir a transição que deverá ocorrer de forma a tornar a secção circular ou em forma de ferradura, formas que permitem um escoamento mais estável dos caudais de cheia. Fig. 3.1 – Esquema habitual de um descarregador de cheias em túnel (Khatsuria, 2005). O escoamento no túnel processa-se de forma rápida e sem pressões, ou seja em superfície livre. Assim, por questões económicas, o diâmetro da galeria deverá ser o mais pequeno possível, sendo de dimensão suficiente para que nunca ocorra uma descarga em secção cheia, evitando assim a ocorrência de efeito de sifão. Os descarregadores de cheia em túnel são geralmente dimensionados para índices de enchimento entre 0,75 e 0,875, de forma a permitir que a passagem de ar se processe ao longo de toda a conduta. O trecho em curva que une a parte inclinada à parte horizontal da galeria é, não só, a parte mais difícil de construir, mas também uma das mais complicadas de dimensionar. Teoricamente, é nesta zona que o escoamento sofrerá maiores distúrbios, existindo também um aumento da pressão no túnel, podendo levar a graves problemas de cavitação. O raio da curva deverá, então, ser de dimensão adequada para que a transição entre os dois trechos se processe da forma o mais suave possível. Numa fase inicial do dimensionamento, uma opção conservativa para o raio da curva seria dada pela equação: Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 18 (1) em que representa a diferença entre o nível de pleno armazenamento e a cota da água no final da curva. Por último, o trecho final do túnel, horizontal ou ligeiramente inclinado, deverá, caso seja necessária a construção de uma obra de dissipação, sofrer uma nova transição, desta feita de secção circular ou em ferradura novamente para secção retangular (Khatsuria, 2005). 3.4.1. CÁLCULO DO DIÂMETRO DO TÚNEL Uma vez que se pretende que o escoamento se processe em superfície livre e que a lâmina líquida se mantenha o mais estável possível, é possível estimar o diâmetro da conduta descarregadora, de forma simplificada, através da aplicação da equação da continuidade, da fórmula de Manning-Strikler e das relações geométricas entre a conduta e a altura de água por ela escoada. Tendo em conta a equação da continuidade: (2) em que corresponde ao caudal que se pretende escoar (m3/s), a velocidade de escoamento (m/s) e a secção do escoamento no plano perpendicular ao eixo do coletor (m2). A fórmula de Manning-Strikler é dada por: (3) Onde representa o coeficiente de Manning-Strikler (rugosidade do material da conduta), o raio hidráulico e a perda de carga unitária (coincidente com a inclinação do coletor). Analisando as relações geométricas da água escoada na tubagem (fig. 3.2): Fig. 3.2 – Relações geométricas entre uma tubagem e a altura de água por ela escoada. Sabemos que: (4) (5) (6) Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 19 Substituindo na equação (2) obtém-se: √ (7) Sabendo o índice de enchimento desejado para a conduta pode-se determinar o valor de e sabendo, também, o caudal que se pretende descarregar e a inclinação que se pretende dar ao túnel, é então possível determinar o diâmetro que o mesmo deverá ter (Proença, 2010). Uma outra forma, mais exata, de dimensionar o canal de descarga, é através da fórmula de ColebrookWhite: √ √ (8) Em que é o coeficiente de resistência, é a rugosidade equivalente e é o número de Reynolds. Sabendo que os valores de e de resultam das expressões: (9) (10) A fórmula de Colebrook-White pode então ser desenvolvida, resultando a seguinte expressão matemática: √ √ (11) Através desta, é possível determinar o diâmetro mínimo que a conduta deverá possuir para escoar determinado caudal, , em secção cheia. Uma vez que se pretende que o escoamento se processe em superfície livre, deve-se substituir, na equação (11), o valor do diâmetro pelo seu equivalente: (12) Correspondendo , ao raio hidráulico no canal, ou seja, ao quociente entre a área da conduta preenchida por água e o perímetro molhado. Este, para ser calculado, requer em primeiro lugar o conhecimento da altura da conduta que se encontra preenchida por ar, : (13) sendo a altura da lâmina de água escoada pelo canal. Sabendo o valor de , é possível calcular o ângulo ao centro entre o canal e a lâmina líquida, , a área do canal preenchida por ar, , e por água, , o perímetro da parte do túnel preenchido por ar, , e o perímetro molhado, : (14) (15) (16) (17) (18) Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 20 A figura 3.3 ajuda a compreender melhor o que representam cada uma destas grandezas, correspondendo o raio da conduta: Fig. 3.3 – Esquema das grandezas necessárias para o cálculo do raio hidráulico (www.ajdesigner.com). O raio hidráulico pode então ser definido como: (19) Tendo em consideração o resultado obtido através do desenvolvimento da fórmula de ColebrookWhite, (11), da fórmula (12), e sabendo o ângulo ao centro correspondente ao índice de enchimento pretendido, é possível então determinar o raio, e consequente diâmetro, que o canal deverá possuir. 3.4.2. PROBLEMAS DE CAVITAÇÃO E A IMPORTÂNCIA DE UM CORRETO AREJAMENTO DO TÚNEL A cavitação num líquido em movimento consiste na formação e subsequente colapso de bolhas preenchidas por vapor. Estas bolhas formam-se, no seio do líquido do escoamento, em zonas onde a pressão local desce até atingir a tensão do vapor; quando estas bolhas são transportadas para uma região em que a pressão local é superior à tensão do vapor colapsam, dando origem à criação de pressões localizadas muito elevadas que resultam em flutuações de pressão, vibrações e ruido. Se este colapso ocorrer junto das superfícies do canal que limita o escoamento, estas ficam submetidas a forças localizadas muito intensas e de alta frequência, podendo verificar-se erosão por cavitação. Estas descidas de pressão localizadas resultam, na maioria dos casos, de flutuações turbulentas de pressão provocadas por vórtices originados por descontinuidades das superfícies (Quintela e Pinheiro, 2001). Quando a água segue por uma curva vertical, a aceleração do escoamento tende a eliminar a camada de ar, verificando-se, por isso, altas velocidades junto à parede da conduta, tornando-se mais provável a ocorrência de erosão por cavitação a jusante da curva, onde a pressão diminui repentinamente e a turbulência aumenta. A grande quantidade de danos verificados em descarregadores de cheias em túnel deve-se a este efeito (Pinto, 1988). Esta erosão pode ser reduzida, ou até mesmo prevenida, se for garantido um arejamento suficiente e constante do túnel. A presença de ar no canal descarregador permite ainda um maior volume de água escoada e reduz as perdas por atrito (Chanson, 1992). Assim, torna-se extremamente importante garantir a existência, no canal, de um satisfatório fluxo de ar. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 21 Garantir este auto arejamento pode nem sempre ser uma tarefa fácil pois, como é sabido, o emulsionamento do ar, provocado pela grande velocidade de escoamento, aumenta a área de secção molhada do canal (Álvares Ribeiro, 1970), reduzindo a quantidade de ar existente e dificultando a entrada no mesmo. A ter em conta, ainda, que caso a secção do canal ocupada por ar seja menor do que 5% da área total do mesmo, o escoamento deixará de se processar em superfície livre (Chanson, 1992). Então, o correto dimensionamento de um sistema de arejamento depende de uma correta avaliação da quantidade de ar a entrar pelo arejador e da quantidade de ar a garantir perto da superfície (Pinto, 1988). Investigações experimentais dos efeitos de arejamento sugerem que uma concentração de ar de 5 a 10% perto da superfície a ser protegida praticamente elimina os riscos de cavitação. Em descarregadores de soleira normal, em barragens de betão do tipo galgável, é usual utilizar-se para determinar o aumento de secção devido ao emulsionamento de ar, a fórmula de Douma: √ (20) Sendo a área total molhada tendo em consideração o emulsionamento de ar, a área teórica molhada, a velocidade média de escoamento, a aceleração gravítica e o raio hidráulico (Álvares Ribeiro, 1970). No caso da utilização de soleiras descarregadoras como orifício de entrada, a presença de ar acima do escoamento é garantida pelas mesmas. O mesmo não se verifica no caso da construção de um poço vertical, onde, para garantir a entrada de ar, é comum a construção de um poço de ventilação, fig. 3.4. Fig. 3.4 – Exemplo de um poço de ventilação, barragem das Campilhas (www.inag.pt). Poderão existir, no entanto, zonas ao longo do descarregador onde a concentração de ar desce abaixo do nível mínimo requerido. Nestes casos deverão ser construídos arejadores extra, que garantam o arejamento natural do escoamento junto à superfície inferior do túnel descarregador. Os dispositivos mais simples para cumprir com este objetivo consistem em rampas ou degraus. A súbita descontinuidade no túnel cria uma interface ar-água ao longo da qual a água, a alta velocidade, arrasta o ar num intenso processo de mistura (Fig. 3.5 a) e b)). Poder-se-á, também, construir uma galeria transversal ou um ligeiro intervalo, melhorando assim a qualidade do arejador (Fig. 3.5 c) e d)). Também é possível a construção de uma mistura entre as diferentes soluções mencionadas (Fig. 3.5 e) e f)). Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 22 Fig. 3.5 – Principais tipos de dispositivos de arejamento (Pinto, 1988). Para garantir a admissão de ar no espaço a seguir ao degrau ou rampa, deve ser construída uma chaminé de arejamento, ranhuras ou reentrâncias na parede do túnel, ou cunhas laterais, de acordo com as especificações de projeto (Fig. 3.6). Fig. 3.6 – Principais soluções para garantir a entrada de ar (Pinto, 1988). A definição das proporções ideais entre as diferentes partes constituintes de um sistema de arejamento constitui, assim, um dos principais problemas do dimensionamento de um descarregador de cheias em túnel (Pinto, 1988). 3.4.3. DIMENSIONAMENTO DE UMA RAMPA DE AREJAMENTO A necessidade de construir uma rampa de arejamento é geralmente determinada através da avaliação do potencial de cavitação ao longo de todo o descarregador. Este pode ser calculado através do índice de cavitação, σ, (21) sendo que, (22) Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 23 correspondendo à pressão de referencia na secção, à pressão atmosférica, à pressão manométrica, à pressão de vaporização da água, à densidade da água e à velocidade do escoamento. São expetáveis danos causados por cavitação em zonas onde o índice de cavitação é menor que 0,2. Além da velocidade do escoamento, a ocorrência de danos de cavitação depende também das irregularidades existentes na superfície do descarregador, da resistência do material que o constitui, e do seu comprimento. A rampa de arejamento separa o caudal a ser descarregado da superfície do descarregador, formando uma cavidade por onde o ar pode entrar, prevenindo assim o risco de danos provocados por cavitação. Uma vez que o índice de cavitação depende da velocidade de escoamento e da pressão verificada, o caudal máximo a descarregar não corresponde necessariamente ao mais baixo valor deste índice. O correto funcionamento de uma rampa de arejamento deverá ser comprovado em modelo físico, a não ser que se verifique uma grande semelhança em relação a outro projeto já existente que tenha sido já testado. Um método para o dimensionamento de um sistema de arejamento num canal comum consiste dos seguintes passos: 1. Realizar uma análise do escoamento a partir de um determinado caudal de descarga, aumentando-o 20% em cada análise, até se atingir o caudal máximo a descarregar na secção; 2. Para uma avaliação preliminar, determinar o local mais a montante, onde, para o caudal máximo a descarregar, a velocidade do escoamento é de aproximadamente 30 m/s, local onde será necessária proteção por arejamento. Resultados experimentais indicam que até este ponto não ocorrem danos significativos provocados por cavitação; 3. Determinar os índices de cavitação ao longo de todo o descarregador, para cada gama de caudais considerada no ponto 1; 4. Determinar o local mais a montante, onde o índice de cavitação é menor que 0,20, ou menor que o índice de cavitação crítico para irregularidades na superfície do descarregador, calculando, depois, o local onde deverá ser instalada a primeira rampa de arejamento para que o ponto de impacto do escoamento a jusante desta corresponda a esse mesmo ponto; 5. Tendo em conta a frequência de utilização do descarregador e os caudais a descarregar pelo mesmo, cada rampa deverá ser dimensionada de forma a garantir uma quantidade de ar correspondente a 10% do caudal máximo de descarga; 6. O comprimento da cavidade de ar, , correspondente ao caudal máximo a descarregar, poderá ser calculado através da seguinte equação: (23) sendo a descarga de ar por unidade de largura e a velocidade média do escoamento ao aproximar-se da rampa; 7. Determinar as características geométricas a fornecer à rampa de forma a garantir o comprimento da cavidade de ar necessário. Estas características podem ser calculadas utilizando os programas de modelação computacional; 8. Dimensionar a conduta de arejamento de forma a garantir o fluxo de ar do ponto 6. A subpressão não deverá ser superior a -1,0 m e a velocidade de entrada do ar não deverá ultrapassar os 80 m/s de forma a evitar ruídos excessivos e o estrangulamento do escoamento; Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 30 Quadro 4.1 – Exemplos de descarregadores em túnel existentes. Barragem Localização Ano de conclusão Orifício de Entrada Nº de túneis Capacidade de Descarga (m3/s) Secção do túnel Perfil do túnel Comportas Nome Tipo Altura acima da fundação (m) Comprimento do Coroamento (m) Tipo Largura (m) X Altura (m) Comprimento (m) Planta Inclinação (%) Nº Tipo Largura (m) X Altura (m) Aldeadávila Arco 139,5 250 Espanha 1963 Soleira 1 1400 Circular D=10,40m Retilíneo 2 Segmento 12,5 X 9,7 Glen Canyon Arco Gravidade 220 480 E.U.A. 1966 2 7815 D=12,5 0,35 2X2 Segmento TE:12,2 X 16 TD:12,2 X 16 Round Butte Aterro 130 442 E.U.A. 1964 1 776 D=6,4 579.1 1 Segmento 9,14X10,97 Yellowtail Gravidade Arco Fino 160 450 E.U.A. 1967 1 2600 D=9,75 368 0,4 2 Segmento 7,6X19,6 San Luis Aterro 116 5639 E.U.A. 1967 Tulipa 1 29,2 Circular D=2,9 94 1 Mornos Aterro 135 815 Grécia 1976 1 1135 0 Cirata Aterro 125 453 Indonésia 1987 2 2600 D=10 2X2 Segmento Selorejo Aterro 49 447 Indonésia 1970 1 680 2 Segmento 10 X 2 Riam Kanan Aterro 57 195 Indonésia 1983 Tulipa 500 Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 31 Quadro 4.1 – Exemplos de descarregadores em túnel existentes. Barragem Localização Ano de conclusão Orifício de Entrada Nº de túneis Capacidade de Descarga (m3/s) Secção do túnel Perfil do túnel Comportas Nome Tipo Altura acima da fundação (m) Comprimento do Coroamento (m) Tipo Largura (m) X Altura (m) Comprimento (m) Planta Inclinação (%) Nº Tipo Largura (m) X Altura (m) Bakhtyari Arco Duplo 315 434 Irão Em fase de projeto 1 5830 Circular D=11m 10 2 Segmento 17,7 X 11 Dez Arco Duplo 203 280 Irão 1963 2 6000 400 2X2 Segmento 10,5X17,37 Kowsar Arco Gravidade 144 190 Irão 2004 2 D=10 Makoo Aterro 78 210 Irão 1994 1 600 D=5,7 Cancano II Arco Gravidade 136 Itália 1956 1 220 190 Monte Cotugno Aterro 258 1850 Itália 1982 2 450 TE: Cálice TD:Circular TE:D=6,20 TD:D=6,20 TE:1104 TD: 1075 TE:0,3 TD:8,0 Mulargia Arco Gravidade 99 272 Itália 1957 1 425 Circular D=6,0 2,3 2 Corrediça 8 X 6,5 Pieve di cadore Arco Gravidade 108 410 Itália 1949 1 750 Circular D=7,75 140 2 Charneira 9 X 6,60 Ponte racli Arco Duplo 50.6 110 Itália 1952 2 1290 D=6,0 2X3 2 Setor 4 Charneira 8 X 6,40 10 X 2,60 Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 32 Quadro 4.1 – Exemplos de descarregadores em túnel existentes. Barragem Localização Ano de conclusão Orifício de Entrada Nº de túneis Capacidade de Descarga (m3/s) Secção do túnel Perfil do túnel Comportas Nome Tipo Altura acima da fundação (m) Comprimento do Coroamento (m) Tipo Largura (m) X Altura (m) Comprimento (m) Planta Inclinação (%) Nº Tipo Largura (m) X Altura (m) Santa Giustina Arco 152,5 124,2 Itália 1950 1 343 D=5,5 273 2 Corrediça 9 X 4,5 Talvacchia Arco Gravidade 72,12 225,85 Itália 1960 1 902,4 125 4 Charneira Vajont Arco Duplo 264,6 190,15 Itália 1960 1 132 D=4.5 116 2 Corrediça 1,8 X 2,6 Val noana Arco Duplo 102 143,4 Itália 1958 1 150 Ferradura D=3,9 190,6 5 2 Charneira 4 X 3,5 Nagawado Arco Duplo 155 355,5 Japão 1969 1 1800 2 Segmento Sayano Shushenskoe Arco Gravidade 245 1066 Russia Descarregador em tunel em fase de construção 2 4000 Ferradura 10 X 12 1026.4 6,5-1,91 2 Segmento 18 X 8,7 Deriner Arco Duplo 249 720 Turquia 2011 2 2250 Circular D=8 420 446 31,5 2 Charneira Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 33 Observando os quadros 4.1 e a figura 4.1 é possível constatar que as barragens de betão possuem, em média, um maior caudal de descarga do que as barragens de aterro. É de referir a barragem de Xiaolangdi (China), a barragem de aterro com maior caudal de descarga, 17000 m3/s, superior ao da barragem de Xiluodu (China), a barragem de betão com maiores valores nesta classe, 16000 m3/s. A barragem de betão que apresenta menores caudais de descarga é Vajont (Itália), 132 m3/s, sendo este valor muito superior ao da barragem de Capinha, a barragem de aterro com menor caudal a descarregar, 26,3 m3/s. Fig. 4.1 – Média do caudal a descarregar para cada tipo de barragem. Ao comparar o caudal descarregado por cada túnel em relação ao tipo de entrada do mesmo, concluise, tal como mostra a figura 4.2, que para grandes caudais de descarga, a escolha mais usual para órgão de entrada de água é a soleira descarregadora. Fig. 4.2 - Tipo de obra de entrada no descarregador Vs. média dos caudais descarregados pelo túnel. 1133 1772 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Média do caudal a descarregar (m3/s) Tipo de barragem Aterro Betão 712 2035 916 0 500 1000 1500 2000 2500 Média do caudal descarregado pelo túnel (m3/s) Tipo de obra de entrada do descarregador Poço Soleira Tulipa Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 34 Quanto à evolução dos caudais descarregados por um só túnel, a figura 4.3 mostra que até meados da década de 60, não existia qualquer descarregador com capacidade superior a 1640 m3/s, igual ao caudal descarregado pela barragem de Sanmenxia (China). Desde então foram construídos descarregadores com capacidades muito superiores, estando ainda em fase de projeto a construção do descarregador da barragem de Bakhtyari (Irão), que se prevê vir a ter capacidade suficiente para descarregar até 5830 m3/s. Fig. 4.3 – Ano de conclusão da construção do descarregador Vs. Capacidade de descarga do mesmo. . A figura 4.4 compara o caudal a descarregar por cada túnel em relação à altura da barragem. É possível verificar que, na maioria dos casos, quanto maior a altura, maior será o caudal a descarregar, este facto deve-se, muito provavelmente, à consequente maior carga hidráulica verificada. Conclui-se então que os descarregadores de cheias em túnel podem ser aplicados qualquer que seja a altura da barragem, permitindo descarregar uma vasta gama de caudais. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Capacidade de descarga do túnel descarregador (m3/s) Ano de Conclusão Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 35 Fig. 4.4 – Altura acima da fundação Vs. Capacidade de descarga do túnel descarregador. Com base nas especificações dos túneis descarregadores disponíveis, tentou-se encontrar uma relação entre o caudal descarregado por cada túnel e o diâmetro equivalente do mesmo. Nesta análise considerou-se o diâmetro equivalente porque, uma vez que alguns dos descarregadores possuem secções não circulares, era a maneira mais simples de as comparar a todas. Nos descarregadores com secções retangulares, para o cálculo do diâmetro equivalente, utilizou-se a fórmula (25), cujo resultado implica, numa secção circular, a mesma perda de carga de uma retangular. Na fórmula e correspondem à largura e altura em metros do descarregador de secção retangular (http://www.engineeringtoolbox.com). (25) Como se pode ver na figura 4.5, quanto maior o caudal a descarregar, maior será o diâmetro equivalente, sendo esta relação, para as barragens analisadas, muito aproximada a uma função logarítmica. De referir ainda que para pequenos caudais como o verificado na barragem de San Luis (E.U.A.), de 29,2 m3/s, é necessário um diâmetro bastante considerável de 2,9 m. 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 050 100 150 200 250 300 350 Capacidade de descarga do túnel (m3/s) Altura acima da fundação (m) Construídos A construir Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 36 Fig. 4.5 – Capacidade do túnel descarregador Vs. Diâmetro equivalente do mesmo. No entanto, aquando do dimensionamento de um descarregador em túnel, tal como em qualquer outro órgão de escoamento de caudais, a inclinação do túnel tem grande importância pois condiciona a velocidade do escoamento e, consequentemente, a estabilidade do mesmo. A figura 4.6 compara a capacidade de descarga do túnel com a inclinação do mesmo e, como se pode observar, com inclinações ligeiras (entre 0,3 e 1%), é possível descarregar uma grande gama de caudais distintos. Inclinações um pouco maiores foram também utilizadas para caudais de dimensionamento muito diferentes. É este o caso da barragem de Monte Cotugno (Itália), onde para um caudal de cheia máximo de 225 m3/s se utilizou uma inclinação de 8%, enquanto na barragem de Bakhtyari (Irão), foi utilizada uma inclinação de 10% para descarregar um caudal de 5830 m3/s. Um caso que se destaca dos restantes é a barragem de Deriner (Turquia), onde devido às difíceis condições geológicas foi necessário construir um descarregador de cheias com a mesma inclinação do terreno 31,5% (Cekerevac, et al, 2009). y = 2,3028ln(x) - 7,0993 R² = 0,7033 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Diâmetro equivalente (m) Capacidade do túnel descarregador (m3/s) Construidos A construir Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 37 Fig. 4.6 – Capacidade do túnel descarregador Vs. Inclinação do mesmo. Por último, comparou-se o comprimento dos túneis descarregadores com o caudal descarregado, figura 4.7. Nas diversas barragens analisadas, existe uma grande gama de caudais a serem descarregados por túneis de diferentes comprimentos, concluindo-se assim não haver qualquer correlação entre o comprimento dos túneis dos descarregadores de cheias e a capacidade de descarga dos mesmos. Fig. 4.7 – Capacidade do túnel descarregador Vs. Comprimento do mesmo. 0 5 10 15 20 25 30 35 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Inclinação do túnel descarregador (%) Capacidade do túnel descarregador (m3/s) 0 200 400 600 800 1000 1200 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Comprimento do túnel descarregador (m) Capacidade do túnel descarregador (m3/s) Construidos A construir Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 38 4.3. ANÁLISE DO DIMENSIONAMENTO DOS TÚNEIS DESCARREGADORES Com o objetivo de tentar compreender de que forma os descarregadores de cheias em túnel foram dimensionados, procedeu-se ao cálculo, para as barragens cujas características são conhecidas, da capacidade de descarga, do diâmetro e da inclinação através da fórmula de Manning-Strikler (7), tendo-se optado por considerar um coeficiente de Manning-Strikler de 75 m1/3 s-1 e um índice de enchimento de 0,8, ou seja, um ângulo ao centro, , de 4,4286 radianos, valor deduzido através da fórmula (4). O quadro 4.2 mostra os resultados deste cálculo, na coluna de nome Manning-Strikler encontram-se a capacidade do descarregador de cheias segundo esta formula, tendo em conta as suas características, o diâmetro que seria necessário para descarregar o caudal de cheia tendo em conta a inclinação existente, e a inclinação necessária tendo em conta o diâmetro existente. A coluna apelidada de diferenças apresenta, a diferença entre a capacidade calculada através de Manning-Strikler e o volume da cheia de projeto, e a diferença entre os diâmetros e inclinações aplicados no descarregador, e os valores dos mesmos calculados através de Manning-Strikler. Como é possível constatar, na sua grande maioria, os descarregadores não teriam capacidade suficiente para descarregar os caudais de cheia afluentes. Tendo em conta os valores obtidos, procedeu-se a um cálculo idêntico, utilizando a fórmula de Colebrook-White, equação (11), com uma rugosidade equivalente, , admitida, igual a 1 mm, também com um índice de enchimento de 0,8 e uma viscosidade cinemática da água, , de 1,16x10-6 m2/s. Na coluna Diferença surge a diferença entre o diâmetro do descarregador e o valor do mesmo calculado através da fórmula de Colebrook-White. Como se pode observar, esta fórmula, mais precisa do que a de Manning-Strikler, conduz a valores mais próximos dos reais, sendo que os únicos descarregadores que não possuiriam capacidade suficiente para descarregar o caudal necessário são os das barragens de Glen Canyon e Yellowtail (E.U.A.), conhecidas por terem sofrido graves problemas no que diz respeito ao dimensionamento dos respetivos descarregadores, e o descarregador da barragem de Pracana, sendo que a diferença do valor do diâmetro deste provavelmente se deve às considerações feitas em relação ao índice de enchimento e à rugosidade equivalente. Este facto valida, de alguma forma a abordagem efetuada nesta fase. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 39 Quadro 4.2 – Cálculo das capacidades de descarga, dos diâmetros e inclinações dos descarregadores analisados através da fórmula de Manning-Strikler, e suas diferenças para os valores observados. Descarregadores Manning-Strikler Diferença Nome Capacidade (m3/s) Diâmetro equivalente (m) i Capacidade (m3/s) Diâmetro (m) i Capacidade (m3/s) Diâmetro (m) I (m/m) (m/m) (m/m) Alto Lindoso 1380 8,75 0,04 1486 8,51 0,0345 106 0,24 0,0055 Arade 500 8,2 0,0038 385 9,04 0,0064 -115 -0,84 -0,0026 Campilhas 124 5 0,0123 185 4,3 0,0055 61 0,7 0,0068 Maranhão 1600 10,5 0,009 1146 11,9 0,0175 -454 -1,4 -0,0085 Paradela 850 7,8 0,0176 725 8,28 0,0242 -125 -0,48 -0,0066 Pracana 1700 9,5 0,01 925 11,94 0,0338 -775 -2,44 -0,0238 Vilarinho das Furnas 280 5,2 0,0963 576 3,97 0,0228 296 1,23 0,0735 Salto do Funil 2700 12,95 0,013 2409 13,52 0,0163 -291 -0,57 -0,0033 Glen Canyon 3908 12,5 0,0035 1138 19,85 0,0413 -2770 -7,35 -0,0378 Yellowtail 2600 9,75 0,004 627 16,62 0,0688 -1973 -6,87 -0,0648 San Luis 29,2 2,9 0,01 39 2,6 0,0056 10 0,3 0,0044 Bakhtyari 5830 11 0,1 4324 12,3 0,1818 -1506 -1,3 -0,0818 Monte Cotugno 225 6,2 0,003 162 7,01 0,0058 -63 -0,81 -0,0028 225 6,2 0,08 838 3,79 0,0058 613 2,41 0,0742 Mulargia 425 6 0,023 412 6,07 0,0245 -13 -0,07 -0,0015 Val noana 150 3,9 0,05 193 3,55 0,0303 43 0,35 0,0197 Sayano Shushenskoe 2000 11,96 0,0191 2362 11,24 0,0137 362 0,72 0,0054 2000 11,96 0,065 4358 8,93 0,0137 2358 3,03 0,0513 Deriner 1125 8 0,315 3283 5,35 0,037 2158 2,65 0,278 Ertan 3700 14,21 0,079 7608 10,84 0,0187 3908 3,37 0,0603 3700 14,21 0,07 7162 11,09 0,0187 3462 3,12 0,0513 Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 46 Fig. 4.13 – Relação entre os parâmetros adimensionais correspondentes ao comprimento do descarregador ( ) e ao caudal ( ). Fig. 4.14 – Relação entre os parâmetros adimensionais correspondentes à rugosidade ( ) e ao caudal ( ). Fig. 4.15 – Relação entre os parâmetros adimensionais correspondentes à viscosidade cinemática ( ) e ao caudal ( ). 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 100 200 300 400 500 600 700 πQ πL 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 πQ πk 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 5E-10 1E-09 1,5E-09 2E-09 2,5E-09 3E-09 πQ πʋ Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 47 4.4.4. CONCLUSÕES Através da análise dimensional realizada é possível concluir que a capacidade de descarga de um descarregador de cheias em túnel irá estar principalmente relacionada com o diâmetro, a inclinação e a velocidade de escoamento. Simplificando a linha de tendência da figura 4.8, é possível deduzir a equação (33) que, numa fase de pré-dimensionamento, pode ser utilizada de forma a obter uma aproximação do diâmetro que o descarregador deverá possuir para descarregar um determinado caudal de cheia máximo. √ (33) Simplificando a linha de tendência calculada na figura 4.12 obtemos a equação (34): (34) Segundo a equação da continuidade, a velocidade do escoamento corresponde ao quociente entre o caudal e a secção de escoamento, é possível então utilizar as equações apresentadas no capítulo 3.4.1 em conjunto com a equação (34) de forma a obter uma aproximação da altura útil do escoamento no descarregador. Após estimar a altura útil do escoamento no descarregador poderemos utilizar a equação (35), resultante da linha de tendência da figura 4.11, para estimar um valor para a inclinação que o descarregador deverá possuir. √ (35) Seguindo este processo, por exemplo, para os descarregadores instalados na barragem do Alto Lindoso, obtém-se, para um caudal de 1380 m3/s, uma aproximação ao diâmetro de 10,33 m, uma altura útil de 3,5 m e uma inclinação de 8%. Existindo alguma diferença em relação aos valores utilizados na construção do descarregador (diâmetro de 8,75 m, altura útil de 4,5 m e uma inclinação de 4%). Dever-se-á, por isso, ter sempre em conta que quaisquer valores obtidos através destas fórmulas deverão ser confirmados por outros cálculos hidráulicos já comprovados e que o descarregador deverá ser analisado em modelo físico. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 48 Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 49 5 APLICABILIDADE DE MÉTODOS MECÂNICOS DE ESCAVAÇÃO DE TÚNEIS 5.1. INTRODUÇÃO Uma das fases mais importantes na construção de um descarregador de cheias em túnel consiste na escavação desse mesmo túnel. Durante muitos anos, a construção de túneis era efetuada através de técnicas de perfuração ou explosivos. No entanto, de forma a evitar problemas resultantes deste tipo de técnicas, foram desenvolvidos diferentes métodos mecânicos, apresentando estes, claras vantagens em relação às técnicas de perfuração e de explosivos. Através da aplicação de métodos mecânicos é possível garantir uma maior segurança dos trabalhadores, visto que, na maioria dos casos, não é necessária a sua presença dentro das escavações durante a execução dos trabalhos, sendo que nos casos em que esta é necessária, existe um maior nível de segurança comparativamente aos métodos de perfuração e de explosivos. Uma vez que não recorrem à utilização de explosivos, os métodos mecânicos têm um menor impacto sobre o terreno, resultando numa maior estabilidade da rocha. Através da utilização deste tipo de métodos é também possível obter superfícies mais lisas e melhores rendimentos, bem como uma redução de custos nos processos de alisamento de paredes e um processo de escavação mais rápido (Díez, 2011). Ao longo deste capítulo será analisada a solução mecânica para a escavação de túneis pelo método de Raise Boring, tendo como objetivo compreender a aplicabilidade deste método na construção de um descarregador de cheias em túnel. Após serem tomadas as conclusões finais será apresentado um método para a escavação de túneis, não mecânico, muito utilizado na construção de descarregadores de cheia em túnel, o New Austrian Tunnelling Method (NATM), desenvolvido, como o nome indica, na Áustria em meados do século XX. 5.2. RAISE BORING O método de raise boring consiste de um processo mecânico para a construção de um túnel entre dois ou mais níveis recorrendo à utilização de um furo piloto. A aplicação desta técnica pode ser dividida em duas fases. Na primeira é realizado um furo piloto, de orientação descendente com um diâmetro reduzido (figura 5.1.a)). Numa segunda fase, após o furo piloto atingir a profundidade desejada, é acoplada uma cabeça rotativa de maior diâmetro, que se deslocará no sentido ascendente alargando o Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 50 furo piloto (figura 5.1.b)). À medida que o furo vai ser alargado, o escombro resultante da escavação é retirado pelo nível inferior. Fig. 5.1 – Diferentes fases da aplicação do método de raise boring. Apesar de este método permitir atingir grandes profundidades, até hoje, o máximo valor para o diâmetro do furo atingido foi de 6m. Este método construtivo requer um acesso a dois níveis de profundidade: ao nível superior, por onde será feito o furo piloto, e ao nível inferior, por onde serão retirados os escombros. A máquina utilizada neste processo é apelidada de Raise Boring Machine (RBM) e é composta por um corpo principal, que funciona como base estrutural do equipamento, e um buraco central que permite o deslocamento do mecanismo de perfuração. Uma vez definido o local de execução dos trabalhos, o equipamento é colocado na posição pretendida, a broca central é fixada ao corpo principal e inicia-se a execução do furo piloto com a ajuda de um tricone de perfuração instalado na extremidade final. O movimento descendente deve ser sempre suportado por uma série de estabilizadores que procuram minimizar o desvio em relação ao trajeto pretendido, evitando assim custos acrescidos. A dificuldade deste processo é tanto maior, quanto maior for o comprimento da furação. Após a conclusão do furo piloto, retiram-se os estabilizadores instalados ao longo deste e acopla-se ao furo piloto uma cabeça de corte, equipada com utensílios de corte, como discos ou ripadores. Este inicia então um movimento ascendente, aumentando o diâmetro do furo existente. Nas figuras 5.2 é possível observar um exemplo de uma máquina de raise boring. Na figura 5.3 encontram-se ilustrados os utensílios utilizados ao longo do processo. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 51 Fig. 5.2 – Exemplo de uma máquina de raise boring instalada no local (Macedo, 2012). Fig. 5.3 – Exemplo de: a) tricone de perfuração; b) cabeça rotativa; c) utensilio de corte (www.atlascopco.us). Após análise do método de raise boring, foi possível verificar que este, apesar de possuir claras vantagens em relação a métodos de perfuração e explosivos, possui algumas limitações. Este, apesar de ser aplicável na escavação de túneis de grande inclinação, não é ainda capaz de escavar túneis com diâmetros superiores a 6m. Assim, na construção de um descarregador de cheias em túnel de dimensões elevadas, será necessário recorrer a técnicas de perfuração ou explosivos que implicam não só um maior impacto sobre a rocha, colocando em causa a estabilidade da mesma, mas também um acréscimo dos custos dado o seu menor rendimento e a necessidade de operações de alisamento das paredes mais dispendiosas. 5.3. NEW AUSTRIAN TUNNELLING METHOD (NATM) O NATM integra os princípios do comportamento de maciços rochosos sob carga e acompanha o desempenho da escavação subterrânea durante a construção. Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 52 Este método consiste em escavar o túnel, sendo este suportado através da mobilização do maciço envolvente. Ou seja, a forma da secção transversal do túnel é tal que encaminha as tensões principais de compressão para dentro do maciço, aproveitando o fenómeno de efeito de arco verificado. Quando este efeito não é suficiente para suportar o túnel, o método favorece a aplicação de sistemas de melhoria da capacidade resistente, tal como a cintagem por arcos metálicos, o uso de betão projetado ou a pregagem sistemáticas. A utilização de betão projetado, associado a armaduras, cambotas metálicas ou fibras, é atualmente uma técnica muito utilizada na escavação NATM, isto por se tratar de uma solução instalada e colocada em carga em muito pouco tempo, contactar com a totalidade do terreno escavado e de ser consideravelmente flexível, o que favorece a transmissão para o suporte da carga compatível com a sua própria resistência, que é relativamente reduzida. Dado ser frequente as dimensões da secção do túnel induzirem, durante a escavação, estados de tensão no maciço superiores à resistência do mesmo, é utilizada a técnica de escavação diferida, quer transversalmente quer longitudinalmente, de modo a reduzir o alargamento e expansão das zonas plastificadas. De forma simplificada, pode-se dizer que este método explora o conhecimento da engenharia mineira, atribuindo-lhe metodologias e tecnologias atuais. As principais características associadas ao método são:  O aproveitamento da resistência do maciço como forma de escavar com segurança durante um certo período;  O recurso a metodologias de redução e controlo das tensões desfavoráveis que se vão instalando progressivamente (formas curvas, em arco, escavação sequencial diferida);  O recurso a metodologias de aumento da resistência (betão projetado, cintagens). Na figura 5.4 é possível observar exemplos de escavações pelo método NATM, sendo visível a escavação sequencial e a aplicação de betão projetado sobre ancoragens (Campos e Matos, 2008). Fig. 5.4 – a) Escavação sequencial de um túnel segundo o método NATM; b) aplicação de betão projetado (Campos e Matos, 2008). Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 53 6 CONCLUSÕES 6.1. SÍNTESE Esta dissertação teve como objetivo compreender o funcionamento de descarregadores de cheias em túnel e verificar a existência de limitações que impeçam que esta solução de descarga de cheias seja aplicada mais vezes. Esta análise está associada ao facto do dimensionamento deste tipo de elemento não ser linear e recorrer muitas vezes à semelhança hidráulica com recurso a modelos físicos. Por isso utilizaram-se abordagens alternativas e indiretas, de forma a identificar a relação entre as variáveis mais significativas. Para tal, procurou-se obter a partir da bibliografia, características de descarregadores de cheias existentes, assim como os elementos que os constituem. No âmbito do enquadramento geral, foi analisado previamente o processo de escolha de descarregador de cheias a construir dada a importância desta escolha durante a fase de projeto de uma barragem. Um descarregador de cheias deverá ser capaz de conduzir os caudais de cheia a uma zona a jusante da barragem sem colocar em risco a segurança da mesma ou da sua zona envolvente. Tendo em conta este objetivo principal, o projetista deverá procurar a solução mais económica para o conseguir, existindo diversos fatores que influenciam o custo de construção de um descarregador. Um dos principais elementos que pode tornar o descarregador mais económico é o mecanismo de controlo de entrada de água. Por um lado, as soleiras descarregadoras são muito simples de projetar e construir, não necessitando de qualquer mecanismo ou pessoal operacional. No entanto, através da instalação de um descarregador de cheias controlado por comportas, é possível não só reduzir a capacidade de armazenamento da albufeira a montante da barragem, mas também controlar facilmente o volume de água retido na mesma, permitindo ainda esvaziar o reservatório, facilitando o acesso ao descarregador para execução de reparações ou trabalhos de manutenção. O projetista deverá ter estes, entre outros, fatores em conta e decidir qual a melhor solução a construir. Em seguida o trabalho foi direcionado para o seu principal objeto de estudo, os descarregadores de cheias em túnel. A possibilidade de aproveitar o já desvio provisório já construído oferece uma grande vantagem económica a este tipo de descarregador, assim como o facto de não implicar escavações a céu aberto, reduzindo não só o impacte visual mas também possíveis custos de expropriação. Estes descarregadores são também muito vantajosos em barragens situadas em zonas de vales muito estreitos, e com grandes declives, onde a construção de um outro tipo de descarregador se pode revelar extremamente difícil ou até impossível. No entanto, esta solução pode revelar-se difícil de dimensionar pois, uma vez que o escoamento se processa em superfície livre, é necessário projetar Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 54 sistemas de arejamento de forma a garantir a presença de um volume de ar suficiente dentro do túnel. Em caso de avaria ou problemas de funcionamento, os descarregadores em túnel colocam em risco a estabilidade da barragem, sendo por isso comum a utilização de descarregadores auxiliares em conjunto com estes. Foram assim apresentados os critérios de projeto atuais para este tipo de descarregadores, assim como os processos de dimensionamento dos mesmos: perfil longitudinal, diâmetro do descarregador e sistema de arejamento. Devido à ausência de informação suficiente para analisar um caso de estudo específico, optou-se, como foi referido, por recolher informações de diversos projetos munidos de descarregadores de cheias em túnel. Com esta informação procedeu-se a uma análise comparativa dos diferentes descarregadores, onde se concluiu não existir qualquer limitação, do ponto de vista hidráulico, para a construção deste tipo de obra. Realizou-se também uma análise dimensional, que permitiu determinar três expressões que poderão ser bastante úteis numa fase de pré-dimensionamento de um descarregador de cheias em túnel. Com o objetivo de verificar a existência de algum limite tecnológico, foi analisado o métodos mecânicos de escavação de túneis de Raise Boring. Esta análise permitiu concluir que este método possui ainda algumas limitações pelo que seria necessário recorrer à utilização de métodos de escavação de túneis não mecânicos que poderão colocar em risco a estabilidade da rocha, surgindo aí uma necessidade de, aquando da escolha do tipo de descarregador a construir, verificar as características geológicas do local, pois estas podem impedir a construção de um descarregador em túnel. Foi por isso apresentado o método NATM, solução muitas vezes utilizada para a escavação deste tipo de tuneis. 6.2. DESENVOLVIMENTOS FUTUROS Diversos estudos têm sido realizados na tentativa de tornar os descarregadores de cheias um elemento mais económico. Estes, no entanto, não têm como foco principal a solução analisada nesta dissertação, procurando reduzir os custos através da otimização do corpo das barragens, nomeadamente a crista das mesmas, e combinação de descarregadores e diques fusíveis, ou descarregadores controlados, e não, por comportas. Existem ainda soluções que nos últimos anos têm vindo a ganhar bastante relevância, nomeadamente os descarregadores em degraus e soleiras em labirinto, referidos no capítulo 2, que permitem otimizar a capacidade dos descarregadores de cheias e diminuir a energia do escoamento. Os descarregadores em degraus têm vindo a ser estudados com bastante sucesso inclusive no Laboratório de Hidráulica da Secção de Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente (SHRHA) do Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Apesar destas novas soluções construtivas, em vales estreitos, a aplicação de um descarregador de cheias em túnel, apesar de muito dispendiosa, tem-se revelado como alternativa única, existindo a possibilidade de construir diques fusíveis para ajudar na descarga de cheias superiores à cheia milenar, permitindo assim diminuir o custo do descarregador e as consequências resultantes de algum problema no funcionamento do mesmo (Lempérière e Vigny, 2012). Como desenvolvimentos futuros, sugere-se a verificação em laboratório dos resultados obtidos pela análise dimensional em laboratório que possa verificar a precisão das fórmulas determinadas no capítulo 4 desta dissertação, procurando aplicar as mesmas a um, ou mais casos de estudo específicos, Análise do funcionamento e da aplicabilidade de descarregadores de cheias em túnel em aproveitamentos hidroelétricos 55 procurando, também, verificar se a construção de um descarregador de cheias em túnel é a opção mais vantajosa. Poderá ser realizada, ainda, uma análise de risco relativamente a descarregadores de cheias em túnel e outros tipos, de forma a comparar a probabilidade de estes sofrerem alguma perturbação no seu funcionamento e quais as consequências de tal falha. 6.3. CONCLUSÕES FINAIS Após a conclusão desta dissertação foi possível verificar que não existe qualquer limitação hidráulica ou tecnológica que impeça a construção de um descarregador de cheias em túnel numa barragem, sendo que esta apenas pode ser impossibilitada pelas características geológicas do local. É possível então concluir que os descarregadores de cheia em túnel são uma alternativa principalmente vantajosa em barragens situadas em vales estreitos e muito inclinados e que o facto de não se recorrer mais frequentemente à construção deste tipo de descarregador se deve, na maioria dos casos, a limitações geológicas do local, a fatores económicos que tornam mais vantajosa a construção de outro tipo de órgão de descarga ou claro, o facto de o projetista não considerar que esta solução se aplica a um certo caso.