Construção de ensecadeiras em água corrente : estudo da estabilidade de material lançado em ponta de aterro

Orientador: Prof. Dr. José Junji Ota

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa: Curitiba, 10/04/2015

Inclui referências : f.131-134

Resumo: Em obras hidráulicas, o manejo do rio durante a construção é um fator importante com relação ao esquema geral da obra. A construção das ensecadeiras em água corrente com a função de controlar o rio e proporcionar área seca para que as obras permanentes possam ser construídas no leito, é frequentemente uma atividade complexa, envolvendo os principais problemas de construção. Apesar do custo do fechamento corresponder, geralmente, a uma pequena porcentagem do custo total da obra, deve ser estudado com cuidado, pois uma falha pode causar um atraso sério e custoso no cronograma. Os estudos disponíveis sobre as condições de estabilidade do enrocamento no fechamento de rios para a construção de obras hidráulicas são baseados em métodos aproximados, desenvolvidos por meio de considerações teóricas, observações experimentais de laboratório e de campo, e possibilitam que o projetista determine o diâmetro do material necessário para executar o fechamento do rio. Como objetivo geral para esta pesquisa, pretendeu-se estudar o comportamento hidráulico do escoamento no fechamento de rio pelo método lateral progressivo ou ponta de aterro, método bastante usual no Brasil. Como objetivos específicos, pretendeu-se avaliar como a curvatura do escoamento na ponta de aterro afeta o escoamento nessa região. Este efeito foi avaliado a partir da alteração de dois parâmetros geométricos da ensecadeira com a utilização de um modelo numérico tridimensional. Os dois parâmetros geométricos estudados foram: 1) largura da crista; e 2) inclinação do talude. Para possibilitar as respostas às perguntas feitas por esta dissertação, definiu-se outro objetivo especifico que consiste na avaliação da capacidade do modelo numérico escolhido para as simulações, o Flow 3D®, em reproduzir as características deste tipo de escoamento. Para atender a este objetivo, realizou-se uma primeira etapa de estudo chamada de Etapa 1 - Estudo de Caso na qual foram realizadas simulações em modelo numérico com o objetivo de reproduzir uma investigação experimental já realizada em modelo hidráulico reduzido. Após esta etapa de estudos e da análise comparativa dos resultados, concluiu-se que o modelo numérico escolhido é adequado para a resolução desse tipo de problema. Também são apresentados e avaliados os resultados para as três malhas de elementos utilizadas nas simulações em comparação aos resultados que se pretendia atingir da investigação experimental. Concluída a primeira etapa, realizou-se a análise da variação dos dois parâmetros geométricos da ensecadeira (Etapa 2). São apresentados e analisados além dos valores de velocidade e tensão tangencial, sua localização e distribuição em cada caso estudado e as linhas de corrente que dão um indicativo da curvatura do escoamento em cada caso. Essas análises permitiram chegar às conclusões principais de que o aumento da largura da crista e consequentemente do raio da ponta de aterro, bem como, a diminuição da inclinação do talude da ensecadeira afetam a curvatura do escoamento na ponta de aterro e resultam na diminuição das velocidades e tensão tangencial nessa região.

Abstract: In hydraulic works, the management of the river during the construction is an important factor with respect to the general scheme of the work. The construction of cofferdams through running water to river control and to provide dry areas for the permanent works into the riverbed is often a complex activity, involving the main construction problems. Despite the cost of the river closure correspond generally a small percentage of the total cost of the work, must be carefully studied because a failure can lead to a serious and costly schedule delay. The available studies about the rock fill stability in the river closure for the construction of hydraulic works are based on approximated methods, developed through theoretical considerations, experimental observations at the laboratory and at the field, and enable the designer to determine the diameter of the material that is needed to guarantee the success of the river closure. As a general goal for this study, is intended to study the hydraulic behavior of the flow in the river closure by the end dumping method, quite usual method in Brazil. As specific goals, the purpose was to evaluate how the curvature of the flow in the cofferdam affects the flow behavior in this region. This effect was evaluated changing two geometric parameters of the cofferdam using a three-dimensional numerical model. The two geometric parameters studied were 1) width of the crest; and 2) embankment slope. To answer the questions asked by this dissertation, it was defined another specific goal that is to evaluate the ability of the numerical model chosen for the simulations, the Flow 3D®, to reproduce the characteristics of this type of flow. To achieve this goal, there was a first study stage called Stage 1 - Case Study in which it were performed numerical simulations in order to reproduce an experimental research already done in reduced hydraulic model. After this stage of studies and after the comparative analysis of the results it was concluded that the chosen numerical model is appropriate to solve this type of problem. It also are presented and evaluated the results of the three mesh elements that were used in the simulations in comparison with the results that it was intended to achieve of the experimental research. After the first stage was completed, it was done the analysis of the variation of the two geometric parameters of the cofferdam, the stage called Stage 2. It is presented and analyzed the values of velocity and shear stress, their location and distribution in each study case and the streamlines that indicates the flow curve in each case. These analysis allowed the mainly conclusions that increasing the width of the crest and therefore the radius of the cofferdam as well as the decreasing of the embankment slope affect the curvature of the flow and leads to the decreasing of the velocity and the shear stress in the cofferdam.