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PROCESSO DE CAVITAÇÃO A JUSANTE DA COMPORTA SEGMENTO NO

DESCARREGADOR DE FUNDO DO AH CAMBAMBE

CAMBAMBE HYDROELECTRIC POWER PLANT - CAVITATION PROCESS

DOWNSTREAM THE GATE OF THE BOTTOM OUTLET

Marcos C. Palu Rafael P. G. Salles Joaquim C. Cunha Engenheiro Hidráulico Coordenador de projetos Coordenador técnico

Engevix Engenharia S.A Engevix Engenharia S.A Engevix Engenharia S.A

marcos.palu@engevix.com.br rafael.salles@engevix.com.br joaquim.cunha@engevix.com.br

Resumo

O presente artigo trata do caso de erosão ocorrido a jusante da comporta segmento no

descarregador de fundo do aproveitamento hidroelétrico de Cambambe, localizado na

província de Cuanza Norte, Angola. Uma inspeção nos túneis do descarregador após

cinco décadas de funcionamento revelou um processo de cavitação/erosão de

notoriedade histórica. O objetivo deste artigo é a avaliação do processo de cavitação e

erosão ocorrido na estrutura, bem como apresentar o desenvolvimento dos estudos

teóricos e experimentais para implantação de aeradores, possibilitando a reabilitação

da estrutura danificada.

Introdução

No âmbito da realização de serviços de engenharia no exterior, encontra-se a cargo da

Engevix a execução de projetos contratados pela Empresa Nacional de Energia – ENE,

no Aproveitamento Hidrelétrico de Cambambe em Angola.

Este aproveitamento encontra-se no trecho médio do Rio Cuanza, principal rio de

Angola, cerca de 180 km da capital Luanda, na província de Cuanza Norte, distante

cerca de 10 km do município de Dondo, Angola. A construção foi efetuada na década

de 60 pela SONEFE (Sociedade Nacional de Estudo e Financiamento de

Empreendimentos Ultramarinos) com estudos hidráulicos detalhados realizados pelo

LNEC (Laboratório Nacional de Engenharia Civil) em Lisboa.

Atualmente o aproveitamento passa por obras para reabilitação da Central existente,

alteamento e construção de uma nova central. Também ocorre a reabilitação da

descarga de fundo, tema de explanação deste artigo. A Figura 1 mostra a construção

do aproveitamento na década de 60.

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Figura 1 – Imagem da época da construção do AH Cambambe na década de 60.

Reabilitação da Central Existente

Atualmente estão em estágio final de execução as intervenções correspondentes à

reforma, modernização e repotenciação da Hidrelétrica Cambambe 1, construída na

década de 60 e operando continuamente por mais de 40 anos, encontrando-se as

unidades geradoras em fase de comissionamento. Com a repotencialização Cambambe

1 passará dos 180 MW originalmente instalados para 260 MW. A UHE Cambambe 1 foi

concebida com casa de força subterrânea com aproximadamente 80 m x 15 m e estará

equipada com 4 unidades geradoras com turbinas Francis de eixo vertical com potência

unitária de 65 MW. A Figura 2 apresenta a casa de força existente no AH Cambambe.

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Figura 2 – Central 1 existente no AH Cambambe

Construção da Nova Central (Central 2)

Os trabalhos envolvidos para execução da nova central (Central 2) são a execução do

projeto básico, executivo e acompanhamento da construção. A nova central deverá

possuir potência instalada de 700 MW, sendo projetada com casa de força do tipo

abrigada a céu aberto, equipada com 4 unidades geradoras em turbinas Francis de eixo

vertical de 175 MW cada. As obras civis já se encontram em andamento.

Com o início da operação conjunta das duas usinas, serão adicionados ao sistema

elétrico de Angola 780 MW (80 MW adicionais em Cambambe 1 + 700 MW em

Cambambe 2) o que significa praticamente dobrar a atual capacidade de geração do

país (790 MW).

Alteamento do barramento

A barragem existente é do tipo arco, com aproximadamente 70 m de altura e cerca de

300 m de comprimento. O vertedouro existente é do tipo soleira espessa com

aproximadamente 100 m de comprimento, localizado no corpo da barragem. A Figura 3

apresenta uma imagem do barramento existente.

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Figura 3 – Barragem em arco existente do AH Cambambe

Na etapa de execução das obras civis para Cambambe 2 será realizado o alteamento

da barragem em torno de 20 m, visando a elevação do nível do reservatório de forma a

possibilitar a operação simultânea das duas usinas. A altura máxima final da barragem

será de cerca de 90 m. A Figura 4 apresenta uma ilustração do alteamento proposto

para o barramento do AH Cambambe.

Figura 4 – Ilustração do alteamento proposto para o AH Cambambe.

Nas obras de alteamento está inclusa a execução de dois novos vertedores para a

descarga de cheias. As estruturas de vertimento estão projetadas para descarregar a

vazão decamilenar, avaliada em 9.000 m³/s. As principais características destes

vertedores são:

Vertedouro do tipo orifício (controlado por comportas do tipo vagão):

Dimensões: 5 vãos com 9,50 m x 5,20 m (largura x altura);

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Elevação da crista da ogiva: 107,29 m;

Capacidade de descarga: 4.500 m³/s;

Vertedouro de encosta na margem esquerda (controlado por comportas do tipo

segmento):

Dimensões: 2 vãos com 19,50 m x 15,00 m (largura x altura);

Capacidade de descarga: 4.500 m³/s.

A Figura 5 apresenta a disposição dos vertedores em planta no AH Cambambe após

alteamento.

Figura 5 – Vertedores projetados para o AH Cambambe após alteamento

Foram efetuados estudos em modelo reduzido no LACTEC/CEHPAR (Curitiba) para

avaliação do desempenho hidráulico dos vertedores. A Figura 6 apresenta uma imagem

do modelo para a vazão decamilenar (Q = 9.000 m³/s) com o funcionamento conjunto

dos vertedores.

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Figura 6 – Modelo reduzido dos vertedores do AH Cambambe

Reabilitação da descarga de fundo existente

Visando possibilitar a execução das obras do barramento foram executadas galerias

sob a barragem e a descarga de fundo com emboque na margem direita. O túnel do

descarregador possui uma extensão total em planta de aproximadamente 520 m. O

emboque é constituído, em perfil longitudinal, por uma soleira com perfil hidrodinâmico.

Este emboque é seguido de um túnel com dimensões médias de 6 m x 7 m. Após o

desenvolvimento deste túnel existe uma comporta de manutenção do tipo lagarta com

dimensões 4,5 x 6,7 m (largura x altura). Após esta comporta existe uma comporta

segmento, com as dimensões 6 x 3,5 (largura x altura); assentada na elevação 35,00

m. A jusante da comporta existe um túnel em seção arco-retângulo com 7,5 m de

altura e 6 m de largura, com 420 m de extensão, declividade 0,0341 m/m e a elevação

final do fundo, a jusante, de 21,00 m. Após o túnel existe um canal com

aproximadamente 36 m de comprimento, com seu término na elevação 19,50 m. Este

canal possui saída livre e lança o jato no Rio Kwanza.

A carga na comporta segmento é atualmente de 70 m, passando a aproximadamente

100 m após o alteamento. A capacidade de descarga atual é de 620 m³/s passando

para 740 m³/s após o alteamento.

A Figura 7 apresenta uma imagem aérea do empreendimento apresentando a locação

das estruturas existentes

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Figura 7 – Imagem aérea do empreendimento com a locação do eixo da descarga de fundo

existente

Uma inspeção nos túneis do descarregador após cinco décadas de funcionamento

revelou um processo de cavitação/erosão de grandes proporções conforme a Figura 8 e

Figura 9.

Barragem e

vertedouro

existentes

Desemboque da

descarga de fundo

Emboque da

descarga de fundo

Tomada da central

existente

Saída dos túneis da

central existente

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Figura 8 – Desenho esquemático da erosão ocorrida a jusante da comporta segmento da

descarga de fundo do AH Cambambe

Figura 9 – Imagem da erosão ocorrida a jusante da comporta segmento da descarga de fundo do

AH Cambambe

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Contudo cabe o comentário que na época da concepção e execução do projeto (década

de 60) os efeitos de cavitação não eram suficientemente conhecidos, a única aeração

existente prevista era a do poço da comporta segmento. Com a ocorrência de casos

históricos em estruturas como vertedores e descargas de fundo em diversas partes do

mundo (Yellowtail-EUA, Bratsk-Rússia, Sirikit- Tailândia), a partir da década de 70, a

identificação e o tratamento para mitigação do efeito tiveram grande progresso.

Quando um escoamento rápido é alterado localmente por alguma irregularidade do

conduto o aceleramento localizado do fluxo é acompanhado por uma redução de

pressão que pode atingir a tensão de vapor e provocar a formação de bolhas de água

vaporizada. Arrastadas pelo escoamento para regiões de maior pressão, imediatamente

a jusante, as bolhas são destruídas. O súbito colapso das cavidades é acompanhado

de intensa elevação de pressão constituindo verdadeiros choques que se sucedem

ininterruptamente. O descrito efeito pode ser visualizado em larga escala no

descarregador de Cambambe.

Para reparos e reabilitação da estrutura foram efetuados tratamentos e injeções na

rocha, visando estabilizar o maciço e evitar desprendimento de blocos. Com os devidos

reparos estão sendo implantados aeradores, visando proporcionar aeração sob o

escoamento e evitar as baixas pressões na região próxima ao fundo do canal. Também

foram efetuados reparos na comporta lagarta e está previsto a reparação da comporta

segmento.

Índice de cavitação

Investigações experimentais foram conduzidas pelo Bureau of Reclamation e Corps of

Engineers (USA) para definir as condições incipientes de cavitação para diferentes

desníveis abruptos e ou graduais ao longo do contorno sólido. Os dados foram

condensados referindo-se ao índice de cavitação σi definido segundo a seguinte

expressão:

[1]

Onde:

H – Pressão absoluta (m.c.a);

Hv – Pressão de vapor (m.c.a);

V2/2g – Altura de velocidade (m);

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Segundo Pinto (1986) um limite de velocidade de 30 m/s ou um índice de cavitação de

0,25 indicam um limite, isto é, para velocidades maiores ou índices de cavitação

menores, um aerador é recomendado

Segundo estimativas a velocidade atingida nos túneis de Cambambe foi de

aproximadamente 30 m/s, suficiente para iniciar o processo de cavitação. A erosão

ocorrida resultou em uma cratera de aproximadamente 40 m de comprimento e 12 m de

profundidade, iniciada imediatamente após a blindagem a jusante da comporta

segmento.

Estudos teóricos

Para dimensionamento dos aeradores foram utilizadas formulações empíricas: Pinto

(1991), numéricas: Falvey (1990) e construção de modelo físico para otimização e

consolidação do projeto. Utilizou-se a formulação empírica para um pré-

dimensionamento dos aeradores. Pinto (1991) avaliou uma expressão para os

protótipos das usinas de Foz do Areia (Brasil), Emborcação (Brasil), Amaluza

(Equador), Colbun (Chile) e Tarbela (Paquistão), apesar da diversidade de geometrias.

[2]

[3]

[4]

[5]

Onde:

C- concentração média de ar, qa – vazão de ar (m³/s), q – vazão de água (m³/s), Fr –

número de Froude do escoamento, c – coeficiente de descarga do duto de ar, A área da

seção transversal do orifício de controle do aerador (m²), b – largura da rampa

suprimida pelo aerador, h – profundidade do escoamento sobre a rampa do aerador.

Com a utilização da formulação apresentada para avaliação da concentração inicial de

ar no aerador, decaimento da concentração de ar estimada em 0,5%/m Pinto (1986) e

uma concentração mínima de ar em relação ao volume total (ar e água) de 10% foram

dimensionados e espaçados os aeradores respeitando as taxas mencionadas.

Ao final foram implantados 3 aeradores, sendo um imediatamente a jusante da

comporta e os demais espaçados em aproximadamente 120 m.

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Estudos experimentais

Tendo por objetivo uma avaliação do desempenho hidráulica das estruturas hidráulicas

foram efetuados estudos em modelo físico reduzido.

O modelo da descarga de fundo de Cambambe foi construído nas dependências do

Laboratório da Bardella S.A Indústrias Mecânicas em Sorocaba, SP – Brasil. O modelo

segue o critério de semelhança de Froude e foi construído na escala geométrica 1:30.

O modelo reproduz toda extensão do túnel da descarga de fundo, desde o emboque até

o defletor de saída para o rio. Este modelo teve por objetivo o teste de aeradores

projetados para implantação ao longo do túnel com a finalidade de incorporação de ar

no escoamento com a finalidade de evitar os efeitos danosos da cavitação.

Figura 10 – Projeto do modelo reduzido da descarga de fundo do AH Cambambe

Figura 11 – Modelo reduzido da descarga de fundo do AH Cambambe

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Figura 12 – Modelo reduzido do AH Cambambe em operação

Após diversos experimentos constatou-se um desempenho adequado dos aeradores,

ocorrendo intenso arraste de ar sem ocorrência afogamento ou efeitos indesejáveis.

Conclusão

Este artigo apresentou os trabalhos efetuados no aproveitamento do AH Cambambe

visando um aumento na potência instalada da usina. Para viabilizar as obras fez-se

necessário a reabilitação da descarga de fundo, estrutura danificada após 50 anos de

operação.

A partir deste caso evidencia-se a necessidade de fornecimento de correta aeração no

escoamento a jusante de comportas com cargas hidráulicas que proporcionem

velocidades elevadas (da ordem de 20 m/s ou mais). Esta aeração tem por objetivo

evitar os efeitos danosos da cavitação, que conforme apresentado, podem resultar em

grandes erosões.

Recomenda-se o estudo numérico e experimental dos aeradores afim de se obter um

projeto eficiente e seguro contra a cavitação.

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Referências Bibliográficas

Falvey,H.T (1990) “Cavitation in Chutes and Spillways”. Engineering Monograph Nº 42,

a Water Resources Technical Publication. United States Department of the Interior.

Bureau of Reclamation. Denver, Colorado

Palu, M.C, Salles. R.P.G, Souza, D.D.B (2010) – “Processo de Cavitação e Projeto

dos Aeradores no Descarregador de Fundo do AH Cambambe” XXIV Congresso

Latinoamericano de Hidráulica, Punta del Este, Uruguay.

Pinto, N.L.S e Ota, J.J (1976) “Considerações Sobre o Arrastamento de Ar a Jusante

de Descargas de Fundo ”.XI Seminário Nacional de Grandes Barragens, Fortaleza,

Ceará.

Pinto, N.L.S (1979) “Cavitação e Aeração em Fluxos de Alta Velocidade”.Publicação Nº

35, CEHPAR, Curitiba, Paraná.

Pinto, N.L.S e Neidert, S.H (1986) “Modeling Aerator Devices”. CEHPAR, Curitiba,

Paraná.

Pinto, N.L.S e Wood R. Ian (1991) “Air Entrainment in Free-Surface Flows”. AA.

University of Canterbury, Christchurch, New Zeland.

Autores

Marcos C. Palu – Engenheiro Civil formado pela Universidade Federal do Paraná.

Possui mestrado em Recursos Hídricos na Universidade Federal do Paraná e MBA em

Gerenciamento de Projetos pela Fundação Getúlio Vargas. Atualmente é engenheiro

projetista da divisão de hidráulica da Engevix Engenharia S.A.

Rafael. P. G. Salles – Engenheiro Civil formado pela Universidade Federal de Santa

Catarina. Atualmente é coordenador de projetos na Engevix Engenharia. Possui 17

anos de experiência profissional e trabalhou em empreendimentos hidrelétricos em

diversos países incluindo Brasil, Venezuela, Panamá e Angola. Seu trabalho envolve

estudos de inventário, viabilidade, projetos básicos e executivos de empreendimentos

hidrelétricos.

Joaquim C. da Cunha – Engenheiro Civil formado pela Universidade de Pernambuco.

Atualmente é coordenador de projetos na Engevix Engenharia. Possui 45 anos de

experiência profissional em aproveitamentos hidrelétricos. Seu trabalho envolve

estudos de inventário, viabilidade, projetos básicos e executivos de empreendimentos

hidrelétricos.