Proposta de reabilitação hidráulica do sistema extravasor da PCH Pedra do Garrafão utilizando vertedouro em tecla de piano (PKW)

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PROPOSTA DE REABILITAÇÃO HIDRÁULICA DO SISTEMA EXTRAVASOR DA PCH PEDRA DO GARRAFÃO UTILIZANDO VERTEDOURO EM TECLA DE PIANO (PKW) - STELLA BRITO.pdf (3.85 MB)

Data

2025-05-12
Autor(es)

Orientado(es)
Doutor Daniel Augusto de Miranda

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Abstract

Extreme hydrological events, such as severe droughts and floods, have been intensifying, posing significant challenges to global water security. These events directly impact water resource management, highlighting the need to adapt existing hydraulic infrastructure. In Brazil, despite the abundance of water resources and the prominent role of renewable sources in the energy matrix—particularly hydroelectric power—many projects were developed using limited historical data series. With advancements in hydrological monitoring and modeling technologies, it has become evident that several dams have undersized spillways, which increases the risk of structural failure during extreme flood events. In this context, conducting risk assessments is essential to determine whether both existing and planned dams meet established safety criteria or require interventions, such as structural reinforcement or increased discharge capacity. This monograph presents a case study of the Pedra do Garrafão Small Hydropower Plant, with the objective of analyzing changes in design flow rates and the discharge capacity of the existing spillway, based on updated hydrological studies considering a ten-thousand-year return period. The adopted methodology was divided into four stages: (i) a literature review, including technical and academic references on labyrinth and Piano Key Weir (PKW) spillways; (ii) characterization of the study area and hydrological update, including flood discharge estimation and the current spillway’s rating curve; (iii) modeling and design of a PKW spillway, based on geometric parameters and discharge coefficients proposed by Kabiri-Samani and Javaheri (2012); and (iv) a comparative analysis between the hydraulic performance of the existing labyrinth spillway and a proposed PKW, considering the latter as a potential rehabilitation solution for the structure. The results indicated an estimated 10,000-year flood discharge of 1,679 m³/s — approximately 34% higher than the value previously adopted in the original studies (1,250 m³/s). The current labyrinth spillway's verified discharge capacity of 966.73 m³/s proved insufficient for the updated design flood. The proposed PKW, occupying only about half the length of the labyrinth, showed equivalent hydraulic performance. Furthermore, the PKW maintained the upstream water level below the dam crest, while the labyrinth exhibited slight overtopping. Although neither configuration fully met the minimum freeboard criterion, the PKW presented a comparatively safer condition, with the potential for structural adequacy through a crest elevation increase of 44 cm.


Resumo

Eventos hidrológicos extremos, como secas severas e enchentes, vêm se intensificando, impondo desafios significativos à segurança hídrica global. Esses fenômenos impactam diretamente a gestão de recursos hídricos, tornando essencial a adaptação de infraestruturas hidráulicas existentes. No Brasil, apesar da abundância hídrica e da elevada participação das fontes renováveis na matriz energética — com destaque para a geração hidrelétrica — muitos projetos foram implantados com séries históricas limitadas. Com o avanço das tecnologias de monitoramento e modelagem hidrológica, evidenciou-se que diversas barragens possuem vertedouros subdimensionados, o que aumenta o risco de falhas estruturais diante de cheias intensas. Neste contexto, torna-se indispensável a realização de avaliações de risco que permitam verificar se as barragens — tanto as já existentes quanto as futuras — estão em conformidade com os critérios de segurança estabelecidos ou se demandam intervenções, como o reforço estrutural e o aumento da capacidade de vertimento. Esta monografia apresenta um estudo de caso da PCH Pedra do Garrafão, com o objetivo de analisar as alterações nas vazões de projeto e capacidade de descarga do vertedouro existente, a partir da atualização dos estudos hidrológicos, considerando um período de retorno decamilenar. A metodologia adotada foi dividida em quatro etapas: (i) revisão bibliográfica, com levantamento de referências técnicas e acadêmicas sobre vertedouros labirinto e do tipo Piano Key Weir (PKW); (ii) caracterização da área de estudo e atualização hidrológica, com definição das vazões de cheia e elaboração da curva de descarga do vertedouro atual; (iii) modelagem e dimensionamento de um vertedouro PKW, com base em parâmetros geométricos e coeficientes de descarga dos estudos de Kabiri-Samani e Javaheri (2012); e (iv) comparação entre o desempenho hidráulico do vertedouro labirinto atualmente em operação e um vertedouro do tipo Piano Key Weir (PKW), propondo este último como alternativa para a reabilitação hidráulica da estrutura. Os resultados indicaram um aumento de aproximadamente 34% na vazão decamilenar estimada (1.679 m³/s), em relação ao valor anteriormente adotado nos estudos iniciais (1.250 m³/s). A capacidade de descarga do vertedouro labirinto atual, verificada como 966,73 m³/s, mostrou-se insuficiente frente à nova vazão de cheia. O vertedouro PKW dimensionado, mesmo ocupando cerca de metade do comprimento do labirinto, apresentou desempenho hidráulico equivalente. Além disso, o PKW manteve a lâmina d’água abaixo da crista da barragem, enquanto o labirinto apresentou leve galgamento. Ainda que nenhum dos modelos atendesse plenamente ao critério de borda livre mínima, o PKW demonstrou uma condição mais favorável à segurança, com possibilidade de ajuste estrutural por meio do alteamento da crista em 44 cm.

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https://hdl.handle.net/20.500.14387/2365

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