Jossandra Alves 22.05.2025
Escadas dissipadoras são fundamentais em canais, vertedouros, bueiros ou taludes com grandes desníveis, onde o fluxo acelerado pode causar erosão, instabilidade do solo e falhas estruturais. Neste artigo, você verá os critérios técnicos e métodos de verificação para avaliar uma escada dissipadora com base em fundamentos de hidráulica aplicada e exemplos práticos de cálculo.
Para que serve uma escada dissipadora?
Escadas dissipadoras são estruturas projetadas para reduzir a energia do escoamento concentrado em áreas com forte declividade. Elas evitam a erosão do solo, protegem taludes e fundações e conduzem a água de forma segura até um ponto de lançamento, geralmente um canal ou corpo hídrico.
Classificações de escoamento
A avaliação da escada depende do tipo de escoamento que predomina. Existem três regimes principais, definidos com base na geometria da escada, inclinação e vazão:
Nappe Flow: ocorre quando a água salta de degrau a degrau, formando jatos livres com bolsões de ar. Indicado para baixas vazões.
Skimming Flow: a água escorre “por cima” da escada como se deslizasse, encobrindo os degraus. Ocorre em altas vazões.
Transitional Flow: condição intermediária entre os dois anteriores, geralmente indesejada por gerar instabilidades.
Importante: O tipo de escoamento influencia diretamente no dimensionamento e na eficiência hidráulica da escada.
Classificação de escoamento através dos cálculos
1 º Passo – Calcular a vazão unitária
Vazão unitária (q) é a quantidade de água que escoa por segundo por metro de largura da seção transversal de um canal, vertedouro ou escada hidráulica. Onde q é vazão unitária (m³/s·m); Q é a vazão total (m³/s) e B é a largura da escada ou canal (m).
Equação 1
2º Passo – Calcular a profundidade (altura) crítica
A profundidade crítica é a profundidade do escoamento em que a energia específica do fluxo é mínima para uma dada vazão. Simbolizada geralmente por y é a distância vertical entre o fundo da seção hidráulica e a superfície livre da água.
Equação 2
3º Passo – Relação S/yc
É a razão entre a altura do degrau (S) da escada hidráulica e a profundidade crítica (yₐ) do escoamento. Essa relação é usada para classificar o tipo de escoamento que ocorre na escada: se é nappe, skimming ou transicional. Os ábacos são gráficos prontos que relacionam variáveis adimensionais, como S/yc, número de Froude, eficiência de dissipação entre outros construídos com base em dados experimentais — como os de Chanson (2001) e Yasuda (2001).
O que ele mostra? – Esse ábaco é usado para classificar o regime de escoamento em uma escada dissipadora com base em:
A geometria da escada (por S, a altura do degrau) ; A hidráulica do escoamento (por yc , a profundidade crítica) ; E o ângulo da escada θ
No eixo X: você marca o valor de θ ; No eixo Y: você marca o valor de S/yc
A área onde os dois se cruzam te diz o regime de escoamento : Região superior Nappe flow (jatos livres) ; Região inferior Skimming flow (lâmina contínua) ; Faixa de transição – Transitional flow (instável, não recomendado).
Onde encontro o Ábaco? No programa SisCCoH
Figura 1- Limites do Escoamento de Canais em Degraus
Figura 2- Alimentação dos dados no Programa Siscoh
Cálculo da escada em regime Nappe Flow
O exemplo é de uma escada com 5 metros de desnível, relação de degrau 2,5 por 0,5 , altura da parede 1m e a largura da escada de 4m H:5, altura da parede. Para análise dessa escada precisa-se dos dados de entradas como mostra a Figura 3 e 4.
Figura 3- Exemplo de Cálculo
Figura 4- Medida da Escada
Figura 5 – Dados da Escada
1º Passo
Calcular a Vazão Unitária
Para calcular a Vazão Unitária, utiliza os parâmetros de Vazão e Largura de Escada, informados na Figura 3, para aplicação na Equação 1
2º Passo
Calcular Lâmina Crítica
Para calcular a Lâmina Crítica, utiliza o resultado do passo anterior (Vazão Unitária) na Equação 2.
3º Passo
Para calcular a Relação S/yc, pega-se a altura do degrau ( Figura 4) pelo resultado da Altura crítica do passo anterior (2º Passo)
Equação 3
Encontrar a classificação do Escoamento
Relaciona no eixo y o valor de S/yc com o eixo X que é o ângulo (θ) de 11.31º já informado ( Figura 4), esse cruzamento resulta no ponto vermelho destacado na Figura 6, acima da linha laranja, o que significa que o escoamento é do tipo Nappe Flow e entre as linhas azul e preto tracejado, o que significa que é um ressalto parcial.
Figura 6- Classificação do Escoamento
Figura 7- Ressalto Parcial
4 º Passo
Calcular o Drop Number
O Drop Number é um número adimensional usado para caracterizar o escoamento em vertedouros em degraus ou quedas livres, especialmente quando se avalia a transição entre regimes de escoamento (supercrítico, subcrítico) e o potencial de formação de ressalto hidráulico.
Equação 4
5º Passo
Altura da parede Lateral
A fórmula da altura da parede lateral em casos de ressalto hidráulico incompleto é uma expressão empírica que estima a altura mínima necessária para conter o escoamento em situações em que o ressalto não se desenvolve plenamente após uma queda. Ela considera a energia do fluxo remanescente, a profundidade crítica do escoamento e um fator de segurança para garantir que não haja extravasamento mesmo com variações na vazão.
Equação 5
O que mostra que se precisa de uma altura acima de 76,2 cm , a figura 4 mostra uma altura de segurança de 1m, tendo um Free board. Free board é a distância vertical entre a lâmina d’água em escoamento normal (ou crítico) e o topo da borda da estrutura, como canal, bueiro, vertedouro ou bacia de dissipação. O objetivo do freeboard é garantir segurança hidráulica. Ele atua como uma margem de segurança para: variações na lâmina d’água (aumento de vazão), ondas ou flutuações causadas por ventos ou variações súbitas de carga, erros de modelagem ou incertezas no projeto, prevenir transbordamentos e erosão nas bordas.
6º Passo
Energia residual
Energia residual é a porção de energia que sobra no escoamento após um processo de dissipação, como num ressalto hidráulico, uma queda livre, ou ao passar por um dissipador de energia. Ela representa o que não foi dissipado em forma de turbulência ou perda de carga. É, em essência, o que a escada não conseguiu dissipar ao longo dos degraus. E na formula é preciso calcular primeiro a Variável A que dependente dos valores da altura do degrau, do comprimento do patamar e da lamina crítica, em seguida utilizo a Variável A na equação de Energia Residual
Equação 6
7º Passo
Energia Máxima
A Energia Máxima (também chamada de energia específica máxima) é o valor mais alto de energia específica que um escoamento pode ter para uma dada vazão unitária.
Equação 7
8º Passo
A Energia Dissipada é a diferença entre a energia específica antes e depois de um processo hidráulico. Ela representa a parte da energia total que foi convertida em turbulência, calor e microvibrações — em outras palavras, o que a água “perde” pra poder continuar seu caminho mais comportada.
Equação 8
9º Passo
A lâmina d’água y é a profundidade vertical da água medida a partir do fundo do canal até a superfície livre.
Figura 8- Ressalto Parcial
y1: profundidade antes do ressalto hidráulico, no regime supercrítico → Água rápida, rasa e com alta energia cinética.
Equação 9
Velocidade – se a velocidade for inadequada para a seção, o canal pode transbordar ou ficar superdimensionado.
Equação 10
y2: profundidade depois do ressalto, no regime subcrítico → Água lenta, profunda e com mais energia potencial.
Equação 11
Froude
O número de Froude final te diz:
- Se o fluxo é subcrítico (calmo, lento, controlado pela jusante)
- Se o fluxo é crítico (equilíbrio instável, máxima transferência de energia)
- Ou se o fluxo é supercrítico (rápido, energético, controlado pelo montante)
Equação 12
Comprimento de Queda
O comprimento de queda é a distância ao longo da qual a água perde energia e ganha velocidade ao cair ou descer num trecho.
Equação 13
Comprimento do Ressalto
É a distância no canal que essa transição ocupa, a parte onde a água perde energia, e fica mais tranquila.
Equação 14
Verificação – Se o material suporta a velocidade da escada
Se a velocidade da água for muito alta, o material da estrutura pode sofrer erosão, abrasão, desgaste ou até danos estruturais, como pode-se ver na Figura 9
Figura 9- Classificação de aplicação de material da escada
Sugestão de Softwares
SisCCoH
O SisCCoH (Sistema para Cálculos de Componentes Hidráulicos) é uma ferramenta computacional desenvolvida em parceria entre a Pimenta de Ávila Consultoria e o Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos da UFMG. O software visa auxiliar no dimensionamento de diversos componentes hidráulicos. Ele é um programa simples para trabalhar, contudo para melhores resultado o escoamento ideal é que seja subcrítico, seção retangular, trecho reto, degrau regular e velocidades pontuais.
Figura 10- SisCCoH
OpenFOAM
OpenFOAM OpenFOAM é um conjunto de bibliotecas e aplicações para a resolução de problemas baseados nas equações de Navier-Stokes, utilizando o método dos volumes finitos. Desenvolvido originalmente pela OpenCFD Ltd., hoje o OpenFOAM conta com uma comunidade global ativa, que contribui com códigos, tutoriais e melhorias contínuas. OpenFOAM se destaca exatamente pela sua capacidade de simular fenômenos complexos de fluidos com alta fidelidade, graças à flexibilidade do código aberto e ao amplo portfólio de solvers disponíveis. Isso permite analisar, com precisão, a dinâmica do escoamento, a aerificação, a dissipação de energia e os padrões turbulentos dentro da escada.
Figura 11- OpenFOAM
Capacitação para modelagem em hidrologia com a Sobre as Águas
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REFERÊNCIAS
CHANSON, H. The hydraulics of stepped chutes and spillways. Lisse: Balkema, 2001.
YASUDA, Y. Experimental study on energy dissipation and flow regime in stepped chutes. Journal of Hydraulic Engineering, v. 45, n. 3, p. 201–213, 2001.
