Jossandra Alves 26.05.2025
No universo da engenharia hidráulica, a dissipação de energia em estruturas como escadas é um tema crucial para garantir a segurança e a eficiência de projetos. Quando falamos de escadas dissipadoras em gabiões com degrau negativo, surge a dúvida: essa configuração realmente funciona e quais são os seus efeitos?
O Conceito do Degrau Negativo
Uma escada dissipadora com degrau negativo, ou inclinado, apresenta uma geometria diferenciada em comparação às escadas tradicionais. Embora sua construção possa apresentar um pouco mais de complexidade devido à necessidade de cortes inclinados no solo para a aplicação das fiadas de gabião, os benefícios hidráulicos que ela proporciona são notáveis.
Como a Dissipação de Energia Acontece
Nesse tipo de estrutura, o escoamento da água se comporta de maneira distinta. Diferentemente de um fluxo que “quica” em cada degrau, a água tende a descer quase que diagonalmente, criando uma espécie de “fundo falso” entre os dentes do degrau. Essa dinâmica favorece a formação de vórtices nos degraus, o que é fundamental para a dissipação de energia.
A dissipação ocorre em duas etapas principais:
- Impacto: O impacto inicial da água com a base do gabião em cada degrau gera uma significativa dissipação de energia. A água, ao colidir com a superfície, perde parte de sua velocidade e energia cinética.
- Turbulência: Logo após o impacto, a formação de turbulência a jusante do ponto de impacto continua o processo de dissipação. Essa agitação na massa d’água contribui para a perda total de energia ao longo da escada.
Este processo é bastante diferente do regime de escoamento Skimming Flow, onde a água passa quase que diretamente sobre os degraus em escadas mais inclinadas. Em escadas com degrau negativo, o escoamento “sente” mais os patamares, o que leva a uma maior retenção da lâmina d’água e, consequentemente, a uma melhor absorção do impacto, otimizando a dissipação de energia.
O Estudo de Peyras, Royet e Degoutte: Inovação em Escadas Dissipadoras
Em 1992, um trabalho seminal foi publicado na ASCE (American Society of Civil Engineers) por L. Peyras, P. Royet e G. Degoutte, intitulado “FLOW AND ENERGY DISSIPATION OVER STEPPED GABION WEIRS”. Este estudo notável se aprofundou nos resultados hidráulicos de quatro configurações distintas de escadas dissipadoras em gabiões.
A pesquisa utilizou modelos físicos reduzidos em escala de 1:5, construídos em um canal com 80 cm de largura. O grande diferencial deste trabalho foi a exploração de geometrias de escadas não tão convencionais, buscando compreender seus impactos específicos no escoamento da água.
Figura 1 – Modelos Físicos
As geometrias investigadas incluíam:
Figura 2 – Geometria estudadas
- Tipo (a): Escada dissipadora em gabiões-caixa, com patamares horizontais e sem revestimento de concreto.
- Tipo (b): Escada dissipadora em gabiões com patamares horizontais, mas com revestimento adicional de concreto. Este revestimento é recomendado quando as velocidades do escoamento superam as velocidades admissíveis dos gabiões, prevenindo a movimentação interna das pedras de preenchimento.
- Tipo (c): Escada dissipadora em gabiões com patamares inclinados entre 5% e 15%. Essa inclinação mostrou-se capaz de criar um escoamento subcrítico nos patamares para vazões de até 1 m3/s.m, o que é altamente favorável à dissipação de energia.
- Tipo (d): Escada dissipadora em gabiões com patamares horizontais, mas incorporando um pequeno anteparo (chamado de endsill ou contrabarragem) na extremidade de jusante do degrau. A função deste anteparo é estabelecer um controle de nível em cada patamar, otimizando a dissipação de energia ao longo da estrutura.
As conclusões do experimento foram bastante esclarecedoras:
- Para escoamentos no regime Nappe Flow, a dissipação de energia ocorre em duas fases: primeiramente, pelo impacto da água com o patamar, e, em seguida, pela turbulência gerada logo após esse impacto.
- As escadas dos tipos (a) e (b) não apresentaram regimes subcríticos nos patamares para as vazões testadas no regime Nappe Flow. Em contraste, as escadas dos tipos (c) e (d) conseguiram manter um regime subcrítico nos patamares para vazões de até 1 m3/s.m, tornando-se supercríticas apenas acima dessa vazão.
- Os resultados indicaram uma dissipação de energia aproximadamente 10% maior em comparação com métodos de cálculo convencionais, como o de método de cálculo convencional utilizado para escadas dissipadoras RAND (1955). Acredita-se que essa melhoria se deve à rugosidade e permeabilidade inerentes aos gabiões.
- As configurações (c) e (d) demonstraram uma capacidade superior de retenção da lâmina d’água nos patamares, o que resultou em uma melhor absorção do impacto do escoamento e, consequentemente, uma dissipação de energia mais eficiente na estrutura.
Este estudo pioneiro reforça a importância da geometria no projeto de escadas dissipadoras e destaca o potencial de inovações como os degraus inclinados e os anteparos para otimizar a performance hidráulica dessas estruturas.
Conclusão
Com base nos estudo apresentado, fica evidente a alta eficácia das escadas dissipadoras em gabiões, particularmente aquelas com geometrias otimizadas. As configurações com degraus inclinados (tipo c) e com anteparos (tipo d) destacam-se por promoverem condições de escoamento mais favoráveis à dissipação de energia, como a criação de regime subcrítico nos patamares para vazões específicas (até 1 m³/s.m) e uma maior retenção da lâmina d’água.
A capacidade intrínseca dos gabiões de absorver o impacto da água e gerar turbulência, combinada com sua rugosidade e permeabilidade, contribui para uma dissipação de energia superior. Os resultados do estudo de Peyras, Royet e Degoutte indicaram uma dissipação de energia aproximadamente 10% maior em comparação com métodos de cálculo convencionais, como o de RAND (1955). Essa performance superior se deve, em grande parte, à interação do fluxo com a superfície rugosa e permeável dos gabiões.
Portanto, o uso de gabiões em escadas dissipadoras, especialmente com degraus negativos ou geometrias similares, não só oferece flexibilidade na adaptação da estrutura e contribui para evitar erosões, mas representa uma solução comprovadamente eficaz e robusta para o controle de velocidade e energia do fluxo d’água em obras hidráulicas, garantindo maior segurança e durabilidade.
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REFERÊNCIAS
Peyras, L., Royet, P., & Degoutte, G. (1992). “FLOW AND ENERGY DISSIPATION OVER STEPPED GABION WEIRS.”
