2 cap a drenagem vias 03 2012

8/17/2019 2 CAP a Drenagem Vias 03 2012

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INSTITUTOSUPERIOR DEENGENHARIA DELISBOADEPARTAMENTO DEENGENHARIACIVIL

APONTAMENTOS DE HIDRÁULICA APLICADACapítulo A – Drenagem Superficial em Vias de Comunicação

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INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA

APONTAMENTOS DE HIDRÁULICA APLICADA

CAPÍTULO A – DRENAGEM PLUVIAL EM VIAS DE COMUNICAÇÃO

1 INTRODUÇÃO

Uma infra-estrutura rodoviária é uma obra de engenharia que visa o estabelecimento de umaplataforma destinada à circulação de veículos automóveis em condições de segurança, fluidez,comodidade e economia. Para a construção dessa plataforma torna-se necessário modelar oterreno natural, através da execução de escavações e de aterros que interferem com ascondições naturais do escoamento da água, tanto no que respeita ao escoamento superficialcomo ao escoamento sub-superficial e por vezes mesmo ao subterrâneo.

A drenagem das vias de comunicação classifica-se tradicionalmente em dois tipos:drenagemsuperficial e drenagem subterrânea (também designada por drenagem interna).

A drenagem superficial tem duplo objectivo: por um lado, assegurar o escoamento das águaspluviais para fora da plataforma de circulação, e por outro, assegurar o restabelecimento dascondições de escoamento das linhas de água naturais interceptadas pela construção da via.

Ao conjunto de dispositivos e estruturas hidráulicas que visam assegurar o adequado escoamentodas águas pluviais para fora da plataforma de circulação dá-se o nome desistema de drenagemlongitudinal. Este sistema inclui as valetas da plataforma, valetas de bordadura dos aterros,valetas das banquetas, valas de crista e de pé dos talude, caleiras e colectores longitudinais.Trata-se, na generalidade, de canais de secção triangular, trapezoidal, semicircular ou circular,com os quais se procura evitar qualquer acumulação inconveniente de água ao nível dopavimento, que contribua para a diminuição da segurança dos utentes da via.

Ao conjunto de obras que visam restabelecer e dar continuidade ao escoamento natural noscursos de água atravessados pela via de circulação, dá-se o nome de sistema de drenagemtransversal . Este sistema inclui as estruturas hidráulicas de travessia do tipo aquedutos, pontõese pontes, e ainda os colectores transversais e dispositivos de ligação e recolha das águasprovenientes do sistema de drenagem longitudinal, fazendo a sua condução aos pontos dedescarga final. Trata-se em geral de secções fechadas, circulares, rectangulares ou abobadadas


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Associados a um ou a outro dos sistemas de drenagem atrás referidos, ou fazendo a ligação entreos dois, existem ainda um conjunto de dispositivos complementares, tais como câmaras de visitaou de ligação e dispositivos de entrada e de saída (sarjetas, sumidouros, obras de protecção dasdescargas, etc.)

A drenagem subterrânea (fora do âmbito da disciplina) tem como objectivo evitar o aumento doteor em água nos solos de fundação que origine diminuição da sua capacidade de suporte.Quando necessário, a drenagem subterrânea pode incluir obras para intercepção e desvio daságuas subterrâneas, rebaixamento do nível freático, etc.


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2.2 D ISTÂNCIA MÍNIMA ENTRE O NÍVEL DA ÁGUA E A PLATAFORMA

Tendo em vista minimizar a ocorrência de interrupções da via, as alturas máximas da água nosdispositivos de drenagem longitudinal (valetas e valas) e nas passagens hidráulicas (Figura A1),devem respeitar distâncias mínimas à plataforma de rodagem (folgas) não inferiores àsrecomendadas pelo IEP, que se indicam no Quadro A2, estabelecidas em função da importânciada via (sua classificação e tráfego médio diário anual - TMDA).

Quadro A2 - Distâncias mínimas entre o nível de água e a plataforma [1]

Tipo de rodovia

Distância mínima em

valetas de drenagemlongitudinalh1 (m)

Distância mínima

em passagenshidráulicash2 (m)

Estradas Regionais e Municipais 0 0,10 a 0,20

Estr. Nacionais e outras com TMDA > 250 0 0,50

IP(S),IC(S), outras estradas com TMDA > 2000 0,05 a 0,10 0,80

Drenagem longitudinal

Passagens hidráulicas

Figura A1 - Distâncias mínimas entre o nível de água e a plataforma


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Alem das condições expressas no Quadro A2, a altura máxima da água nas passagenshidráulicas não deve exceder o dobro da altura da passagem hidráulica, para evitar problemasrelacionados com a infiltração de água no terreno, que pode reduzir a capacidade de suporte dosaterros e das camadas de suporte da via.

Também no caso das valetas da drenagem longitudinal, dependendo do tipo de valeta (revestidaou não revestida) e da natureza do material constituinte das bermas, deve ter-se atenção para quea altura de água na valeta não dê origem a infiltrações que possam comprometer a capacidade desuporte dos terrenos que suportam a via.


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3 AVALIAÇÃO DE CAUDAIS DE CHEIA

3.1 E LEMENTOS DE BASE

3.1.1 Bacia hidrográfica

Uma bacia hidrográfica define-se para uma secção qualquer de um curso de água e representaa área de terreno que contribui com as suas águas superficiais e subterrâneas para alimentar ocaudal desse curso de água na secção considerada (secção de fecho da bacia).

As bacias hidrográficas são delimitadas tendo em conta não só a topografia do terreno, mas

também a sua geologia, já que existem situações onde a delimitação da bacia hidrográfica nãocoincide com a da bacia topográfica devido a escoamentos subterrâneos significativos. Para oscasos correntes, e no que interessa ao âmbito da disciplina, os limites de uma bacia hidrográficapodem ser definidos pelas linhas de cumeada que a circundam.

No âmbito da drenagem das vias (e também na drenagem de espaços urbanos) as áreascontribuintes para os sistemas de drenagem nem sempre são bacias hidrográficascorrespondentes a linhas de água bem definidas, mas sim pequenasáreas de drenagem quepela sua localização, orientação do declive e tipo de ocupação, escoam as suas águas pluviaispara determinados pontos dos sistemas de drenagem.

3.1.2 Precipitação

O termo precipitação é aplicado em Hidrologia para representar todas as águas meteorológicasque caem na superfície terrestre sob as formas líquida ou sólida (chuva, orvalho, neve, granizo,geada).

A precipitação é um fenómeno meteorológico que varia grandemente no espaço e no tempo e temgrande interesse na determinação dos caudais dos cursos de água, nomeadamente dos caudaisde cheia, resultantes de precipitações extremas (máximas).

A quantidade de precipitação referente a um qualquer intervalo de tempo exprime-se emmm (milímetros) e representa a altura que a água atingiria sobre uma superfície horizontal se todas asprecipitações recebidas nessa superfície durante esse intervalo de tempo ficassem imobilizadas enão se escoassem. Assim, por exemplo, diz-se que a quantidade de precipitação ocorrida numdeterminado dia e num determinado local foi de 50 mm, se durante esse dia e nesse local aquantidade de água precipitada e recolhida numa tina de paredes verticais e fundo horizontalatingiu a altura de 50 mm.


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A intensidade de precipitação é a quantidade de precipitação referida à unidade de tempo.Exprime-se geralmente em mm/h (milímetros por hora). Pode também exprimir-se eml/s/ha (litros/segundo/hectare), sendo 1 mm/h = 2,78 L/s/ha.

1 mm = 1 L/m2

1 mm/h =1 L/m2 /h = 10000 L/ha/h = 10000/3600 L/ha/s = 2,78 L/ha/s

As precipitações intensas caracterizam-se pela sua intensidade e duração , sendo asintensidades referidas sempre ao tempo durante o qual ocorrem. Assim, por exemplo, no caso deuma precipitação intensa em que caíram 15 mm de precipitação em 10 minutos, diz-se queocorreu uma precipitação de 10 minutos com intensidade de 90 mm/h.

Deve notar-se que uma intensidade de precipitação associada a uma determinada duraçãorepresenta de facto um valor médio da intensidade durante esse período. Sendo a precipitaçãoum fenómeno que varia no tempo, terá havido durante esse período momentos em que aprecipitação foi superior à média e outros em que foi inferior.

Assim, na análise de precipitações intensas, à medida que vamos reduzindo o intervalo deobservação da precipitação vamos obtendo intensidades (médias no intervalo de tempo)

progressivamente maiores, podendo afirmar-se quequanto menor for o intervalo de tempoconsiderado para a duração da precipitação, maior será a respectiva intensidade média ,como se mostra na

Figura A2.

Ao valor mais desfavorável da intensidade média chama-se normalmenteintensidade médiamáxima, ou simplesmenteintensidade máxima .


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Figura A2 - Variação da intensidade de precipitação com o intervalo de observação

3.1.3 Período de retornoAs precipitações são fenómenos hidrológicos aleatórios, para os quais se verifica que os episódiosmais intensos ocorrem com menos frequência que os menos intensos. Enquanto que asprecipitações de pequena ou média intensidade ocorrem com bastante frequência (várias vezespor ano), os grandes eventos, com precipitações extremas que dão origem a grandes cheias einundações, ocorrem apenas (felizmente) de tempos a tempos, geralmente com vários anos deintervalo entre si.

Na verdade, quanto mais intenso é o fenómeno, menor é sua frequência de ocorrência, ou seja,maior é esse intervalo de tempo (em média).

Define-se comoperíodo de retorno, ou intervalo de recorrência, (T ) e exprime-se geralmente emanos, o intervalo de tempo que decorre, em média, para que um determinado evento(precipitação intensa com determinado valor) seja igualado ou excedido.

Por exemplo, diz-se que o período de retorno de uma determinada precipitação (definida pela suaintensidade e duração) é de 10 anos quando esse valor de intensidade de precipitação, referido àmesma duração, é igualado ou excedido, em média, uma vez, em cada 10 anos.


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Não sendo possível fixar um limite superior para a intensidade de precipitação, a escolha doperíodo de retorno é indispensável para a avaliação dos caudais de cheia, já que ele traduz amaior ou menor intensidade do fenómeno para o qual queremos dimensionar as obras. Aadopção de um período de retorno maior implica maiores intensidades de precipitação (maiorescaudais de cheia) e consequentemente obras dimensionadas com maior segurança, mas também,naturalmente, mais caras.

Em cada caso, a escolha do período de retorno deve ser encarada como uma solução decompromisso entre o custo necessário para atingir um determinado nível de segurança (incluindopessoas, bens e a própria infra-estrutura) e os prejuízos e danos que podem resultar do facto deesse nível de segurança não ser atingido.

Os valores do período de retorno que se devem adoptarpara as estruturas de drenagemlongitudinal, são os que se apresentam no Quadro A3, recomendados pelo IEP, tendo por baseum critério associado à importância da via (sua classificação e tráfego médio diário anual -TMDA).

Quadro A3 - Períodos de retorno a adoptar em dispositivos de drenagem longitudinal [1]

Período deretorno (anos) Tipo de via Observações

2 a 10 Estradas Regionais e MunicipaisComplementares -

10Estradas Nacionais, EstradasRegionais ou Estradas Municipaiscom TMDA > 250

-

10 a 20

Itinerários Principais (IP),Itinerários Complementares (IC)ou outras estradas com TMDA >2000

Recomenda-se que no caso de opção por umperíodo de retorno de 10 anos, seja feita,complementarmente, a verificação de que, paraum período de retorno de 20 anos, não éatingido o nível da plataforma.

Para as obras de drenagem transversal (passagens hidráulicas) o período de retorno deve serestabelecido em função da importância da rodovia, por um lado, e da magnitude das

consequências previsíveis que resultem de uma insuficiente capacidade de escoamento, poroutro.


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Segundo o IEP, os parâmetros a considerar devem ser os seguintes:

P1: associado à importância da via - relaciona-se com a necessidade de garantia de circulação

em ocorrência chuvosa, quer pela densidade do tráfego afectado, quer pelas dificuldadesresultantes da escolha de alternativas viáveis. A sua avaliação tem por base a classificação da viae o tráfego médio diário anual - TMDA;

Quadro A4 - Valores de P1 (função da importância da via) [1]

Importância da via Valores de P1

Estradas Regionais e Municipais 0,5

Estradas nacionais, Estradas Regionais ou EstradasMunicipais com TMDA > 250 1,0

IP(S),IC(S), outras estradas com TMDA > 2000 1,5

P2: associado aos prejuízos/danos para a própria via - relaciona-se com o impacte dadanificação ou destruição de pavimentos e bermas, abatimentos, etc., resultantes do excesso dequantidade de água ou da sua acção erosiva com a consequente interrupção da circulação. A

avaliação deste parâmetro é feita com base no aumento do tempo de percurso imposto ao tráfegopor utilização de um percurso alternativo ( ∆ t C ) em % do tempo de percurso em condições normais,e/ou, se a estrutura afectada for um aterro, a altura (h ) do mesmo;

Quadro A5 - Valores de P2 (função dos prejuízos / danos para a própria via) [1]

Efeito dos prejuízos / danos para a própria via Valores de P2

Baixos ( ∆ t C < 25 % ; h < 2,0 m) 0,5

Médios ( ∆ t C < 50 % ; h < 5,0 m) 1,0Elevados ( ∆ t C > 50 % - h > 5,0 m) 1,5

P3: associado aos prejuízos/danos causados a terceiros - resultantes da inundação de áreascircundantes (a montante e a jusante), devido a sobreelevações excessivas do nível de água oudevido a arrastamento de materiais resultante da destruição de estruturas da estrada. A avaliaçãodeste parâmetro é a mais subjectiva: se as zonas afectadas têm ocupação urbana, industrial,patrimonial ou agrícola de valor relevante, e podem ocorrer prejuízos importantes em bensmateriais ou em vidas humanas, será sempre atribuído o nível elevado; nos restantes casos, e


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tratando-se normalmente da afectação de zonas agrícolas, a classificação com o nível médio oubaixo depende do tipo de ocupação e utilização do solo.

Quadro A6 - Valores de P3 (função dos prejuízos / danos causados a terceiros) [1]

Efeito dos prejuízos / danos para terceiros Valores de P3

Baixos 0,5

Médios 1,0

Elevados 1,5

O período de retorno (T) a adoptar é função de um índice I, calculado como a soma dos valoresdos 3 parâmetros (I=P1+P2+P3), tal como se traduz no Quadro A7

Quadro A7 - Período de retorno mínimo a adoptar nas passagens hidráulicas [1]

Período de retorno (anos) I (= P1+P2+P3)

20 a 25 I = 1,5

50 I = 2,0

100 2,0 < I≤ 4,0

> 100, com análise económica e de risco I > 4,0

3.1.4 Tempo de concentração

O tempo de concentração (tc) de uma bacia hidrográfica (ou de uma qualquer área dedrenagem), define-se como sendo o tempo que demora o escoamento superficial da partícula deágua caída no ponto cinematicamente mais afastado da secção de fecho da bacia, a chegar aessa secção.

Trata-se de um parâmetro importante no cálculo dos caudais de cheia porque se admite (deacordo com o método de cálculo utilizado), que em bacias hidrográficas de pequena dimensão aprecipitação mais desfavorável,(aquela que dá origem ao maior caudal de cheia), tem umaduração igual ao tempo de concentração.


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De acordo com a definição, o tempo de concentração representa o tempo mínimo necessário,contado desde o início de uma chuvada, para que toda a área da bacia contribuasimultaneamente para o escoamento superficial na secção de fecho.

Como no cálculo das precipitações intensas, a intensidade diminui quando aumenta a respectivaduração (e vice versa), a situação mais desfavorável ocorre quando uma precipitação tem duraçãoigual ao tempo de concentração, por juntar as condições de máxima intensidade possível com acontribuição simultânea de toda a área da bacia para o escoamento

A essa precipitação com duração igual ao tempo de concentração, que dá origem ao caudal maisdesfavorável dá-se o nome deprecipitação crítica .

O valor do tempo de concentração de pequenas bacias hidrográficas, ou áreas de drenagem,pode ser avaliado conforme se indica no ponto 3.2.4.

3.2 M ÉTODO RACIONAL

3.2.1 Introdução

O cálculo dos caudais de projecto (caudais de cheia) constitui uma etapa fundamental no estudodos sistemas de drenagem superficial das obras rodoviárias.

É com base nos valores estabelecidos para os caudais de projecto que se procede à concepção eao dimensionamento hidráulico dos diversos tipos de estruturas, ou seja, se determina a suatipologia, dimensões, declives, etc., para que funcionem em boas condições.

De entre os métodos que se utilizam para cálculo dos caudais de projecto em obras de pequena emédia dimensão, oMétodo Racional é o mais divulgado, devido à sua simplicidade de aplicação.Trata-se de uma ferramenta de grande utilidade, desde que se respeite o seu domínio de

aplicação, e se faça uma correcta definição dos seus parâmetros de base.

Como mais adiante se justificará, em resultado das simplificações de natureza hidrológica ehidráulica da sua formulação, o método só deve ser aplicado para áreas drenantes ou baciashidrográficas de pequena dimensão, até valores da ordem dos 25 a 30 km2.

Esta dimensão é no entanto suficiente para resolver todos os problemas que surgem no cálculodas obras de drenagem longitudinal de vias de comunicação, e também a maior parte dosproblemas de drenagem transversal, se excluirmos as travessias de grandes linhas de água, querequerem outros métodos de cálculo, ensinados na disciplina de Hidrologia


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3.2.2 Formulação

O Método Racional utiliza uma fórmula (fórmula racional), para estimar o caudal máximo de águaspluviais numa bacia hidrográfica (caudal de ponta, ou caudal de cheia) associado a umaprecipitação com um dado período de retorno (T).

A fórmula racional é expressa pela equação homogénea:

AiC Q c p ××= (Eq.A3.1)

em que:Q p = caudal de ponta (com período de retorno T);

C = coeficiente adimensional;i C = intensidade crítica de precipitação com período de retorno T;A = área da bacia de drenagem.

Na expressão anterior, a intensidade crítica de precipitação com período de retorno T é, como jáantes se referiu, a intensidade máxima (máxima média) da precipitação com esse período deretorno e com duração igual ao tempo de concentração da bacia, e pode ser calculada conformese indica no ponto 3.2.3 seguinte.

O coeficiente (C ) é um parâmetro adimensional que traduz os efeitos no caudal de ponta, daretenção superficial, da infiltração e do armazenamento nos leitos. Depende em grande medidadas características físicas da bacia hidrográfica, da natureza e declive do terreno, da coberturavegetal e da ocupação e uso do solo, e ainda do período de retorno, sendo o seu valor semprecompreendido entre 0 e 1.

Os valores do coeficiente de escoamento para uma bacia hidrográfica, podem ser obtidos deforma expedita como se indica no ponto 3.2.5.

3.2.3 Intensidade crítica de precipitação

Os valores da intensidade máxima média das precipitações de curta duração (de 5 minutos atéum número reduzido de horas) e com diferentes períodos de retorno, podem ser obtidos poraplicação de métodos estatísticos aos valores das precipitações registadas nos postosudométricos espalhados pelo país.

Nas últimas décadas do século passado foi realizado um trabalho sistemático de recolha e

tratamento estatístico desses registos de precipitações, por técnicos do LNEC, que conduziu aoestabelecimento de equações que relacionam as intensidades de precipitação com as respectivas


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durações, para diferentes frequências de ocorrência, .designadas porcurvas I-D-F (Intensidade-Duração-Frequência).

Essas curvas constituem uma “ferramenta” de aplicação simples e segura, que pode ser utilizadapara a resolução de grande número de problemas relacionados com o dimensionamento de obrasde drenagem de águas pluviais, nomeadamente em áreas urbanas e em vias, de comunicação.

No Decreto-Regulamentar 23/95 de 23 de Agosto (REGULAMENTOGERAL DOSSISTEMASPÚBLICOS EPREDIAIS DEDISTRIBUIÇÃO DEÁGUA E DEDRENAGEM DEÁGUAS RESIDUAIS) encontram-se publicadascurvas I-D-F elaboradas para todo o território Nacional, que podem ser utilizadas para a resoluçãode grande número de problemas relacionados com o dimensionamento de obras de drenagem de

águas pluviais, nomeadamente em áreas urbanas e em vias, de comunicação. Essas curvas sãoexpressas por equações do tipo:

bt ai ×= (Eq. A3.2)

i - intensidade de precipitação (mm/h)

t - duração da precipitação (min)

a, b - constantes dependentes do período de retorno

No quadro da Figura A3 (extraído do Decreto Regulamentar atrás referido) indicam-se os valoresdos parâmetros a e b das curvas I-D-F para diferentes períodos de retorno, para cada uma dastrês regiões pluviométricas em que se dividiu o país.


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REGIÃO PLUVIOMÉTRICA A – inclui as áreas não referidas em B e C

REGIÃO PLUVIOMÉTRICA B- inclui os concelhos seguintes: Alfândega da Fé, Alijó, Almeida, Armamar, Boticas,Bragança, Carrazeda de Anciães, Chaves, Figueira de Castelo Rodrigo, Freixo de Espada à Cinta, Macedo deCavaleiros, Meda, Miranda do Douro, Mirandela, Mogadouro, Montalegre, Murça, Penedono, Pinhel, Ribeira de Pena,Sabroda, Santa Marta de Penaguião, São João da Pesqueira, Sernancelhe, Tabuaço, Torre de Moncorvo, Trancoso,Valpaços, Vila Flor, Vila Pouca de Aguiar, Vila Nova de Foz Côa, Vila Real, Vimioso e Vinhais.

REGIÃO PLUVIOMÉTRICA C- inclui os concelhos das Regiões autónomas dos Açores e da Madeira e do Continente,os concelhos de Guarda, Manteigas, Moimenta da Beira, Sabugal e Tarouca, e as áreas situadas a altitude superior a700 metros dos concelhos de Aguiar da Beira, Amarante, Arcos de Valdevez, Arganil, Arouca, Castanheira de Pêra,Castro Daire, Celorico da Beira, Cinfães, Covilhã, Fundão, Góis, Gouveia, Lamego, Marvão, Melgaço, Oleiros,Pampilhosa da Serra, Ponte da Barca, Resende, Seia, S. Pedro do Sul, Terras do Bouro, Tondela, Vale de Cambra, VilaNova de Paiva e Vouzela.

Figura A3 - Parâmetrosa e b das curvas I-D-F para o território Nacional [2]


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3.2.4 Tempo de concentração (tc)

A utilização do Método Racional requer a avaliação do tempo de concentração para cada secção

de cálculo. Este valor é depois utilizado para a obtenção da intensidade de precipitação máxima(crítica), escolhido que seja o período de retorno.

Para as áreas de drenagem que possuam superfícies impermeabilizadas ou mistas(impermeabilizadas e não impermeabilizadas), nas quais a água faz uma parte do percurso emescoamento superficial sobre o terreno e outra parte dentro de valetas ou colectores, como é ocaso das que contribuem para os sistemas de drenagem longitudinal, o tempo de concentração,tc , pode ser calculado através do somatório de duas parcelas:

- tempo de entrada ( te ) correspondente ao tempo de escoamento superficial da água atéchegar à valeta (ou colector), o qual é função da distância a percorrer, do tipo de superfície edo seu declive.

tempo de percurso ( tp ) correspondente ao escoamento no interior do canal (ou colector). Parao cálculo da velocidade deste escoamento canalizado pode ser utilizada a fórmula de Manning-Strickler, admitindo um escoamento em regime uniforme com secção cheia:

Para o cálculo dos tempos de entrada, pode recorrer-se ao gráfico da figura A4 ou à formulaçãoapresentada pela Federal Highway Administration (FWHA) HDS nº 4 (modificada):

L – extensão do percurso superficial do escoamento (m);

Ks – coeficiente de Manning-Strikler (m1/3 s-1);a, b – coeficientes da curva IDF, para o período retorno considerado no cálculo;J -- declive médio do terreno que contribui para o escoamento

De acordo com o US Soil Conservation esta expressão só deve ser aplicada para valores de Linferiores a 90 m.

Se o valor obtido for inferior a 5 minutos, deve adoptar-se o valor mínimo de 5 minutos.

Para o cálculo dos tempos de percurso nos canais pode determinar-se a velocidade pela fórmulade Manning-Strickler, admitindo a secção cheia:

b

c J aKs L

t 4,01

1

3,04,06,0

6,0

92,6+

××

=


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J RKsV ××= 32

(Eq. A3.3)

em que:V = velocidade de escoamento (m/s);

K S = coeficiente de rugosidade de Strickler (m1/3 .s-1) (Quadro A9);

R = raio hidráulico (m) (secção molhada / perímetro molhado);

J = inclinação do canal (m/m )

Figura A4 – Determinação dos tempos de entrada [1](em função da distância, do declive e do tipo de ocupação do terreno)


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Quadro A9 – Coeficientes de rugosidade de Strickler, para cálculo dos tempos de concentração

Tipo de superfície/cobertura Valor de Ks

Áreas de pastagem ou cultivadas 20 - 30Áreas de mato disperso 15 - 20Áreas de mato denso 8 - 12Pavimentos betuminosos 65 - 75Valetas em rocha irregular 30 - 40Valetas em terra com ervas 40 - 50

Para os casos de escoamento em bacias atravessadas pelo traçado das vias, para as quais sedimensionam as valas de crista e de pé de talude, e para as bacias que contribuem para asestruturas do sistema de drenagem transversal (passagens hidráulicas), pode utilizar-se a fórmulaempírica de Temez, desenvolvida para bacias hidrográficas espanholas, mas tambémrecomendada para Portugal, cuja expressão de cálculo é:

76,0)25,0

(3,0 J

Ltc ×= (Eq. A3.4)

em quetc = tempo de concentração (horas)L= comprimento da linha de água principal (Km)J = declive médio da linha de água principal (m/m)

Podem também utilizar-se outras expressões, como a fórmula deKirpich:

385,077,00195,0 −××= J Ltc (Eq. A3.5)

tc - tempo de concentração (minutos)L - comprimento da linha de água principal (m)J - declive médio da linha de água principal (m/m)

ou a de Giandotti:

mh

L Atc

8,0

5,14 += (Eq. A3.6)

t C - tempo de concentração (horas);

A - área da bacia hidrográfica (km2 );L - desenvolvimento do curso de água principal (km);hm - altura média da bacia (m)


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A adopção de tempos de concentração mais reduzidos resulta em maiores caudais de cheia, econsequentemente em dimensionamentos mais do lado da segurança. Em situações normais, afórmula de Temez parece ser a que melhor se ajusta às bacias portuguesas, sendo recomendadapelo IEP. No caso de obras que envolvam maiores riscos, podem usar-se expressões queconduzam a valores de tempo de concentração mais reduzidos, ou utilizar valores intermédiosobtidos a partir de uma ponderação de diferentes métodos.

3.2.5 Coeficiente de escoamento (C)

O coeficiente de escoamento é porventura o parâmetro de determinação menos precisa noMétodo Racional, uma vez que depende muito das características físicas e de ocupação da bacia,

de drenagem, e também das interacções entre a precipitação e a bacia. O seu valor é variávelentre 0 e 1.

Na Figura A5, extraída do Decreto-Regulamentar 23/95 de 23 de Agosto, apresenta-se uma tabelae um ábaco que permitem o cálculo expedito de coeficientes de escoamento em função do tipo edo declive médio do solo e da percentagem de áreas impermeabilizadas da bacia.

Quando se trata de avaliar os caudais de ponta de águas pluviais provenientes de superfíciescompletamente impermeabilizadas, como sejam as faixas de rodagem das vias de comunicação

ou outras áreas pavimentadas, é usual atribuir ao coeficiente de escoamento o valor C = 1, comosimplificação do lado da segurança.

Na figura A5 apercentagem de áreas impermeabilizadas corresponde, de um modo geral, àsáreas da bacia onde a infiltração é nula ou muito reduzida, seja devido à natureza do terreno, sejadevido à impermeabilização artificial pela ocupação urbana

Os coeficientes de escoamento indicados no ábaco do Regulamento são válidos para chuvadascom períodos de retorno de 5 a 10 anos.

Para chuvadas com períodos de retorno maiores, os valores de C do ábaco devem ser majoradospor um coeficiente de correcção K de acordo com o quadro seguinte:

Valores do factor de correcção K, em função de T

Período deretorno (T)

Factor decorrecção (K)

25 1,150 1,2100 1,25


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Figura A5 – Coeficientes de escoamento [2]


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3.2.6 Condições de aplicabilidade do método racional

A fórmula do método racional apresenta algumas limitações na sua aplicabilidade, em virtude dashipóteses simplificativas em que se baseia, nomeadamente no que se refere à distribuiçãoespacial e temporal das precipitações, às determinações do coeficiente de escoamento e dotempo de concentração das bacias e às relações entre escoamento e precipitação. A maior críticadiz respeito ao coeficiente C, que o método considera ser igual para diferentes chuvadas, econstante ao longo de uma chuvada.

O método assume que as precipitações são de intensidade constante e uniformementedistribuídas sobre toda a bacia durante o intervalo de tempo correspondente ao tempo deconcentração, o que não corresponde à verdade e só pode ser assumido para bacias depequenas dimensões e com tempos de concentração relativamente curtos.

O método assume também que o pico de caudal de cheia ocorre quando toda a bacia está acontribuir para o escoamento. Esta hipótese não é necessariamente verdadeira, pois em certasbacias, onde existem áreas “marginais” relativamente pequenas em relação à área total da baciaque se encontram afastadas da secção de fecho, a situação mais gravosa pode ocorrer parachuvadas mais curtas, em que apenas uma parte “principal” da área da bacia mais próxima dasaída contribui para o escoamento. Nestas bacias (e deve prestar-se atenção ao facto, porque

pode induzir em erros significativos) é desaconselhável utilizar durações de precipitação iguais aotempo de concentração da bacia completa, sendo preferível não entrar em conta com essas áreasmarginais e considerar apenas a área principal, ligeiramente inferior mas um tempo deconcentração significativamente mais curto.

Não existe um valor universalmente aceite relativamente à dimensão da bacia que deve constituiro limite de aplicabilidade do método racional. Os manuais europeus apontam para valores quevariam entre os 40 e os 100 km2, enquanto que os manuais americanos apontam para valores

inferiores a 10 km2.

Em Portugal, os estudos efectuados permitem apontar para a sua utilização, sem reservas, parabacias com áreas da ordem dos 25 a 30 km2 e tempos de concentração até 2 horas.

Para bacias de maior dimensão (fora do âmbito da disciplina), poderá ser necessário ter em contachuvadas de intensidade variável. Nestes casos, poderá recorrer-se ao conceito de hidrogramaunitário e a métodos de cálculo de aplicação simples que nele se baseiam para calcular oshidrogramas de cheia. De entre estes, o método do Soil Conservation Service (SCS) ocupa umlugar de destaque, por consistir numa metodologia completa e consistente para o cálculo dehidrogramas de cheia em bacias de que não se possui registos hidrométricos.


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4 DRENAGEM LONGITUDINAL DE VIAS DE COMUNICAÇÃO

4.1 I NTRODUÇÃO

Constituem objectivos principais da drenagem longitudinal:

• assegurar a recolha e o escoamento das águas pluviais provenientes da plataforma;

• assegurar a recolha e o escoamento das águas pluviais provenientes dos taludes evitando oseu acesso à plataforma;

• assegurar a recolha e o escoamento das águas pluviais provenientes dos terrenos naturais amontante, evitando, quando for o caso, a possível danificação dos taludes;

• assegurar que o escoamento se faça por forma a que as águas pluviais não venham acontribuir para a subida de eventuais níveis freáticos existentes, quando estes, por condiçõesnaturais, puderem vir a atingir níveis próximos do da plataforma.

A drenagem longitudinal pode incluir vários tipos de dispositivos e órgãos acessórios de ligação erecolha, nomeadamente: valas; valetas; colectores; câmaras de visita e de ligação, sumidouros;etc.

4.2 C ONCEPÇÃO GERAL Na concepção dos sistemas de drenagem longitudinal das obras rodoviárias devem ser tidos emconsideração os seguintes aspectos genéricos:

• optar, tanto quanto possível, por dispositivos a céu aberto (valas e valetas). A utilização desistemas enterrados deve limitar-se apenas às situações onde estes sejam inevitáveis;

• promover uma criteriosa e frequente instalação de pontos de descarga, por forma a limitar a

altura da lâmina líquida junto à plataforma e minimizar os caudais acumulados nas própriasdescargas;

• atender às implicações que a localização, forma e tipo dos dispositivos a instalar possam terpara a segurança dos utentes;

• atender aos constrangimentos relativos à preservação da propriedade e de bens de terceiros,nas áreas confinantes;

• atender aos constrangimentos de natureza ambiental, ecológica e estética das áreasconfinantes;


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• atender aos custos de investimento, operação e manutenção;

Os estudos e projectos devem ser elaborados seguindo uma metodologia adequada. Sem

prejuízo de outras acções que em cada caso concreto devam ser desenvolvidas, devemconsiderar-se as seguintes:

1 - Reunir informação relevante – plantas e perfis do traçado da via com identificação dos trechosem escavação e em aterro; cartas topográficas a escalas convenientes para delimitação debacias de drenagem; identificação de eventuais constrangimentos específicos (técnicos,socio-económicos ou ambientais), etc.;

2 - Identificar pontos singulares e zonas sensíveis – pontos altos e pontos baixos da via;

atravessamentos de linhas de água naturais; pontos de descarga possíveis e eventuaislimitações a essas descargas (devidas ao aumento de caudais ou de cargas poluentes);zonas sensíveis ou vulneráveis que possam induzir condicionamentos particulares;

3 - Identificar troços de características semelhantes a que correspondam soluções-tipo idênticas -troços em escavação ou em aterro; troços muito ou pouco extensos, troços com separadorcentral; troços com passeios de lancil; troços de declive muito elevado ou muito baixo; troçosvizinhos da base de taludes naturais com elevadas escorrências superficiais, etc.;

4 - Pré-seleccionar os dispositivos de drenagem para cada troço em função de uma avaliaçãosumária da ordem de grandeza dos caudais a transportar – pré-definir valas ou valetas, tendopor base os desenhos e dimensões tipo normalmente utilizados, tendo em consideraçãoaspectos de segurança, estabilidade e economia, e eventuais condicionantes em termos derevestimento (ver 4.3);

5 - Efectuar os cálculos de dimensionamento hidráulico (ver 4.4) - calcular a capacidade detransporte das secções escolhidas e verificar o cumprimento dos critérios funcionais (i.e.níveis máximos e velocidades máximas); em caso de insuficiente capacidade ou develocidades excessivas, repetir os cálculos modificando a geometria da secção, a inclinaçãoou a rugosidade da superfície de revestimento; em caso de necessidade, efectuar descargaspara o meio receptor natural ou para um colector situado num plano inferior ao doescoamento superficial.

6 - Avaliar eventuais efeitos negativos que possam ocorrer a jusante dos pontos de descarga escolhidos e prever as necessárias medidas mitigadoras – avaliar se os aumentos de caudal

são comportáveis pelas linhas de água naturais; adoptar eventuais medidas necessárias paraevitar problemas de erosão do solo; avaliar eventuais problemas relacionados com alteraçõesna qualidade da água.


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4.3 C ONDICIONANTES

Como se referiu no ponto anterior, a escolha dos dispositivos de drenagem longitudinal deve ter

em conta vários aspectos, nomeadamente técnicos, económicos e de segurança dos utentes davia.

Uma das questões importantes que se coloca, e que tem implicações a todos os níveis (hidráulico,económico, estético e de segurança) é a escolha entre canais revestidos (geralmente com betão)ou não revestidos.

Os canais revestidos promovem um escoamento da água com maior velocidade, dificultam ainfiltração e são mais caros, mas exigem menos manutenção ao longo dos anos.

Deve-se optar por canais revestidos nas seguintes condições:

• quando a inclinação longitudinal do canal for fraca (inferior a 1%, como ordem de grandeza),para evitar velocidades reduzidas, que dão origem a deposição de sedimentos;

• quando for inconveniente qualquer tipo de infiltração (protecção de aquíferos, estabilidades detaludes, etc.), independentemente da inclinação longitudinal;

• quando a velocidade de escoamento induzir potencialmente fenómenos de erosão, face ànatureza terreno (superior a de 3,5%, como ordem de grandeza).

Quando as inclinações são superiores a valores da ordem dos 7%, os revestimentos «muitorugosos» permitem reduzir sensivelmente as velocidades de escoamento; nestes casos deveavaliar-se a necessidade de instalar estruturas de dissipação de energia (macrorrugosidades,quedas, degraus, etc.).

Nas situações que saem fora do âmbito das atrás referidas, é preferível utilizar canais nãorevestidos (com cobertura vegetal).

Os canais não revestidos exigem menos investimento e reduzem os caudais de escoamentosuperficiais para jusante, porque permitem a infiltração no terreno e aumentam o tempo depercurso do escoamento.

Nas zonas sujeitas à ocorrência de gelo na via as estruturas não revestidas são preferíveis àsrevestidas, por razões de segurança.


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4.4 D IMENSIONAMENTO HIDRÁULICO

0 dimensionamento hidráulico dos dispositivos de drenagem longitudinal (canais ou colectores)

inclui os seguintes passos sequenciais:Passo 1 - Avaliação do caudal máximo afluente a jusante de cada trecho de cálculo utilizando o

Método Racional, tendo em conta:

- um período de retorno adequado à importância da via;

- a ponderação de um coeficiente de escoamento adequado às características das áreasdrenadas;

- uma duração de precipitação adequada ao conjunto das áreas drenadas;

Na prática, para situações correntes ou cálculos expeditos de drenagem longitudinal deplataformas, bermas e taludes, podem ser utilizados os seguintes valores, sem prejuízo outrosque resultem de uma análise mais detalhada, sempre que se justifique:

- duração da precipitação = 10 minutos

- coeficiente de escoamento para a drenagem das bermas e taludes = 0,7

- coeficiente de escoamento para a drenagem do separador central = 0,9

- coeficiente de escoamento para a drenagem da faixa de rodagem = 1

Sempre que os dispositivos de drenagem longitudinal recebam águas provenientes de áreas deterreno natural exteriores à Zona da Estrada * , com dimensão significativa, os tempos deconcentração e coeficientes de escoamento dessas áreas devem ser avaliados de acordo com oindicado nos pontos 3.2.4 e 3.2.5.

Passo 2 - Comparação do caudal máximo afluente com ocaudal admissível da estrutura pré-seleccionada.

O caudal admissível pode ser obtido através da fórmula de Manning-Strickler:

J RS KsQ a ×××= 32

(Eq. A4.1)

* Zona da Estrada - o solo ocupado pela estrada, abrangendo a faixa de rodagem, as bermas, as pontes eos viadutos nela incorporados e, quando existam, as valetas, os passeios, as banquetas e os taludes;


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em que:

Q a = caudal admissível (m3 /s);K S = coeficiente de rugosidade (m1/3 .s-1);J = declive longitudinal do canal(m/m );R = raio hidráulico (m) (secção molhada / perímetro molhado);S = secção molhada (m2)

Na concepção dos dispositivos de drenagem longitudinal das vias de comunicação deve procurar-se uma optimização de custos, isto é, as dimensões e os tipos de dispositivos devem seradequados aos valores dos caudais a transportar, respeitando, no mínimo as alturas de folgaestabelecidas no ponto 2.2.

Por razões de facilidade construtiva, não há geralmente grande interesse em alterar a dimensãoou o tipo de secção do dispositivo de drenagem ao longo do seu traçado. Por outro lado, porrazões económicas, não interessa aplicar dispositivos de drenagem de dimensão exageradarelativamente aos caudais a transportar, o que pode acontecer quando os dispositivos apresentamuma secção constante e um grande desenvolvimento (caudais pequenos no início, junto dascabeceiras, e caudais grandes nos troços finais de jusante).

Assim, em princípio as valas e valetas são dimensionadas para terem secção transversalconstante ao longo do seu desenvolvimento em cada troço, podendo no entanto fazer-sealterações intermédias da secção, caso se justifique, para evitar situações muito desajustadasentre o valor do caudal e a dimensão da secção utilizada.

No Anexo apresentam-se ábacos para o cálculo expedito dos caudais admissíveis de váriosdispositivos de drenagem longitudinal - valetas e valas de secção triangular e trapezoidal.


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5 DRENAGEM TRANSVERSAL DE VIAS DE COMUNICAÇÃO

5.1 I NTRODUÇÃO

A drenagem transversal diz respeito aos estudos de natureza hidráulica e obras relacionadas como estabelecimento de:

• passagens hidráulicas (PH) indispensáveis à manutenção de adequadas condições deescoamento nos cursos de água atravessados pela via;

• colectores transversais e dispositivos complementares necessários para a recolha e conduçãodas águas da drenagem longitudinal até aos pontos de descarga final.

5.2 F ACTORES DE ESCOLHA DOS DISPOSITIVOS DE DRENAGEM TRANSVERSAL

De entre os factores que podem influenciar a escolha do tipo de obra hidráulica de drenagemtransversal, nomeadamente das PH, salientam-se os seguintes:

• magnitude dos caudais de projecto que determina a secção de escoamento e o tipo dedispositivo;

• largura do leito do curso de água que condiciona o número de condutas da travessia; emprincípio uma conduta única (compatível com o caudal e com a largura do leito) é preferível acondutas múltiplas já que, neste último caso, se aumenta a perda de carga e se torna maisdifícil a passagem de corpos flutuantes;

• altura da plataforma da via em relação ao leito do curso de água; no caso de aterros

importantes torna-se necessário analisar o impacte da carga do aterro sobre o custo da obra detravessia;

• condições geotécnicas de fundação da obra: as estruturas metálicas pela sua capacidade dedeformação são melhor adaptadas ao assentamento em solos compressíveis do que qualquertipo de estrutura em betão;

• rapidez e facilidade de colocação em obra: as estruturas metálicas quando armazenáveis etransportáveis, poderão constituir soluções vantajosas para períodos de execução limitados no

tempo ou em casos de difícil acessibilidade;


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• resistência à corrosão: as estruturas metálicas são mais vulneráveis à acção de águasagressivas e agentes atmosféricos, necessitando de protecções especiais;

• resistência ao choque e à abrasão: as obras maciças (betão) resistem melhor ao choque e aodesgaste provocado pelo arrasto do material sólido em regime torrencial.

Na figura A6 mostram-se exemplos de soluções possíveis em passagens hidráulicas.

Figura A6 – Passagens hidráulicas (simples, duplas e triplas) [1] e [14]


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5.3 C ONDIÇÕES DE LOCALIZAÇÃO EM PLANTA E PERFIL

A localização em planta das obras de travessia hidráulica deve fazer-se, tanto quanto possível,respeitando a orientação do curso de água, mas tendo em conta também que as travessiasperpendiculares à via são sempre mais económicas e sujeitas a menos problemas de exploração,por serem mais curtas. Em caso de necessidade (traçado sinuoso, desvio pronunciado, etc.) pode justificar-se uma rectificação do curso do rio, tendo como objectivo os seguintes aspectosprincipais (Figura A7):

• assegurar a manutenção de boas condições de escoamento hidráulico a montante e a jusanteda obra;

• assegurar a protecção das margens e do leito contra fenómenos de erosão..

Figura A7 – Rectificação de cursos de água para localização de passagens hidráulicas [1]

As condições do perfil da passagem hidráulica dependem da inclinação longitudinal do curso deágua e dos eventuais constrangimentos impostos pelo perfil transversal da estrada na zona da

travessia.

Várias situações distintas podem, em geral, colocar-se:


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a inclinação longitudinal do leito do cursode água é normal (variável entre 0,5 e 6%)e não existem constrangimentosespecíficos relativos ao perfil transversal davia

neste caso o perfil da passagem hidráulica poderáfixar-se com um declive idêntico ao do curso deágua

a inclinação longitudinal do leito do cursode água é elevada (valores superiores oumuito superiores a 6%).

colocam-se três soluções possíveis para o

estabelecimento do perfil da obra hidráulica(Figura A8), cuja opção depende damagnitude dos caudais em jogo e danatureza do terreno

• adoptar estruturas de dissipação de energia(degraus, blocos, macrorrugosidades) mantendosensivelmente inalterável a inclinação do cursode água;

• adoptar uma inclinação inferior à do curso deágua através da implantação e desenvolvimentoda obra em aterro relativamente ao terrenonatural, ou através da inserção da boca deentrada a cota inferior à do terreno naturalprocedendo a uma escavação e queda amontante (boca em recipiente).

• introduzir caixas de queda ao longo dodesenvolvimento da passagem hidráulica.

a inclinação longitudinal do leito do cursode água é muito baixa.

Neste caso a implantação da passagem hidráulicaem perfil deverá ser efectuada beneficiando domáximo declive que permite a execução doaprofundamento do leito por limpeza do fundo(Figura A9)

o perfil da via exige um rebaixamento(diminuição da altura) da obra de travessia.Neste caso colocam-se várias hipótesespossíveis:

• a adopção de secções de menor altura (arcoabatido, rectangular, etc.);

• a adopção de um maior número de condutas demenor capacidade de vazão (situação com osinconvenientes referidos em 5.2;

• aprofundamento do terreno natural a jusante;

• a adopção, em caso extremo, de passagem em

sifão invertido ou em ponte canal


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Figura A8 – Soluções para linhas de água de grande inclinação longitudinal [1]

Figura A9 - Soluções para linhas de água de fraca inclinação longitudinal [1]


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5.4 C ONDIÇÕES DE ESCOAMENTO

5.4.1 Considerações geraisPor razões essencialmente económicas, as passagens hidráulicas relativas à travessia depequenos cursos de água sob as vias procuram ser, em geral, de largura inferior à largura dopróprio leito do curso de água.

Ao estabelecer as dimensões de uma passagem hidráulica, seja qual for a sua secção transversal,é necessário ter presente que uma insuficiente capacidade de vazão conduz a uma sobreelevaçãodo nível de água a montante e, eventualmente, a inundações da via ou dos terrenos marginais ao

curso de água.A forma como o escoamento se processa numa passagem hidráulica depende da relação entre aaltura de água em regime uniforme e a altura crítica do escoamento.

Se a altura em regime uniforme < altura crítica , o escoamento diz-se em regime rápido e écontrolado por montante .

Se o escoamento se dá com controlo a montante, a capacidade de vazão da passagem hidráulica

depende apenas da altura de água a montante e da geometria da estrutura de entrada. Nestecaso, o “tubo” da PH tem capacidade para transportar mais água do que aquela que conseguepassar pela entrada e o escoamento dá-se em superfície livre no interior do “tubo”.

Quando o escoamento se processa com controlo de montante, a rugosidade, o comprimento daconduta e as condições de escoamento à saída (incluindo a altura de água) não influenciam acapacidade de vazão da PH.

Se a altura em regime uniforme > altura crítica , o escoamento diz-se em regime lento e écontrolado por jusante .

Se o escoamento se dá com controlo de jusante, a capacidade de vazão da passagem hidráulicaé função da altura de água a montante, das perdas de carga na secção de entrada, da rugosidadeda conduta, do seu comprimento, do diâmetro, da inclinação e da altura de água a jusante. Nestecaso, a entrada da PH tem capacidade para deixar passar mais água do que aquela queconsegue escoar pelo “tubo”

5.4.2 Escoamentos com controle a montante (Fonte: Iowa Stormwater Management Manual):As Figuras A10 a A13 a mostram exemplos de escoamento com controle a montante, paradiferentes graus de submergência da entrada e da saída da PH.


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Figura A10 – Entrada e saída não submersas - O escoamento passa em regime crítico na secçãode entrada e processa-se em regime rápido, sempre em superfície livre ao longo de toda a PH,com a altura de escoamento a tender para a altura uniforme.

Figura A10 – Entrada e saída não submersas

Figura A11 – Entrada não submersa e saída submersa – A figura mostra que a submergência dasaída não implica o controle a jusante. Neste caso o escoamento processa-se em regime rápidoaté junto da saída e forma-se um ressalto hidráulico no interior da conduta.

Figura A11 – Entrada não submersa e saída submersa

Figura A12 – Entrada submersa e saída não submersa – É uma situação que ocorre comfrequência na prática, semelhante ao caso da figura A10, mas com a entrada submersa. Oescoamento passa em regime crítico na secção de entrada e processa-se em regime rápido,sempre em superfície livre ao longo de toda a PH, com a altura de escoamento a tender para aaltura uniforme.

Figura A12 – Entrada submersa e saída não submersaFigura A13 – Entrada e saída submersas – É uma situação pouco usual que mostra o facto de que


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nem mesmo a submergência de ambas as extremidades de PH assegura um escoamento com asecção cheia. Neste caso o escoamento processa-se em regime rápido em parte do percurso eforma-se um ressalto hidráulico no interior da conduta, tal como no caso da figura A11. Aventilação intermédia da PH é neste caso necessária para evitar a ocorrência de depressões efenómenos de instabilidade e pulsação com o escoamento a alternar entre secção cheia e secçãoparcialmente cheia. É uma situação que deve ser evitada, reduzindo a inclinação da PH.

Figura A13 – Entrada e saída submersas

5.4.3 Exemplos de controle a jusante (Fonte: Iowa Stormwater Management Manual)

As Figuras A14 a A18 a mostram alguns exemplos de escoamento com controle a jusante, paradiferentes graus de submergência da entrada e da saída da PH.

Figura A14 – Entrada e saída submersas - O escoamento processa-se com secção cheia e aconduta da PH encontra-se sujeita a uma ligeira pressão interior ao longo de todo o comprimento.Trata-se de uma situação clássica, muitas vezes assumida como hipótese de cálculo, mas que narealidade ocorre com pouca frequência.

Figura A14 – Entrada e saída submersas

Figura A15 - Entrada não submersa e saída submersa. Ocorre nos casos em que a altura de águaa montante é suficientemente baixa para que o extradorso superior da conduta da PH fique

exposto quando o fluxo acelera e se contrai para passar na secção de entrada


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Figura A15 - Entrada não submersa e saída submersa

Figura A16 - Entrada submersa e saída não submersa, com a conduta cheia em toda a extensão.

Ocorre nos casos em que a altura de água a montante é suficientemente alta para que oescoamento se dê em secção cheia em toda a extensão da pH, apesar da saída estar nãosubmersa. É uma situação que ocorre raramente porque requer grandes alturas a montante,capazes de manter a conduta em secção cheia sem submergência na saída. Neste caso, asvelocidades de escoamento na saída são geralmente elevadas.

PH com escoamento em secção cheia, sem altura de água a jusante

Figura A16 - Entrada submersa e saída não submersa

Figura A17 - Entrada submersa e saída não submersa. Situação mais usual que a anterior, naqual a saída é livre, devido a uma altura de escoamento baixa no canal de jusante. O escoamentoprocessa-se com secção parcialmente cheia em regime lento (altura superior à crítica) pelo menosem parte do percurso, passando com altura crítica imediatamente antes da secção de saída.


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Figura A17- Entrada submersa e saída não submersa

Figura A18 - Entrada e saída não submersas. Situação usual, na qual o escoamento no interior daPH se processa em secção parcialmente cheia com regime lento (altura superior à crítica) ao

longo de toda a extensão.

Figura A18 - Entrada e saída não submersas


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5.5 D IMENSIONAMENTO HIDRÁULICO

5.5.1 Equação geral do escoamento

A Figura A19 mostra o andamento da linha de energia e da linha piezométrica numa PH comescoamento em secção cheia.

HW (HeadWater) é a altura de água a montante (também designada porHm .), medida entre acota da soleira e a cota da linha de energia, na entrada da PH

TW (TailWater) é a altura de água a jusante (também designada porHj .), medida entre a cota dasoleira de saída e a superfície livre do líquido.

Em escoamentos com secção cheia, a linha de energia e a linha piezométrica são paralelas,separadas por uma distância correspondente à altura cinética do escoamento, excepto nasproximidades da entrada, onde o escoamento sofre uma contracção.

He

Hp

HsHW

HWo

V2

2gm

V2

2g j

H

TW

V2

2g

L.E.

L.P.

Secção 1 Secção 2

Figura A19 - Linhas de energia e piezométrica numa PH (secção cheia)

Igualando a energia total nas secções 1 e 2 a montante e a jusante da PH, resultam as seguintesrelações:

H g

V TW

gV

HW jmo ++=+ 22

22

(Eq. A5.1)

onde H representa a totalidade das perdas de carga entre as duas secções:


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Hs Hp He H ++= (Eq. A5.2)

sendo:

perda de carga na entradag

V K He

2

2

1= (Eq. A5.3)

perda de carga contínua no percurso L R AKs

Qd L J Hp ×

××=×=

2

667,0 (Eq. A5.4)

perda de carga na saída.

−= g

V

gV

K Hs j

22

22

2 (Eq. A5.5)

Vm - Velocidade média de escoamento a montante

V j - Velocidade média de escoamento a jusante

V - Velocidade média de escoamento na PH

Qd – Caudal de projecto

g – aceleração da gravidadeK1 – coeficiente de perda de carga na entrada

K2 – coeficiente de perda de carga na saída

R – Raio hidráulico do escoamento

Ks – coeficiente de rugosidade da PH (Strickler)

L – comprimento da PH

A perda de carga na saída é geralmente calculada desprezando a velocidade de jusante (V j=0), econsiderando K2=1, sendo então:

( ) L R AKs

Qd g

V K Hs Hp He H ×

××++=++=

2

667,0

2

1 21 (Eq. A5.6)

O coeficiente de perda de carga na entradak 1 pode ser obtido a partir de tabelas como a que seapresenta no Quadro A10


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Quadro A10 – Coeficientes de perda de carga na entrada de PH(adaptado de U.S. Corps Engineers) [9]

5.5.2 Conceitos básicos

O dimensionamento hidráulico dos dispositivos de drenagem transversal baseia-se numametodologia de tentativa e erro, que consiste essencialmente em:

• predefinir o tipo de estrutura a adoptar tendo em conta as condições locais;

• verificar a sua capacidade de vazão face aos caudais de projecto a escoar, de forma arespeitar as alturas máximas de água admissíveis a montante;.

• verificar as velocidades de escoamento e identificar eventuais protecções necessárias, paraefeitos de controlo de erosão.

A verificação da capacidade de vazão faz-se calculando a altura de água a montante (HW) ecomparando o valor obtido com o valor máximo admissível.


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5.5.3 Dimensionamento com ábacos (método proposto pelo IEP)

Existem elaborados e publicados inúmeros ábacos que podem ser utilizados para odimensionamento de passagens hidráulicas de diversos tipos, com diferentes formas, secções,materiais, comprimentos etc, com controlo por montante e por jusante.

Esses ábacos, como os que se apresentam no Anexo, constituem uma ferramenta útil e deaplicação fácil e segura para o dimensionamento, desde que devidamente utilizados, tendo emconta as condições do escoamento na linha de água a montante e a jusante e na própria PH.

Os ábacos que se apresentam no Anexo são apenas uma pequena parte dos que se encontrampublicados na bibliografia da especialidade e que podem facilmente ser consultados através de

pesquisa na Internet (e.g. FHWA Hydraulic Design of Highway Culverts, HDS-5, 1985; MunicipalStormwater Management, Second edition, 2003 by Thomas N. Debo, Andrew J. Reese,).

O IEP propõe, no seuManual de Drenagem Superficial em Vias de Comunicação , um métodode cálculo que inclui os seguintes passos sequenciais:

1o Passo - Cálculo do caudal de projecto afluente a montante da secção de entrada;

2° Passo - Pré-selecção do tipo de passagem hidráulica;

• Escolha (arbitrada) de uma secção para a PH (para uma primeira tentativa pode assumir-seuma velocidade de escoamento da ordem de 2,0 a 2,5 m/s (S≈ 0,4 Q) e a partir daí escolher asdimensões da secção, ou o diâmetro, se for circular).

• Se a passagem hidráulica envolver mais do que uma conduta (secções duplas ou triplas) ocaudal deverá ser dividido por dois ou três, respectivamente, para efeitos dos cálculoshidráulicos posteriores.

3° Passo - Cálculo das alturas de água, uniforme e crítica, (hu e hc respectivamente), na linha deágua a jusante da PH.

• Se hu > hc, o regime é lento; neste caso considera-se a altura de jusante Hj=hu;

• Se hu ≤ hc, o regime é rápido, ou crítico; neste caso tomar-se-á Hj = hc;

• Nas Figura A55 e A58 do Anexo apresentam-se dois ábacos para o cálculo destas alturas,admitindo que o leito do curso de água é semelhante a um canal trapezoidal.

4° Passo - Cálculo das alturas de água uniforme e crítica (hu e hc respectivamente), no interior daconduta, ou condutas, de passagem.


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• No Anexo apresentam-se ábacos e fórmulas para o cálculo das alturas uniformes e críticasem diferentes tipos de secções.

5° Passo - Cálculo da altura de água a montante, HW, na secção de entrada:

• Se o regime de escoamento no interior da conduta é rápido, o controle é feito por montantee a altura de água a montante da passagem hidráulica pode ser obtida através da relaçãoHW/D dos correspondentes ábacos do Anexo.

• Se o regime de escoamento no interior da conduta é lento, o controle é feito por jusante e aaltura de água a montante da passagem hidráulica HW pode ser obtida calculando o valorde H através da equação A5.6, ou através dos correspondentes ábacos do Anexo.

Conhecido o valor de H, calcula-se HW através da expressão:

LS h H HW ×−+= 0 (Eq. A5.7)

em que:

S = declive da PHL = comprimento da PH entre as secções de entrada e de saída

h 0 = (hc + D)/2 ou h 0 =TW (o maior dos valores) hc= altura crítica no interior da passagem hidráulicaD= diâmetro da passagem hidráulica (ou a altura, caso seja rectangular)

6o Passo - Comparação da altura de água a montante HW com a altura máxima admissível.

• Há que redimensionar a PH, se HW for superior à altura máxima admissível.

7° Passo – Cálculo da velocidade de saída da PH. Se o valor da velocidade de saída for superiorao máximo aconselhado no Quadro A1, deve prever-se uma diminuição da inclinação doaqueduto, se possível, ou a adopção de uma estrutura de dissipação de energia ou dispositivosde protecção do leito e das margens (enrocamentos)

Nota - Os ábacos de controlo a jusante, estabelecidos para escoamento com secção cheia, podem serutilizados para os casos de escoamento lento com secção parcialmente cheia, já que permitem obter umvalor de HW aproximado à realidade, sempre que valor obtido seja igual ou superior a 0,75D. Se HW ficarabaixo de 0,75D a altura de água a montante deve ser determinada recorrendo ao estudo da linha de

energia do escoamento a partir da altura de água a jusante ou da profundidade crítica à saída (o maior dosvalores), particularmente no caso das grandes PH.


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5.5.4 Dimensionamento com ábacos (método proposto pelo U. S. Bureau of Public Roads)

O U. S. Bureau of Public Roads propõe um método de cálculo que se encontra muito divulgado eque se baseia na determinação da altura de escoamento a montante considerando ambas assituações possíveis (controlo a montante e controlo a jusante), adoptando depois, para efeitos dedimensionamento, aquela que se revelar mais desfavorável.

Os passos de cálculo considerados são:

1º passo - Recolha de dados e definição de parâmetros

- caudal de ponta de cheia;- comprimento do aqueduto;- altura máxima de água a montante;- inclinação do aqueduto;- tipo de aqueduto a utilizar no que diz respeito à forma e material;- tipo de estruturas de entrada e saída;- velocidade máxima admissível a jusante do aqueduto.

2º passo Pré-dimensionamento

a) escolha do diâmetro ou altura do aqueduto utilizando os ábacos do Anexo, referentes aaquedutos com controlo à entrada, admitindo queHw/D = 1,35 ;

b) se resultarem diâmetros elevados que criem dificuldades de transporte ou colocação (tubos debetão de diâmetro superior a 1,50 m), ou se a altura de aterro for insuficiente para proporcionarpelo menos 1,00 m de recobrimento, podem utilizar-se tubos em paralelo, subir a rasante ourecorrer a aquedutos de secção rectangular (box culvert ) com largura superior à altura, devendo,no entanto, a solução escolhida ser justificada por análise técnico-económica.

3º passo - Determinação da altura de água a montante,Hw

a) determina-se a altura de água a montante, Hw , necessária para escoar o caudal dedimensionamento supondo que a secção de controlo é a montante. A referida altura de água podeser obtida através da relação Hw / D que se retira dos ábacos do Anexo. Se o valor deHw forsuperior à altura máxima admissível, escolhe-se outra secção transversal e repete-se o cálculo;

b) seguidamente, supõe-se o controlo à saída calculandoHw através da equação A5.7, em que aperda de carga total, H , se obtém dos ábacos do Anexo, ou então através da equação A5.6. Noentanto, o valor deho deve ser o maior dos 2 valores:h 0 = (hc + D)/2 ou h 0 =T W


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c) a altura de água a montante, Hw , a considerar como resultado do cálculo, será o maior dosvalores calculados nas alíneas a) e b).

4º passo - Cálculo da velocidade à saída para o caudal de dimensionamento, atendendo à secçãoque controla o funcionamento do aqueduto:

a) quando o controlo do escoamento é a montante, a velocidade na extremidade de jusante podeser calculada recorrendo a uma fórmula de regime uniforme (e.g. Manning-Strickler);

b) para o controlo à saída, a velocidade pode ser calculada por

Ao

QpV

j

= (Eq. A5.8)

em que Qp é o caudal de Projecto eAo a secção ocupada pelo escoamento à saída do aqueduto;

c) se, tendo em atenção as condições locais, o valor da velocidade de saída for superior aomáximo aconselhado no Quadro A11 deve prever-se uma estrutura de dissipação de energia àsaída, ou então diminuir a inclinação do aqueduto.

Quadro A11 – Velocidades máximas em canais (adaptado de U.S. Corps of~Engineers, 1970)

Tipo de material do canal Velocidade máxima (m/s)

Areias finas ou limos (pouca ou nenhuma argila) 0,20 – 0,60

Siltes arenosos ou argilosos, areias argilosas duras ou margas duras 0,60 – 0,90

Terrenos parcialmente cobertos de vegetação 0,60 – 1,20

Canais de terra revestidos com relva (i < 5 %) 1,50

Argilas 1,50 – 1,80

Rochas brandas (arenitos e xistos brandos) 1,20 – 2,40

Rochas duras 3,0 – 4,5

Cimento ou betão 4,5 – 6,0


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5.5.5 Cálculo analítico (FHWA - Hydraulic Design Series Number 5)

O cálculo analítico das alturas de água a montante HW pode ser feito segundo o métodorecomendado pela U.S. Federal Highway Administration (FHWA) utilizando as equaçõesdesenvolvidas para o traçado dos gráficos, tanto para os casos de escoamento com controlo amontante como a jusante

a) Equações de controlo a montante:

No caso de PH com controlo de montante existem duas condições básicas de dimensionamento,consoante a secção de entrada da PH se encontra submersa, ou não submersa, pela altura deágua a montante. Se a entrada é não submersa, ela comporta-se como um descarregador. Se é

submersa, comporta-se como um orifício.

Entre as situações de entrada não submersa e submersa existe uma zona de transição para aqual existe pouca informação. Na maior parte dos casos essa transição é curta e pode ser definidaempiricamente pela curva que liga e é tangente às curvas definidas pelas equações de entradasubmersa e não submersa.

As duas expressões seguintes são aplicáveis a entradas não submersas, na condição de

93,15,0 ≤ DQd

Expressão 1 S Ke AD

Qd K

D Hc

D HW

M

×+

×

+=5,0

811,1 (Eq. A5.9)

Expressão 2 M

ADQd

K D

HW

×

=5,0

811,1 (Eq. A5.10)

A utilização da expressão 1 é preferível, de um ponto de vista teórico, mas a expressão 2 é maisfácil de aplicar e é a única que existe documentada para algumas situações.

Para as entradas submersas, a expressão a aplicar, válida para a condição 21,25,0 ≥ ADQd , é:

S KeY AD

Qd C

D HW

×++

×

=2

5,0

811,1 (Eq. A5.11)

HW - altura de água acima da soleira na secção de montante (m);Qd – Caudal de projecto


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Hc – Carga específica para a altura crítica (Hc = hc + Vc2 /2g)D – Altura interior da PH (diâmetro, se for circular)A – área da secção transversal da PHS - inclinação da soleira da PH;K, M, C, Y - constantes empíricas (Quadro A12), para os diversos tipos de entradas das PH;Ke – Factor de correcção do declive que toma o valor de + 0,7 ou -0,5, consoante as estruturasde entrada são chanfradas, ou não;

Quadro A12 – Constantes empíricas a utilizar nas expressões de dimensionamento do controlo amontante (segundo HDS nº 5).

Tipo dea ueduto

Material Tipo de estrutura de entrada / tipo debordos

Eq. K M c Y

CircularBetão

Muro de cabeceira / bordos verticaisMuro de cabeceira / bordos arredondadosExtremo saliente / bordos arredondados

111

0,00980,00780,0045

2,02,02,0

0,03980,02920,0317

0,670,740,69

Metalcorrugado

Muro de cabeceira / bordos verticaisChanfrado de acordo com o taludeExtremo do aqueduto saliente

111

0,03400,00180,0018

1,502,502,50

0,05530,03000,0243

0,540,740,83

Rectangular

Betão

Muro de cabeceira e muros de ala comângulo de 30° a 70° / bordos verticaisMuro de cabeceira com/sem muros de alacom ângulo de 30° a 707 bordos verticaisMuro de cabeceira e muros de ala seminclinação / bordos verticaisMuro de cabeceira com chanfros de 20mmMuro de cabeceira / Bordos em bisel a 45°

1

1

1 2

2

0,026

0,061

0,061 0,515

0,495

1,0

0,75

0,75 0,667

0,667

0,0385

0,0400

0,0423 0,0375

0,0314

0,81

0,80

0,82 0,79

0,82

Metal

corrugado

Muro de cabeceira / bordos verticaisMuro de cabeceira espesso e extremo doaqueduto salienteMuro de cabeceira pouco espesso eextremo do aqueduto saliente

1

1

1

0,0083

0,0145

0,0340

2,0

1,75

1,5

0,0379

0,0419

0,496

0,69

0,64

0,57

Abobadado Metalcorrugado

Muro de cabeceira / bordos verticaisChanfrado de acordo com o taludeMuro de cabeceira pouco espesso eextremo do aqueduto saliente

1

1

1

0,0083

0,0300

0,0340

2,0

2,0

1,5

0,0379

0,0463

0,0496

0,69

0,75

0,57

b) Equações de controlo a jusante:

No caso de PH com controlo de jusante, com secção cheia (ou próximo de cheia) ao longo do seucomprimento, a altura de água a montante pode ser calculada pelas equações A5.6 e A5.7 jáanteriormente indicadas:


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LS h H HW ×−+= 0 (Eq. A5.7)

sendo

( ) L R AKs

Qd g

V K Hs Hp He H ×

××++=++=

2

667,0

2

1 21 (Eq. A5.6)

eh 0 = (hc + D)/2 ou h 0 =TW (o maior dos valores)

Se o escoamento se der com secção parcialmente cheia, como acontece por vezes em PH degrandes dimensões a altura de água a montante deve ser determinada recorrendo ao estudo dalinha de energia do escoamento a partir da altura de água a jusante ou da profundidade crítica àsaída (o maior dos valores).

5.5.6 Cálculo automático

Podem utilizar-se programas de cálculo automático adequados para o estudo e dimensionamentodas drenagens de vias de comunicação, desde que seja verificada a sua aplicabilidade para oscasos pretendidos.

Existem disponíveis no mercado vários programas aplicáveis ao cálculo da drenagem de vias,comercializados e também de aplicação livre, tal como oIowa DOT Culvert Program (http:www.dot.state.ia.us/bridge/prelprog.htm) , que pode ser usado calculando os caudais pelométodo racional com as curvas IDF portuguesas (em vez daIowa Runoff Curve que consta nopróprio programa).

No website daFederal Highway Administration http://www.fhwa.dot.gov/bridge/hydsoft.htm, podemser encontrados programas de utilização livre para cálculo automático de PH,

O uso de cálculo automático pressupõe sempre que o técnico que o aplica conhece bem, não só opróprio programa, mas também as suas condições de aplicabilidade, os princípios em que sebaseia (teóricos e práticos), os métodos de cálculo, as fórmulas etc., e que tem conhecimentospara exercer uma análise crítica sobre os resultados obtidos, e proceder à sua confirmação poroutras vias, se necessário.

Um dos grandes riscos (a par com muitas vantagens) da utilização de cálculos automáticos é aaceitação “cega” dos resultados. Um programa mal aplicado, ou no qual tenha ocorrido um

simples erro na introdução dos dados, pode dar origem a erros de projecto que envolvam granderesponsabilidade e com significativo impacte económico e/ou social.


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5.5.7 Dimensões e inclinações mínimas

A adopção de dimensões mínimas para as PH justifica-se não só por questões hidráulicas, mastambém por razões ambientais, como seja a sua utilização por animais de pequeno porte para oatravessamento da via.

A American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), no seu manualde projecto de estradas propõe um diâmetro mínimo de 0,45 m para aquedutos sob estradas comcomprimento inferior 30 m e de 0,60 m para comprimentos superiores. Em aquedutos de secçõesrectangulares são propostas uma altura mínima de 0,50 m e uma largura mínima de 1,50 m.

Em Portugal, tendo em vista as operações de inspecção e eventual limpeza, a BRISA considera

como diâmetros mínimos 0,80 m nos restabelecimentos e 1,00 m na via principal. O IEP adoptacomo valores mínimos 0,60 m nas estradas secundárias, 0,80 m nos itinerários complementares eprincipais e 1,00 m em auto-estradas. Em estradas e caminhos municipais de importânciasecundária podem utilizar-se diâmetros inferiores aos atrás indicados, mas não se recomendamvalores inferiores a 0,40 m

O diâmetro máximo adoptado pela BRISA em secções circulares é de 1,50 m. Quando sãoexigidos diâmetros superiores a 1,50 m recorre-se a secções rectangulares em betão armado (box

culvert), com larguras que podem variar entre 1,50 m e 4,00 m.

Quanto a inclinações, recomenda-se que seja usado o valor mínimo de 1%, como forma degarantir boas velocidades de escoamento e minimizar problemas de assoreamentos.


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6 DISSIPAÇÃO DE ENERGIA

6.1 C ONSIDERAÇÕESG ERAIS Sempre que o escoamento num canal ou numa linha de água natural apresenta velocidade nãocompatível com a capacidade de resistência do leito à erosão, há que tomar medidas e adoptardispositivos de dissipação de energia, para evitar ou limitar essa erosão.

No Quadro A1 e no Quadro A13 seguinte indicam-se as velocidades máximas admissíveis, emfunção dos materiais constituintes das soleiras dos canais:

Quadro A13 – Velocidades e tensões tangenciais críticas de arrastamento [9]

Material do canal Diâmetros(mm)

V(m/s)

Areia lodosa (não coloidal) - 0,50

Silte lodoso (não coloidal) - 0,60

Aluvião siltoso (não coloidal) - 0,60

Lodo comum consistente - 0,75

Aluvião siltoso (coloidal) - 1,15

Argila rija (muito coloidal) - 1,15

Argila xistosa - 1,85

Areia fina 0,602 – 0,25 0,45

Areia média 0,25 – 0,5 0,50

Areia grossa 0,5 – 2,0 0,60

Seixo fino 4,0 – 8,0 0,75

Seixo grosso 8,0 – 64,0 1,25

Calhau rolado e seixo achatado 64,0 – 256,0 1,25

Canais revestidos com relva (incl.< 5%) - 1,50

6.2 C ÁLCULO DAS VELOCIDADES

As velocidades de escoamento nos canais e nas obras das PH devem ser calculadas para ascondições mais desfavoráveis do dimensionamento, isto é, tendo em conta os trechos commaiores declives, quando estes não sejam uniformes, e para caudais de projecto estabelecidos


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com períodos de retorno adequados, face às características da via e à gravidade dos potenciaisprejuízos/riscos que se pretendem evitar.

No caso das valas e valetas da

2 cap a drenagem vias 03 2012

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