apostila - drenagem
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1 DRENAGEMSUPERFICIAL
Drenagem: substantivo feminino. Ato ou efeito de drenar. Conjunto de
operações e instalações destinadas a remover os excessos de água das superfícies
e do subsolo
Conceitualmente drenagem consiste na remoção do excesso de água
superficial ou gravitacional do solo antes que esse alcance algum curso de água.
A drenagem é utilizada com as seguintes finalidades:
� evitar escoamento das águas pelas vias de circulação (ruas, avenidasetc)
que possam impedir a movimentação de veículos e pessoas;
� evitar o alagamento de áreas que possam causar danos a infraestruturas e
a bens móveis;
� evitar acidentes em decorrência da presença de água acumulada nas
superfícies (ex.: aquaplanagem);
� evitar a ocorrência de danos ao meio ambiente, tais como contaminação de
áreas por alagamento, quedas de taludes e assoreamentos de rios e
canais, por exemplo;
1.1 Micro Drenagem
A micro drenagem está comumente associada à drenagem urbana de vias.
Envolve o dimensionamento de sarjetas, bocas de lobo (BL), poços de visita (PV),
caixas de ligação (CL) e coletores.
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1.1.1 Parâmetros Hidrológicos
Os parâmetros hidrológicos associados a micro drenagem são a área de
drenagem (A), o tempo de recorrência das precipitações (T), a duração da
precipitação (d) e a intensidade das precipitações (i).
1.1.1.1 Área de Drenagem (A)
Área de drenagem é a área total de contribuição das vias e quarteirões para
uma determinada parcela do sistema de drenagem.
Existem vários critérios para a determinação dessa área nos projetos de
drenagem urbana. Entre outros existe:
� Critério de divisão pelas bissetrizes nas esquinas.
� Critério da faixa lindeira e da meia pista.
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1.1.1.2 Tempo de Recorrência (T)
O tempo de recorrência pode ser definido como o intervalo de tempo em anos
que uma precipitação é igualada ou superada.
Em média o tempo de recorrência adotado pelas empresas de saneamento
no Brasil varia de 2 a 10 anos. Desta forma, para efeito de simplificação, a
SUDECAP adota o valor de 10 anos para o tempo de recorrência para projetos de
drenagem urbana na cidade de Belo Horizonte.
1.1.1.3 Duração da Chuva (d)
A duração da chuva de projeto é comumente adotada igual ao tempo de
concentração (tc) da bacia hidrográfica.
Como as bacias de contribuição das micro drenagem são normalmente muito
pequenas, adota-se d = tc = 10 min.
1.1.1.4 Intensidade da Precipitação (i)
A intensidade da precipitação é a relação entre a altura da chuva, recolhida
em uma determinada área, dividida pela sua duração.
Essa intensidade é comumente obtida de fórmulas que relacionam a
intensidade a duração e a frequência da chuva, do tipo:
( )no
m
td
Tki
+
⋅=
onde: i é intensidade da precipitação (mm/h); T é o tempo de recorrência (anos); d é
a duração da chuva (min); e, k, m, n e to são constantes.
Para Belo Horizonte, por exemplo, considerando d = 10 min e T = 10 anos,
tem-se i = 194,50 mm/h.
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1.1.2 Parâmetros Hidráulicos
Os parâmetros hidráulicos são utilizados no dimensionamento das estruturas
de coleta e condução das águas drenadas.
Como parâmetros hidráulicos consideraremos a capacidade de infiltração das
superfícies, representado pelo coeficiente de escoamento superficial (C), a vazão de
projeto (Q) das estruturas hidráulicas e a capacidade de escoamento em vias
públicas.
1.1.2.1 Coeficiente de Escoamento Superficial (C)
O coeficiente de escoamento superficial, também conhecido como coeficiente
de runoff, é a relação entre o volume escoado e o volume precipitado. Ou seja,
exprima a porcentagem da chuva que torna-se escoamento superficial efetivamente.
Esse coeficiente é comumente tabelado conforme indicado a seguir.
Natureza da superfície Valores de C
Telhados perfeitos sem fuga. 0,70 a 0,95
Superfícies asfaltadas em bom estado. 0,85 a 0,90
Pavimentação de paralelepípedos, ladrilhos ou blocos de madeira com juntas bem tomadas. 0,75 a 0,95
Para as superfícies anteriores sem as juntas tomadas. 0,50 a 0,70
Pavimentação em blocos inferiores sem as juntas tomadas. 0,40 a 0,50
Pavimentação em Macadame Hidráulico (pé-de-meleque). 0,25 a 0,60
Pavimentação em pedregulhos. 0,15 a 0,30
Superfícies não revestidas, pátios de estradas de ferro e terrenos descampados. 0,10 a 0,30
Parques, jardins, gramados e campinas, dependendo da declividade do solo e da natureza do subsolo. 0,01 a 0,20
Por simplificação e considerando a possibilidade de expansão das cidades,
pode-se utilizar o critério adotado pela SUDECAP:
C = 0,70 – para as faixas lindeiras das quadras;
C = 0,90 – para a faixas da meia largura da via.
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1.1.2.2 Vazão de Projeto (Q)
A vazão de projeto, no caso de micro drenagem, é a vazão instantânea
máxima utilizada no dimensionamento das estruturas de coleta e condução das
águas a serem drenadas.
Essa vazão é estimada a partir da transformação da chuva de projeto em
vazão de escoamento.
Devido às áreas de drenagem serem pequenas nos dimensionamentos de
micro drenagem, adota-se a Fórmula Racional para se efetuar essa transformação.
AiC00278,0Q ×××=
onde: Q é a vazão de projeto (m³/s); C é o coeficiente de escoamento superficial; i é
a intensidade da precipitação (mm/h); e, A é a área de drenagem (há)1.
1.1.2.3 Capacidade de Escoamento em Vias Públicas
A capacidade de escoamento em vias públicas está intimamente relacionada
com a inundação da via de rolamento e das calçadas (passeio), ou seja, está
relacionada com a segurança dos automóveis no que diz respeito a dirigibilidade
(aquaplanagem) e o conforto dos pedestres no que diz respeito a respingos de água.
Desta forma, a capacidade de escoamento em vias públicas será utilizada na
definição da localização das bocas de lobo
Um critério para a determinação dessa capacidade é dado pela tabela a
seguir.
Classificação da Via Inundação Máxima
Secundária O escoamento pode atingir até a crista da rua
Principal O escoamento deve preservar, pelo menos, uma faixa de trânsito livre
Avenida O escoamento deve preservar, pelo menos, uma faixa de trânsito livre em cada direção
Via Expressa Nenhuma inundação é permitida em qualquer faixa de trânsito
11 ha = 10.000 m²
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Além disso, um critério adotado pela SUDECAP é:
� Limite de 1,67 m para a largura de alagamento nas sarjetas;
� Limite de 2,15 m para a largura de alagamento nas sarjetas para trechos
iniciais das vias locais (com até 15 m de largura).
Cabe salientar, ainda, que a capacidade de drenagem da sarjeta está
condicionada a sua altura, não sendo permitida, de modo geral, a inundação das
calçadas (passeios).
1.1.3 Dimensionamento de Sarjetas
Sendo as ruas abauladas, ou seja, possuem uma declividade transversal do
centro para as calçadas (passeios), e tendo inclinações longitudinais, as água
escoarão pelas sarjetas.
Como as sarjetas funcionam como um canal, o dimensionamento das
mesmas pode ser feito a partir da fórmula de Manning:
IRAn1
Q 32
h ⋅⋅⋅=
onde: Q é a vazão; A é a área de seção transversal; Rh é o raio hidráulico da seção;
e, I é a declividade longitudinal da sarjeta.
Desta forma, desenvolvendo-se a equação anterior, para sarjetas simples
tem-se a seguinte fórmula para se determinar a capacidade da mesma:
Inz
y375,0Q 38
0s ⋅⋅⋅=
y0
z 1
θ
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onde: Qs é a capacidade da sarjeta (m³/s); y0 é a altura da lâmina de água (m); z é o
inverso da declividade transversal dada em m/m (z = tgθ = [Itransversal]-1); n é o
coeficiente de rugosidade de Manning (adota-se n = 0,015); e, I é a declividade
longitudinal da sarjeta (m/m)
Para sarjetas compostas, tem-se:
( ) ( ) ( )θ′′+θ′−θ= ;yQ;yQ;yQQ 03s02s01ss
( ) ( ) ( )
′⋅′+′⋅−⋅⋅⋅= 3
80
38
03
80s yzyzyz
nI
375,0Q
Como nas regiões urbanas a possibilidade de obstrução das sarjetas por
deposição de material é uma realidade, adota-se um fator de redução da capacidade
teórica das sarjetas conforme apresentado na tabela a seguir.
Declividade longitudinal da sarjeta (%) Fator de redução da capacidade de
escoamento
0,4 0,50
1,0 a 3,0 0,80
5,0 0,50
6,0 0,40
8,0 0,27
10,0 0,20
A SDECAP, em Belo Horizonte, apresenta a seguinte padronização de
sarjetas, conforme apresentado na tabela e figuras a seguir.
y0
z 1
θ
θ’
z’ 1
y0’
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Sarjetas – Padrão SUDECAP
Declividade Longitudinal
Tipo de Sarjeta Altura máxima de lâmina de água na sarjeta
L = 1,67 m L = 2,17 m
I > 16% A 5,0 cm (5,0 + 1,5) cm
16% ≥ I ≥ 0,5% B 11,0 cm (11,0 + 1,5) cm
I < 0,5% C 16,0 cm (16,0 + 1,5) cm
1.1.4 Dimensionamento de Bocas de Lobo
As bocas de lobo são elementos de recolhimento de água nas sarjetas, de
forma a conduzi-la para as galerias e tubulações subterrâneas.
As bocas de lobo podem ser de guia, de grelha, com fenda, combinada, com
ou sem depressão, simples ou múltipla.
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Boca de Lobo – Padrão SUDECAP.
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A capacidade de “engolimento” de bocas de lobo pode ser estimada através
das seguintes fórmulas:
a) Boca de lobo de guia (y0 ≤ h)
Quando a água acumulada sobre a boca de lobo gera uma lâmina inferior a
da altura da abertura na guia (h), a boca de lobo funciona como um
vertedouro.
23
0yL7,1Q ⋅⋅=
onde: Q é a capacidade de “engolimento” da boca de lobo (m³/s); L é o
comprimento de abertura da guia (m); y0 é a altura da lâmina d’água
imediatamente antes da abertura da guia (m)
b) Boca de lobo de guia (y0 > h)
Quando a água acumulada sobre a boca de lobo gera uma lâmina maior que
a da altura da abertura na guia (h), a boca de lobo funciona como um orifício.
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023
5,0h
yhL01,3Q
−⋅⋅⋅=
onde h é a altura da abertura da guia.
c) Boca de lobo de grelha (y0 ≤ 12 cm)
Para essa profundidade a boca de lobo funciona com um vertedouro de
soleira livre com equação semelhante a do item a, porém com L sendo
substituído pelo perímetro da boca de lobo.
Caso um dos lados da boca de lobo seja adjacente à guia, esse lado deve ser
suprimido do perímetro.
23
0yP7,1Q ⋅⋅=
onde P é o comprimento do perímetro da boca de lobo.
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d) Boca de lobo combinada
A capacidade de “engolimento” das bocas de lobo combinadas é
aproximadamente a soma das capacidade de “engolimento” pela grelha e
pela abertura da guia, isoladamente.
Por simplificação, a SUDECAP, em Belo Horizonte, adota os resultados de
experiência do U.S. Army Corps of Engineers.
Desta forma, tem-se:
a) Boca de lobo de guia (y0 ≤ 12 cm)
23
0yL7,1Q ⋅⋅= (simples)
23
0yL4,3Q ⋅⋅= (dupla)
b) Boca de lobo de grelha (y0 ≤ 12 cm)
23
0y383,2Q ⋅= (simples)
23
0y766,4Q ⋅= (dupla)
Assim como nas sarjetas, a capacidade de “engolimento” das bocas de lobo
é, normalmente, menor que a capacidade teórica, devido à obstrução causada por
detritos, irregularidades nos pavimentos e alinhamento real, entre outros motivos.
Desta forma, na tabela a seguir, são propostos alguns coeficientes de
redução da capacidade de “engolimento” das bocas de lobo para segurança.
Localização da Sarjeta Tipo de Boca de Lobo % Q
Ponto Baixo
De guia 80
Com grelha 50
Combinada 65
Ponto Intermediário
De guia 80
Com grelha 60
Combinada 70
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A localização das bocas de lobo deve levar em conta a capacidade de
“engolimento” e a máxima inundação da via. Além disso, deve-se considerara as
seguintes recomendações:
� Devem ser localizadas em ambos os lados da rua quando a saturação da
sarjeta assim o exigir ou quando forem ultrapassadas as suas capacidades
de engolimento;
� Devem ser localizadas nos pontos baixos dos quarteirões;
� Devem estar espaçadas de no máximo 60 m, mesmo que não haja
necessidade devido a alagamento;
� Não devem estar localizadas no vértice do ânulo de intercessão das
sarjetas de duas tuas convergentes, como mostrado na figura a seguir.
1.1.5 Dimensionamento de Poços de Visita
Poço de vista é uma câmara visitável através de uma abertura existente na
sua parte superior, ao nível do terreno, destinado a permitir a reunião de dois ou
mais trechos consecutivos e a execução dos trabalhos de manutenção nos trechos a
ele ligados.
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A fim de permitir o movimento vertical de um operador, a chaminé, bem como
o tampão, terá um diâmetro mínimo útil de 0,60m.
O balão, sempre que possível, uma altura útil mínima de 2,0 metros, para que
o operador maneje com liberdade de movimentos, os equipamentos de limpeza e
desobstrução no interior do mesmo.
A chaminé, não deverá ter altura superior a 1,0 m, por recomendações
funcionais, operacionais e, até, psicológicas para o operador.
A tabela a seguir mostra as dimensões mínimas recomendáveis para chaminé
e balão em função da profundidade e do diâmetro "D" da tubulação de jusante, ou
seja, a que sai do poço de visita.
Profundidade do PV – h (m)
Diâmetro de saída – D (m)
Altura da Chaminé –hc
(m)
Diâmetro do Balão – Db
(m)
h ≤ 1,5
D = qualquer hc = 0,30 Db = D
1,50 < h < 2,5
D ≤ 0,60 hc = 0,30 Db = 1,20
1,50 < h < 2,5
D > 0,60 hc = 0,30 Db = D +1,20
h > 2,5 D ≤ 0,60
0,3 <hc<1,00 Db = 1,20
h > 2,5
D > 0,60 0,3 <hc<1,00 Db = D +1,20
Obs.: para PV de seção quadrada, Db é igual à aresta da seção.
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PV em pré-moldado PV em alvenaria
1.1.6 Dimensionamento de Caixas de Ligação
As caixas de ligação são utilizadas quando se faz necessária a locação de
bocas de lobo intermediárias ou para se evitar a chegada, em um mesmo poço de
visita, mais de quatro tubulações.
Sua função é similar ao do poço de visita, porém, não são visitáveis.
O desenho das caixas de ligação assemelha-se ao do balão do poço de visita,
porém, normalmente é de seção quadrada e suas dimensões variam conforme o
diâmetro dos tubos da rede.
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1.1.7 Exercícios:
1) Dimensione a sarjeta, o tipo e a localização de bocas de lobo para uma rua,
localizada me BH, de 7,0 m de largura e 600 m de comprimento. Os lotes
localizados nessa região possuem, em média, 12,0 m de frente e 30,0 m de
profundidade. Sabe-se que a calçada (passeio) possui largura igual a 2,0 m e a
declividade longitudinal da sarjeta será de 1%.
2) Dimennsionar uma boca de lobo intermediária sendo dados:
Vazão de dimensionamento: Q = 64 L/s;
Declividade transversal da sarjeta: z = 12;
Declividade longitudinal da sarjeta: I = 2,5%;
Rugosidade do acabamento da sarjeta: n = 0,016;
Abertura da guia: L = 90 cm;
Perímetro da grelha: P = 260 cm.
3) Dimensione a sarjeta, o tipo e a localização de bocas de lobo para uma rua,
localizada me BH, de 6,0 m de largura e 50 m de comprimento. Os lotes
localizados nessa região possuem, em média, 15,0 m de frente e 30,0 m de
profundidade. Sabe-se que a calçada (passeio) possui largura igual a 2,0 m e a
declividade longitudinal da sarjeta será de 0,4%.
4) Seja a sarjeta de do tipo B, com declividade longitudinal igual a 1%, localizada
em uma cidade qualquer. Pede-se dimensionar a capacidade da sarjeta e da
boca de lobo a ser utilizada em conjunto.
5) Esboce o projeto da rede de coleta de águas pluviais da rua do exercício 1.
Considere a rede iniciando nessa rua.
6) Encontrar as dimensões úteis para PVs nas seguintes condições:
• Profundidade = 1,2 m; Diâmetro do efluente = 400 mm
• Profundidade = 2,0 m; Diâmetro do efluente = 400 mm
• Profundidade = 3,2 m; Diâmetro do efluente = 1500mm
• Profundidade = 4,2 m; Diâmetro do efluente = 800 mm
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1.2 Macro Drenagem
A macro drenagem está comumente associada à “grandes estruturas” de
drenagem. Normalmente, envolve o dimensionamento de canais, descidas de água,
bueiros e dissipadores de energia.
1.2.1 Parâmetros Hidrológicos
Semelhante à micro drenagem, os parâmetros hidrológicos associados a
macro drenagem são as características físicas da bacia hidrográfica (A, P, L, S), o
tempo de recorrência das precipitações (T), a duração da precipitação (d); a
intensidade das precipitações (i) e a chuva efetiva (Pe).
1.2.1.1 Características Físicas da Bacia Hidrográfica
A Bacia Hidrográfica é uma área definida tipograficamente, drenada por um
curso de água ou um sistema conectado de cursos de água, tal que toda a vazão
efluente seja descarregada através de uma simples saída.
A bacia hidrográfica é necessariamente contornada por um divisor, assim
designado por ser uma linha que separa ou divide as precipitações que caem em
bacias vizinhas e que encaminha o escoamento superficial resultante para um ou
outro sistema fluvial.
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A área contida no interior da Bacia Hidrográfica é definida como a Área de
Drenagem (A) da mesma; o comprimento do divisor de águas é denominado
Perímetro da Bacia (P); a extensão plana do rio principal da bacia é definida como
Comprimento do Álveo ou do Rio Principal da Bacia (L); e, a declividade longitudinal
do fundo desse mesmo rio é chamada de Declividade Média do Álveo ou do Rio
Principal da Bacia (S).
Entende-se por rio principal da bacia o rio de maior volume de água ou de
maior comprimento.
A área de drenagem é determinada por planimetria de plantas ou cartas
topográficas, assim como o perímetro e o comprimento do álveo são determinados
por curvimetria.
A declividade média do álveo é determinada por curvimetria e através da
seguinte equação:
2
i
i
i
S
L
LS
∑
∑=
onde: Li é o comprimento dos subtrechos do rio principal; e, Si é a declividade
correspondente aos mesmos subtrechos de rio.
1.2.1.2 Tempo de Recorrência (T)
O Tempo de Recorrência é definido como o intervalo de tempo médio, em
anos, para que um evento hidrológico seja igualado ou superado.
Esse tempo está associado com a duração ou vida útil do empreendimento e
com o risco hidrológico associado ao mesmo.
Desta forma, o tempo de recorrência é comumente tabelado a semelhança da
tabela apresentada a seguir:
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Tipo de Estrutura TR (anos)
Bueiros Rodoviários:
- Tráfego baixo;
- Tráfego intermediário;
- Tráfego alto.
5 -- 10
10 -- 25
50 -- 100
Pontes Rodoviárias:
- Estradas secundárias;
- Estradas principais.
10 -- 50
50 -- 100
Drenagem Urbana: - Galerias de pequenas cidades;
- Galerias de grandes cidades;
- Canalização de córregos.
2 -- 25
25 -- 50
50 -- 100
Diques:
- Área rural:
- Área urbana.
2 -- 50
50 -- 200
Barragens:
- Sem risco de vidas humanas; - Com risco de vidas humanas.
200 -- 1.000 10.000
1.2.1.3 Duração da Chuva (d)
A duração crítica da chuva é aquela duração que resulta em maior valor para
a vazão de dimensionamento de estrutura hidráulica.
Em geral, adota-se o tempo de concentração da bacia como duração crítica
da chuva de uma pequena bacia (A < 5 km2) e duração igual a 24 h para bacias
maiores.
Além disso, pode-se ainda adotar o seguinte critério:
� Dispositivo hidráulico sem armazenamento: canais, bueiros, descidas de
água, etc.
⇒duração da chuva crítica = tempo de concentração da bacia.
� Dispositivo hidráulico com armazenamento: barragens, diques, etc.
⇒duração da chuva crítica deve ser determinada através de testes.
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O Tempo de Concentração da Bacia (tc) é definido como intervalo de tempo
contado a partir do início de uma precipitação para que toda a bacia hidrográfica
passe a contribuir para o escoamento superficial na seção de saída da mesma.
Existem várias fórmulas e ábacos que fornecem o valor do tempo de
concentração em função das características físicas da bacia. São apresentadas a
seguir algumas delas.
Seja uma bacia hidrográfica qualquer onde: L é o comprimento do talvegue
principal (km); S é a declividade desse talvegue (%); e A é a área de drenagem
(km2), tem-se:
Kirpch Dooge G. B. Williams
385,02
c SL
39,0t
⋅= (h)
⋅=
17,0
41,0
cS
A88,21t (h) 20,011,0c
SA
L61,0t
⋅
⋅= (h)
Bacias rurais (A<0,5km2; S<10%)
Bacias rurais (A>100km2)
Bacias ruais
Para a situação onde a bacia não possui talvegue definido, aplica-se o
Método Cinemático (SCS), onde a velocidade média ( v ) para o escoamento difuso
pode ser dada pelo ábaco a seguir.
6,3vL
tc⋅
= (h)
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1.2.1.4 Intensidade da Precipitação (i)
A Intensidade da Precipitação pode ser dada palas equações que relacionam
intensidade, duração e frequência, conforme apresentado no item 1.1.1.4:
( )no
m
td
Tki
+
⋅=
onde: i é intensidade da precipitação (mm/h); T é o tempo de recorrência (anos); d é
a duração da chuva (min); e, k, m, n e to são constantes.
Como exemplo apresenta-se as relações I-D-F para algumas cidades obtidas
da publicação “Equações de Chuvas Intensas no Estado de Minas Gerais”, editada
pela COPASA/UFV:
� Belo Horizonte: ( ) 671,0
169,0
993,3t
TR874,682i
+
⋅= ;
� Sete Lagoas: ( ) 056,1
232,0
320,48t
TR183,5309i
+
⋅= ;
� Uberlândia: ( ) 999,0
190,0
122,54t
TR000,6050i
+
⋅= ;
� Teófilo Otoni: ( ) 815,0
201,0
962,26t
TR786,1715i
+
⋅=
1.2.1.5 Chuva Efetiva (Pe)
A precipitação efetiva é a parcela do total precipitado que gera o escoamento
superficial. Para obter o ietograma correspondente à precipitação efetiva é
necessário retirar os volumes evaporados, retidos nas depressões e os infiltrados.
Existem várias metodologias para a determinação da precipitação efetiva.
Porém, neste curso apresentaremos apenas aquela desenvolvida pelo
U.S.SoilConservation Service (SCS) a partir das relações funcionais.
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O método desenvolvido pelo SCS (1957) utiliza a seguinte formulação:
( )
>+−
−=
≤=
aa
2a
e
ae
I P se SIP
IPP
IP se 0P
com:
S2,0I
254CN
400.25S
a ⋅=
−=
onde: Pe é a precipitação efetiva acumulada (mm); P é a precipitação total
acumulada (mm); Ia é a abstração inicial (mm); S é o armazenamento (mm); e CN é
o fator curva índice definido de acordo como o tipo e o uso do solo.
Grupos Hidrológicos:
� Grupo A: Solos que produzem baixo escoamento superficial e alta
infiltração, tais como solos arenosos bem graduados profundos.
� Grupo B: Solos menos permeáveis que o anterior, solos arenosos menos
profundos que o do tipo A e com permeabilidade superior a média.
� Grupo C: Solos com escoamento superficial acima da média com
capacidade de infiltração abaixo da média, pouco profundos e com
porcentagem considerável de argila.
� Grupo D: Solos com argila expansivas, rasos e bastante impermeáveis.
O parâmetro CN é comumente tabelado, conforme apresentado a seguir, para
a condição II de umidade do solo.
Para condições secas (estiagem antecedente, tipo I) ou úmidas (período
chuvoso antecedente, tipo III), os valores devem ser recalculados pelas expressões:
II
III CN058,010
CN2,4CN
⋅−
⋅= ou
II
IIIII CN13,010
CN23CN
⋅+
⋅=
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Parâmetro CN para a Condição II de Umidade
Uso do Solo Superfície A B C D
Áreas Rurais
Solo lavrado Com sulcos retilíneos 77 86 91 94
Bosques ou Zonas Florestais Cobertura esparsa 45 66 77 83
Cobertura densa 25 55 70 77
Campos Grama em mais de 75% da área 39 61 74 80
Grama em mais de 50 a 75% da área 49 69 79 84
Pastagens, gramados
<50% coberto 68 79 86 89
50% a 75% coberto 49 69 69 84
>75% coberto 39 61 74 80
Capim para gado - 30 58 71 78
Vegetação arbustiva
<50% coberto 48 67 77 83
50% a 75% coberto 35 56 70 77
>75% coberto 30 48 65 73
Áreas urbanizadas de fazendas - 59 74 82 86
Áreas urbanas
Terrenos Baldios - 39 61 74 80
Zonas Comerciais - 89 92 94 95
Zonas Residenciais
Lotes <500 m² e 65% impermeáveis 77 85 90 92
Lotes <1.000 m² e 38% impermeáveis 61 75 83 87
Lotes <1.300 m² e 30% impermeáveis 57 72 81 86
Lotes <2.000 m² e 25% impermeáveis 54 70 80 85
Lotes <4.000 m² e 20% impermeáveis 51 68 79 84
Arruamentos e estradas
Asfaltados com drenagem 98 98 98 98
Paralelepípedos 76 85 89 91
Terra 72 82 87 89
Parques, estacionamentos, etc - 98 98 98 98
1.2.2 Parâmetros Hidráulicos
Conforme já visto, os parâmetros hidráulicos são utilizados no
dimensionamento das estruturas de condução da água e de dissipação de energia.
Os parâmetros a serem considerados são: o coeficiente de escoamento superficial
(c), a vazão de projeto (Q), as velocidades máximas e mínimas do escoamento (vmáx,
vmín) e o coeficiente de rugosidade de Manning (n).
26
1.2.2.1 Coeficiente de Escoamento Superficial (C)
O Coeficiente de Escoamento Superficial (C), também chamado de
coeficiente de runoff, exprime a relação entre o volume total escoado e o volume
total precipitado. Ou seja, indica a parte da chuva que se torna, efetivamente,
escoamento superficial.
Esse coeficiente é normalmente tabelado conforme apresentado a seguir.
Superfície C
Superfícies Impermeáveis 0,90 – 0,95
Terreno Estéril Montanhoso 0,80 – 0,90
Terreno Estéril Ondulado 0,60 – 0,80
Terreno Estéril Plano 0,50 – 0,70
Prados, campinas em terrenos ondulados 0,40 – 0,65
Matas decíduas, folhagem caduca 0,35 – 0,60
Matas coníferas, folhagem permanente 0,25 – 0,50
Pomares 0,15 – 0,40
Terrenos cultivados em zonas altas 0,15 – 0,40
Terrenos cultivados em vales 0,10 – 0,30
Grama em solo pesado 0,15 – 0,30
Grama em solo arenoso 0,08 – 0,18
1.2.2.2 Vazão de Projeto (Q)
A vazão de projeto (Q) pode ser estimada através de diversos métodos. Aqui
serão comentados os dois mais comumente utilizados: método Racional e método
do Hidrograma Unitário.
O método Racional é o método utilizado no cálculo da vazão máxima da
hidrógrafa geradas em pequenas bacias (A ≤ 1,0 km2) que não possuem estações
fluviométricas, sendo muito utilizado no dimensionamento de bueiros e galerias de
drenagem pluvial.
O método Racional, para a estimativa do pico da cheia resume-se
fundamentalmente no emprego da chamada “fórmula racional”, que, apesar da
denominação racional, deve ser utilizada com extrema cautela, pois envolve
27
diversas simplificações e coeficientes cuja compreensão e avaliação são muito
subjetivas.
AiC278,0Q ⋅⋅⋅=
onde: Q é a vazão máxima com o período de retorno TR (m3/s); A é a área de
drenagem da bacia (km2); i é a intensidade da precipitação, para uma chuva com TR
anos de retorno e duração crítica para a bacia (mm/h); e C é o coeficiente de
escoamento superficial (tabelado).
Para o caso de bacias com área de drenagem entre 1,0 km2 e 10 km2 pode-se
aplicar uma modificação na fórmula Racional conforme a seguir:
n11
AiC278,0Q−
⋅⋅⋅=
onde: n = 4 se S < 0,5%; n = 5 se 0,5% ≤ S ≤ 1,0%; n = 6 se S ≥ 1,0%.
O método do Hidrograma Unitário (HU) é o método utilizado para se
determinar o hidrograma de escoamento superficial através das características do
escoamento superficial direto e de uma chuva efetiva sobre a bacia hidrográfica.
O HU é o hidrograma de escoamento superficial resultante de uma chuva
efetiva unitária uniformemente distribuída sobre a bacia. A princípio, o HU somente
pode ser determinado para uma bacia que tenha medições simultâneas de chuva
(estação pluviométrica) e de vazão (estação fluviométrica).
A aplicação do HU de uma bacia hidrográfica para um evento de chuva
uniformemente distribuído, juntamente como valor do escoamento subterrâneo, pode
ser efetuado através do seguinte procedimento:
� Calcula-se a chuva efetiva;
� Multiplicar as ordenadas do HU pela Pe;
� Aplicar os postulados de proporcionalidade e de sobreposição de acordo
com a conveniência, obtendo assim o hidrograma de escoamento
superficial;
� Somar o escoamento superficial ao escoamento subterrâneo para obter o
hidrograma total.
28
O HU é uma constante da bacia hidrográfica, refletindo as suas propriedades
com relação ao escoamento superficial. Desta forma, as diversas características
físicas da área de drenagem devem influenciar as condições do escoamento e
contribuir para a forma final do HU.
Esse fato, associado à frequente necessidade de se estabelecer relações
hidrológicas para rios desprovidos de estações fluviométricas, fez surgir métodos
para a determinação dos chamados HU Sintéticos.
O número de métodos existentes é muito grande para que se possa incluir a
sua totalidade aqui. Desta forma, apresentaremos apenas o método do HU
Triangular Sintético do SCS, desenvolvido pelo U.S.SoilConservation Service (USA):
)horas( 5
tt c=∆
cp t6,02t
t ⋅+∆
=
pd t67,1t ⋅=
mmsm
tA208,0
q3
pp
⋅
⋅=
onde: ∆t é o intervalo de discretização da chuva unitária (h); tp é o tempo de pico do
HU (h); td é o tempo de descida do HU (h); qp é a vazão de pico unitária do HU
(m3/s⋅cm); e, A é área de drenagem da bacia hidrográfica (km2).
29
1.2.2.3 Velocidades Máximas (vmáx) e Mínimas (vmín) do Escoamento Superficial
Os escoamentos devem ser dimensionados para atender critérios de
velocidades máximas admissíveis (vmáx) para garantir a vida útil do dispositivo de
drenagem. Evitando, assim, o desgaste prematuro da estrutura hidráulica.
A tabela a seguir apresenta as velocidades máximas admissíveis para
diversos tipos de acabamento das estruturas hidráulicas.
Material do Canal
Velocidade Máxima Admissível (m/s)
Água sem sedimentos
Água com sedimentos
não coloidais
Água com sedimentos
coloidais
Solos não coloidais
Areia fina 0,46 0,46 0,76
Argilo-arenoso 0,53 0,61 0,76
Argilo-siltoso 0,61 0,61 0,91
Site aluvionar 0,61 0,61 1,07
Argiloso 0,76 0,69 1,07
Argila estabilizada 1,14 1,52 1,52
Cascalho fino 0,76 1,14 1,52
Cascalho grosso 1,22 1,98 1,83
Seixos e pedregulhos 1,52 1,98 1,68
Solos coloidais
Argila densa 1,14 1,52 1,52
Siltealuvionar 1,14 0,91 1,52
Silte estabilizado 1,22 1,52 1,68
Rocha resistente 2,40 a 2,50
Concreto 4,50 a 6,00
O critério de velocidade mínima do escoamento (vmín) é utilizado para garantir
que não haja deposição no fundo das estruturas hidráulicas ocasionando uma
diminuição de seção de escoamento ou aumento da rugosidade.
A tabela a seguir apresenta as velocidades mínimas admissíveis para os
escoamentos.
Característica do Fluido Velocidade Mínima Admissível (m/s)
Água com material fino em suspensão 0,25 a 0,30
Água com areia fina ou limo graúdo 0,45 a 0,50
Esgoto 0,70 a 1,5
Obs.: do ponto de vista prático a velocidade mínima não deve ser inferior a 0,60 m/s
30
1.2.2.4 Coeficiente de Rugosidade de Manning (n)
O coeficiente de rugosidade de Manning (n) exprime os fatores de atrito em
um escoamento livre, que traduzem a perda de carga no mesmo.
O problema a ser resolvido consiste na determinação desse coeficiente.
Desta forma, apresentam-se alguns meios para a sua estimativa.
Normalmente o coeficiente de rugosidade de Manning é tabelado conforme
apresentado a seguir.
Canais Naturais
Tipo Característica Rugosidade (n)
Mínima Usual Máxima
Canais de pequeno porte em planície(B<30m)
Limpos 0,025 0,033 0,045
Trechos lentos 0,050 0,070 0,080
Canais de pequeno porte em montanhas(B<30m)
Leitos desobstruídos 0,030 0,040 0,050
Leito de matacões 0,040 0,050 0,070
Canais de grande porte (B>30m)
Seções regulares 0,025 - 0,060
Seções Irregulares 0,035 - 0,100
Planícies de Inundação
Pastagens 0,025 0,030 0,035
Culturas 0,020 0,040 0,050
Vegetação densa 0,045 0,070 0,160
Canais Artificiais
Revestimento Rugosidade (n)
Mínima Usual Máxima
Concreto pré-moldado 0,011 0,013 0,015
Concreto com acabamento 0,013 0,015 0,018
Concreto sem acabamento 0,014 0,017 0,020
Concreto projetado 0,018 0,020 0,022
Gabião 0,022 0,030 0,035
Espécies vegetais 0,025 0,035 0,070
Aço 0,010 0,012 0,014
Ferro fundido 0,011 0,014 0,016
Aço corrugado 0,019 0,022 0,028
Solo sem revestimento 0,016 0,023 0,028
Rocha sem revestimento 0,013 0,035 0,040
31
Além disso, as seções de escoamento podem apresentar variações de
rugosidade ao longo do seu contorno. Desta forma, é necessária a estimativa de um
valor médio para representar o coeficiente de rugosidade de Manning.
Para seções simples onde há variação de rugosidade ao longo do perímetro,
pode-se estimar o coeficiente de rugosidade de Manning através da seguinte
fórmula.
( ) 32
ii
PnP
n
∑ ⋅=
onde: n é o coeficiente de rugosidade de Manning global; Pi é o perímetro molhado
associado à superfície i; ni é o coeficiente de rugosidade de Manning associado à
superfície i; e, P é o perímetro molhado da seção total.
Para seções compostas de canais artificiais e, sobretudo, para seções
naturais, a determinação de um valor de n global através do perímetro molhado não
apresenta resultados satisfatórios. Desta forma, calcula-se uma rugosidade
equivalente para a seção total, através de uma ponderação pelas áreas associadas
a um trecho da superfície, conforme proposto pelo U.S. SoilConservation Service e
apresentado a seguir.
( )A
nAn ii∑ ⋅
=
onde: n é o coeficiente de rugosidade de Manning equivalente para a seção; Ai é a
área associada a uma superfície i; ni é o coeficiente de rugosidade de Manning
associado à superfície i; e, A é a área molhada da seção de escoamento.
32
1.2.3 Dimensionamento de Canais
Canais são estruturas hidráulicas utilizadas para a condução da água de
forma a compatibilizar as necessidades com os volumes disponíveis, no tempo e no
espaço.
O dimensionamento hidráulico de canais é feito através dos procedimentos
baseados, usualmente, na hipótese de regime de escoamento uniforme, que é
caracterizado por uma constância da profundidade da água, da área molhada da
seção transversal e da velocidade do escoamento, com a utilização da fórmula de
Manning.
IRAn1
Q 32
h ⋅⋅⋅=
onde: Q é a vazão do escoamento (m³/s); n é o coeficiente de rugosidade de
Manning; A é a área da seção transversal ao escoamento (m²); Rh é o raio hidráulico
da seção transversal do escoamento (m); e I é a declividade longitudinal do fundo do
canal (m/m).
Os canais devem ser dimensionados para as chamada seções de máxima
eficiência, que corresponde àquela seção que apresenta a maior vazão de
escoamento para o menor perímetro molhado.
A seguir são apresentados quadros correspondentes às características
geométrica das seções de escoamento e às seções de máxima eficiência.
33
Cara
cte
rística G
eom
étr
icas d
as s
eções
Seções d
e M
áxim
a E
ficiê
ncia
34
No caso particular das seções circulares, que são utilizadas nas redes de
esgoto e de drenagem de águas pluviais, o dimensionamento pode ser feito através
de tabelas que relacionam a vazão relativa (Qx/Qp) e a velocidade relativa (Ux/Up)
com a altura relativa da lâmina de água no interior do conduto (y/D).
As vazões e as velocidades à seção plena, Qp e Up respectivamente podem
ser dadas pelas seguintes equações:
IDn1,0
Q 38
p ⋅⋅π⋅= e IDn4,0
U 32
p ⋅⋅π⋅=
Para condutos parcialmente cheios, utiliza-se a tabela a seguir:
Para canais prismáticos, de acordo com as características do material do
canal, deve se considerar inclinações máximas do talude lateral para se evitar
colapsos das margens. Para isso é preciso seguir as orientações apresentadas na
tabela a seguir.
35
Material do Canal Inclinação Máxima do Talude
H:V z(H):1(V)
Rocha sã vertical 0
Rocha alterada ¼:1 0,25
Solo argiloso compactado ½:1 a 1:1 0,50 a 1,00
Solo em geral, canais largos 1:1 1,00
Solo em geral, canais estreitos 1½:1 1,50
Solo arenoso solto 2:1 2,00
Solo argiloso poroso 3:1 3,00
1.2.3.1 Borda Livre
Borda Livre é a distância vertical entre o topo do canal e a superfície de água
nas condições de projeto. É uma faixa de segurança adicional na altura do canal
dado às incertezas no dimensionamento hidráulico.
Usualmente a borda livre é definida com valores variando entre 5 a 30% da
profundidade do escoamento.
Uma opção é proceder ao dimensionamento considerando a vazão de cálculo
majorada de 30%. (Qp = 1,3 ⋅ Q)
1.2.3.2 Sobrelevação em Curvas
Nos trechos de curva, devido ao efeito da força centrífuga, a água tende a
deslocar-se em direção da margem externa das curvas. Isso causa uma
sobrelevação nessa margem e, por consequência, um abaixamento do nível de água
na outra margem.
Para o caso do regime de escoamento subcrítico a sobrelevação pode ser
determinada pela seguinte equação.
=
=
⋅
⋅⋅=∆
transição) (com 5,0C
transição) (sem 1,0C
rgBU
Cyc
2
limitada por: yg
BU4r
2
mínc⋅
⋅⋅=
onde: ∆y é a sobreelvação (B); U é a velocidade média do escoamento (m/s); B é a
largura do topo do canal (m); g é a aceleração da gravidade (9,81 m/s²); e, rc é o raio
central da curva (m).
36
Para o caso do regime de escoamento supercrítico, devido ao fato de
existirem ondas transversais ao escoamento, a sobrelevação pode ser determinada
pelo seguinte processo:
� Determina-se o valor de θ (ângulo de alternância da máxima sobrelevação)
através do ábaco a seguir;
� Determina-se o valor de β, ymáxe ymín através das seguintes equações:
( )1rFarcsen −
=β ( )2senFy 22r
θ±β⋅=
ondeFr é o número de Froude do escoamento3.
� Em seguida, calculam-se as alturas máxima e mínima de lâmina d’água no
escoamento:
0máxmáx hyh ⋅= 0mínmín hyh ⋅=
3 Vide Apêndice B
37
1.2.4 Dimensionamento de Bueiros
Bueiros são estruturas hidráulicas, normalmente construídas em fundo de
vales, que objetivam a passagem de águas dos talvegues por sob obras de
terraplanagem.
Os bueiros, normalmente, não possuem características de reservação de
água, desta forma o seu dimensionamento é feito pela vazão máxima do hidrograma
de projeto.
Os bueiros podem ser classificados quanto ao número de linhas como
simples (S), Duplo (D) ou Triplo (T); quanto à forma da seção como Tubular (T) ou
Celular (C) e quanto ao material de construção como de Concreto (C) ou Metálicos
(M).
Por exemplo, tem-se: BDTM∅1,00 é bueiro Duplo Tubular Metálico, com
diâmetro 1,00 m, ou BTCC 3,00x2,00 é bueiro Triplo Celular de Concreto, com
dimensões 3,00 m de base por 2,00 m de altura.
Para o dimensionamento dos bueiros é necessário o conhecimento do
funcionamento dos mesmos.
O funcionamento do bueiro será como canal quando as extremidades de
montante e de jusante não se encontram submersas. Logo, existe uma superfície
livre ao longo de todo o conduto e a vazão afluente é inferior a vazão admissível à
estrutura hidráulica.
Essa condição é verificada para profundidade de montante até 20% superior à
dimensão vertical do bueiro.
B
B
h0
38
Bueiro funcionando como canal
Nessa condição, o dimensionamento é dependente do regime do
escoamento. Desta forma, para se determinara o regime de escoamento dentro do
bueiro deve-se calcular a declividade crítica utilizando-se as equações seguintes:
3
2
cD
n82,32I ⋅= ..............................................para bueiros tubulares
34
3
2
c BH4
3H
n6,2I
⋅+⋅
⋅= ..............................para bueiros celulares
onde: Ic é a declividade crítica (m/m); n é o coeficiente de Manning; D é o diâmetro
do bueiro (m); H é altura do bueiro (m); e, B e a largura do bueiro (m).
Desta forma, compara-se a declividade do fundo do bueiro (I) com a
declividade crítica calculada e toma-se uma das três decisões:
� I <Ic⇒ escoamento subcrítico;
� I >Ic⇒ escoamento supercrítico;
� I = Ic⇒ escoamento crítico.
Para a condição de escoamento subcrítico, a vazão admissível (Qadm) e a
velocidade média do escoamento (U) podem ser determinadas através das
seguintes equações:
39
⋅⋅=
⋅⋅=
IDn452,0
U
IDn305,0
Q
32
38
adm
.................................para bueiros tubulares
( )
( )
⋅⋅=
⋅
⋅+
⋅⋅=
HB8,0Q
U
nI
H6,1B
HB8,0Q
adm
2
5
adm
............................para bueiros celulares
Para a condição de escoamento supercrítico, tem-se:
⋅=
⋅=
D56,2U
D533,1Q 25
adm .......................................para bueiros tubulares
⋅=
⋅⋅=
H56,2U
HB075,1Q 23
adm ...................................para bueiros celulares
Em todos esses casos, o dimensionamento é para uma profundidade da
lâmina d’água igual a 80% da dimensão vertical do bueiro.
Quando a vazão de dimensionamento supera a vazão admissível do
funcionamento como canal a água acumula na entrada do bueiro e este passa a
funcionar como um orifício.
Bueiro funcionando como orifício
Para a condição de funcionamento do bueiro como orifício, a vazão
admissível (Qadm) e a velocidade média do escoamento (U) podem ser determinadas
através das seguintes equações:
40
⋅=
⋅⋅=
h79,2U
hD192,2Q 2adm .................................para bueiros tubulares
=
⋅⋅⋅=
h56,2U
hHB751,2Qadm ................................para bueiros celulares
Quando os níveis de água de montante e de jusante superam a altura do
bueiro (H ou D), diz-se que o bueiro trabalha afogado com funcionamento como
conduto forçado.
Bueiro funcionando como conduto forçado
Nessa condição a seguinte equação é satisfeita:
HLIHH jm ∆+⋅−=
onde: Hm é a carga a montante do bueiro (m); Hj é a carga a jusante do bueiro (m); I
é a declividade do fundo do bueiro (m/m); L é o comprimento do bueiro (m); e, ∆h é a
perda de carga quando do escoamento ao longo do bueiro (m).
A perda de carga do escoamento ao longo do bueiro pode ser calculada
através da seguinte equação:
g2U
R
Lng2CCH
2
34
h
2
se⋅
⋅
⋅⋅⋅
++=∆
ondeCe e Cs são os coeficientes de perda de carga na entrada e na saída do bueiro,
respectivamente, normalmente tabelados conforme apresentado a seguir:
41
Coeficientes de perda de carga na entrada para bueiros tubulares
Tipo de estrutura de entrada Concreto Metálico
“bolsa” saliente, com ou sem muro e alas 0,2 -
“ponta” saliente, com ou sem muro e ala 0,5 -
Saliente, sem muro e alas - 0,9
Saliente, com muro e alas - 0,5
Muro de testa, final do tubo arredondado 0,2 -
Muro de testa, sem alas - 0,2 a 0,5
Tubo bisetado 0,7 0,7
Seção terminal conformada com o aterro 0,5 0,5
Coeficientes de perda de carga na entrada para bueiros celulares
Tipo de estrutura de entrada Faixa Usual
Entrada angular 0,2 a 0,7 0,5
Entrada hidraulicamente adequada 0,2 a 0,7 0,2
Para o coeficiente de perda de carga na saída de bueiros, os valores variam
entre 0,3 a 1,0, porém, é usualmente utilizado o valor igual a 1,0.
Para todos os casos apresentados existe a possibilidade de se utilizar linhas
de bueiro duplas ou triplas. Desta forma, deve-se reduzir a capacidade de vazão no
bueiro em 5% para cada linha adicional em função das condições de entrada.
1.2.5 Dimensionamento de Escadas ou Descidas de Água
Escada ou Descida de Água são estruturas muito utilizada em engenharia
hidráulica compostas de degraus e utilizadas para vencer desníveis.
Quando os desníveis são pequenos e permitem a formação de degraus como
patamares longo o suficiente para a formação de ressaltos hidráulicos, tem-se os
chamados escoamentos em degraus, conforme mostrado na figura a seguir.
42
O dimensionamento desse tipo de estrutura é feito através de um parâmetro
chamado Número de Queda dado pela seguinte equação:
( )3
2
nhgB
QD
⋅=
onde: Dn é o número de queda; Q é a vazão de dimensionamento (m³/s); B é a
largura da escada (m); g é a aceleração da gravidade (m/s²); e, h é a altura do
degrau (m).
Desta forma, as dimensões do degrau são dadas pelas fórmulas a seguir, em
função do número de queda:
27,0n
d D30,4hL
⋅=
22,0n
p D00,1h
y⋅=
425,0n
1 D54,0hy
⋅=
27,0n
2 D66,1hy
⋅=
( )12 yy9,6L −⋅=
onde: Ld é o comprimento da queda (m); yp é a profundidade da água na parte
anterior da queda (m); y1 é a profundidade da água na parte posterior da queda (m);
y2 é a profundidade conjugada de jusante do ressalto hidráulico (m); L é o
comprimento do ressalto hidráulico (m).
Quando a declividade do terreno é elevada (0,087 m/m a 1,42 m/m, ângulo
com a horizontal variando entre 5º a 55º), os degraus são curtos o suficiente para
que não haja a formação do ressalto hidráulico e o escoamento salte sobre eles,
provocando turbilhonamento (skimmingflow).
Nesta situação a escada funciona como um canal e os degraus funcionam
com uma rugosidade do revestimento desse canal.
43
Ensaios de laboratório permitiram a determinação do coeficiente de Manning
equivalente para estes casos.Os gráficos, a seguir, foram obtidos dessa formulação.
Na utilização desses gráficos para largura da escada diferente de 1,0 m,
deve-se utilizar a vazão específica, ou seja, a vazão por unidade de largura.
A velocidade ao final da escada deve ser calculada dividindo-se a vazão pela
área molhada do escoamento, ou seja, o produto entre a largura da escada e a
profundidade obtida no gráfico.
Nesses gráficos, cada curva representa o ângulo de inclinação do terreno
onde será construída a escada.
Escada (skimmingflow) para B =1,0 m e h = 0,3 m
44
Escada (skimmingflow) para B =1,0 m e h = 0,5 m
1.2.6 Dimensionamento de Dissipadores de Energia4
Dissipadores de energia são dispositivos hidráulicos localizados a jusante de
locais onde a energia cinética associada ao escoamento é elevada e pode exercer
ações destruidoras, tanto para a estrutura condutora quanto para o curso natural.
As estruturas dissipadoras serão apresentadas a seguir, porém, cabe
salientar que as escada, descritas no item anterior, também são considerados
dissipadores de energia contínuos.
1.2.6.1 Rampa ou Calha Dissipadora
As rampas ou calhas dissipadoras são ispositivo hidráulico para dissipação
contínua de energia composto por calha ou rampa dotada de blocos onde a água
impacta, conforme mostrado na figura a seguir:
4 Vide Apêndice B.
45
Esse tipo de dispositivo de dissipação de energia é apropriado para
escoamentos com vazão específica (Q/B) até 6 m³/s⋅m e inclinação inferior a 1:2
(V:H). Porém, recomenda-se para vazões específicas entre 2 e 3 m³/s⋅m.
A dimensão característica H é determinada a partir do valor da profundidade
crícita do escoamento (yc), dado por:
cy8,0H ⋅=
onde, para seção retangular:
32
c gq
y =
Além disso, para a eficiência completa da rampa dissipadora a velocidade
média na entrada da rampa (U1) não deve ser excessiva, limitada conforme a
fórmula a seguir:
6,1qgU 31 −⋅≤
46
1.2.6.2 Dissipador de Impacto
O dissipador de impacto é uma estrutura hidráulica que efetua a dissipação
da energia através do impacto do fluxo de água, em alta velocidade contra uma
estrutura rígida.
Seu dimensionamento é feito através de tabelas determinadas a partir de
ensaios em laboratório.
Vazão (m³/s)
Largura – w (m) Dimensões (n)
máx mín a B c tw tr tb tp
3 3,50 2,90 0,25 0,08 1,00 0,20 0,20 0,25 0,20
6 4,80 3,80 0,30 0,10 1,00 0,25 0,30 0,25 0,20
9 5,50 4,50 0,35 0,15 1,00 0,30 0,30 0,30 0,20
12 6,00 5,00 0,40 0,15 1,00 0,30 0,35 0,30 0,20
47
1.2.6.3 Dissipador de Jato
Dissipador de jato é uma estrutura hidráulica em forma de uma concha
cilíndrica que projeta um jato de água em direção ascendente. Parte da energia é
dissipada na subida, porém, grande parte da energia é dissipada na descida através
de impacto do jato de água com a própria água acumulada.
Quando a saída está posicionada acima do NA de jusante a estrutura é
denominada salto esqui. Quando a saída está posicionada na mesma altura ou
abaixo do NA de jusante a estrutura é denominada concha de arremesso.
A forma e o posicionamento desse tipo de estrutura são definidos através de
ensaios e experiências específicas. Porém, o raio de curvatura (R) deve estar entre
15 a 25 m e o ângulo de saída entre 20o e 40o.
1.2.6.4 Bacia de Dissipação
As bacias de dissipação são dispositivos hidráulicos que possibilitam a
dissipação de energia através do conceito de ressalto hidráulico, que corresponde a
uma brusca elevação do nível de água de um canal funcionando em regime
permanente.
Isso ocorre com a passagem do escoamento supercrítico para o escoamento
subcrítico, com grande turbulência e perda de energia.
−⋅+⋅= 1F81
2y
y 21
12
48
As bacias de dissipação são dimensionadas através de estudos
experimentais como o do U.S. Bureau ofReclamation(USBR), que determinou 4 tipos
de bacias de dissipação.
A bacia de dissipação USBR Tipo I é apropriada para escoamentos como
número de Froude de montante (Fr1) entre 1,2 e 2,5.
Nesse tipo de bacia de dissipação deve-se garantir a horizontalidade por um
comprimento superior a 4 vezes a profundidade de jusante (LI ≥ 4⋅Dsaída), onde
Dsaída≅ 2⋅y1.
A bacia de dissipação USBR Tipo II é apropriada para escoamentos como
número de Froude de montante maior do que 4,5 (Fr1 ≥ 4,5) e velocidade de
aproximação maior que 20 m/s (U1≥ 20 m/s).
Nesse tipo de bacia de dissipação tem-se LII = 4,3⋅y2 e Dsaída = 1,05y2.
D1 = y1
D2 = y2
49
A bacia de dissipação USBR Tipo III é apropriada para escoamentos como
número de Froude de montante maior do que 4,5 (Fr1 ≥ 4,5) e velocidade de
aproximação menor que 20 m/s (U1< 20 m/s).
Nesse tipo de bacia de dissipação tem-se LIII = 2,7⋅y2 e Dsaída = 1,05⋅y2.
D1 = y1
D2 = y2
6768,0F1652,0Dh
1r1
3 +⋅=
0167,1F0542,0Dh
1r1
4 +⋅=
A bacia de dissipação USBR Tipo IV é apropriada para escoamentos como
número de Froude de montante entre 2,5 e 4,5 (2,5 < Fr1< 4,5).
Nesse tipo de bacia de dissipação tem-se Dsaída = 1,05⋅y2.
D1 = y1
D2 = y2
( ) 8865,2Fln0543,2DL
1r2
IV +⋅=
0167,1F0542,0Dh
1r1
4 +⋅=
50
1.2.7 Exercícios:
1) Pede-se determinar a capacidade de vazão e a velocidade média do
escoamento de água que ocorre em um canal, conforme apresentado na figura a
seguir, sabendo que a declividade longitudinal no trecho de implantação é igual
a 0,0026 m/m e o coeficiente de rugosidade do acabamento do leito é igual a
0,022.
2) Para o trecho triangular da seção de rio do exercício anterior, pede-se para
determinar a velocidade média do escoamento quando a lâmina de água for
igual a 1,5 m, 1,0 m, 0,5 m e 0,1 m.
3) Seja um canal trapezoidal em concreto pré-moldado, com largura de base igual
a 3,0 m e taludes laterais 1:1, que transporta 15,0 m³/s de água. Pede-se
calcular a profundidade de escoamento, sabendo-se que a declividade
longitudinal é igual a 0,005 m/m.
4) Seja um canal de seção composta em concreto sem acabamento e gabião,
conforme mostrado na figura a seguir, implantado com declividade longitudinal
igual a 0,10%. Pede-se determinar a vazão máxima
5,0 m
1,5 m
21,0 m
51
5) A batimetria da seção natural de um rio onde existe uma ponte é conforme
apresentado na figura a seguir. Considerando que o coeficiente de rugosidade
de Manning varia ao longo da seção, conforme apresentado também na figura,
que a declividade do fundo é igual a 0,2% e que a longarina da ponte que
atravessa a seção tem altura igual a 2,0 m, pede-se calcular a vazão máxima do
escoamento nessa seção.
6) Dimensionar um canal retilíneo escavado em solo argiloso denso, para
transportar a vazão de 25 m³/s de água que carreia sedimentos coloidais. A
declividade longitudinal de implantação é igual a 0,15% e a largura máxima da
base é igual a 15,0 m
7) Dimensionar um canal retangular, revestido em concreto liso, de máxima
eficiência, com declividade igual a 0,1 %, para uma vazão de 10 m³/s. Sabe-se,
ainda, que neste canal existirá uma curva com raio interno igual a 3,0 m.
8) Seja um BDTC ∅ 1,20 m implantado com declividade igual a 0,30%, sob um
aterro com altura máxima de 4,20 m. Verificar a condição hidráulica de
funcionamento deste bueiro, sabendo-se que a vazão de dimensionamento é
igual a 8,00 m³/s.
n = 0,035
n = 0,025 n = 0,013 n = 0,025
n = 0,035
7 m 22 m 11 m 31 m 9 m
3 m
2 m
2 m
52
9) Uma pilha de rejeito de altura igual a 2,0 m é transposta por um BSTC ∅ 0,80 m,
assentado com declividade de 0,4%. Sabendo-se que a vazão afluente à obra é
de 1,81 m³/s, pede-se:
a) Avaliar as condições de funcionamento, considerando que não há afogamento
a jusante. Caso haja necessidade, indicar complementação utilizando tubos
de concreto de ∅ 0,80m.
b) Avaliar as condições de funcionamento, considerando que haja uma lâmina
d’água na saída de altura igual a 1,00 m. Sabe-se que a entrada do bueiro é
conformada com o aterro e o comprimento deste é de 50 m.
10) Em um canal retangular em concreto, com largura da base igual a 4,20 m e
declividade do fundo muito baixa, é transportada a vazão de água igual a 8,80
m³/s. Devido a inclinação acentuada do terreno natural, optou-se por implantar
um degrau com altura igual a 1,50 m. Pede-se definir as características do
escoamento ao longo desse degrau.
11) Dimensionar uma descida de água em degraus, considerando: canal retangular
em concreto; vazão de dimensionamento igual a 3,80 m³/s; e, ângulo de descida
igual a 25o.
12) Dimensione uma rampa dissipadora no lugar da escada no exercício anterior.
13) Um canal retangular com declividade alta foi dimensionado com largura igual a
20,0 m para escoar uma vazão igual a 80 m³/s. Estudos preliminares indicam
que a velocidade no final desse canal é da ordem de 14,5 m/s. Pede-se
dimensionar uma bacia para dissipação da energia do escoamento.
57
APÊNDICE A – Capacidade de Escoamento de Sarjeta e Boca de Lobo do Padrão SUDECAP
58
APÊNDICE B – Considerações Sobre Energia Específica e Número de Froude
A energia total em um escoamento livre pode ser estimada através da soma
das cargas altimétrica, piezométrica e cinética:
g2UyzH
2
××a++=
onde: H é carga total (m); z é a cota do fundo do canal (m); y é a altura da lâmina de
água (m); a é o coeficiente de Coriolis; U é a velocidade média do escoamento
(m/s); e, g é a aceleração da gravidade (9,81 m/s²).
Considerando-se a energia contada a partir do fundo do canal, obtêm-se a
Energia Específica (E):
g2UyE
2
××a+=
Admitindo-se a = 1 e substituindo-se a velocidade média pela razão entre a
vazão (Q) e a área da seção do escoamento (A), tem-se:
2
2
Ag2QyE××
+=
Desta forma, a diferença de energia entre duas seções do escoamento pode
ser dada pela seguinte equação:
÷÷ø
öççè
æ-×
××+-=-=D 2
122
2
1212 A1
A1
g2QyyEEE
A caracterização do escoamento quanto à energia é feito através do Número
de Froude, que é um admensional determinado a partir da equação de Energia
Específica.
59
hygUFr×
=
onde: Fr é o número de Froude; e yh é a profundidade hidráulica do escoamento (
BAyh = ).
O Número de Froude pode ser explicado fisicamente como a relação entre as
forças inerciais e as forças gravitacionais ( hyg × ). As forças inerciais são
representadas pela velocidade média do escoamento (U), enquanto as forças
gravitacionais são representadas pela celeridade ( hygC ×= ), que é a velocidade
de propagação das ondas gravitacionais (perturbações superficiais).
Logo, tem-se:
§ U > C Þ Fr > 1 Þ escoamento subcrítico;
§ U < C Þ Fr < 1 Þ escoamento supercrítico;
§ U = C Þ Fr = 1 Þ escoamento crítico.