arturo martins fadiga-projeto de canais

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ProjetoProjeto de de Canais Canais e e Reservatórios Reservatórios de de Retenção para Drenagem Urbana Retenção para Drenagem Urbana

PROJETO DE CANAISPROJETO DE CANAIS

Francisco Martins Fadiga Jr.São Paulo, 17 de maio de 2001

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Tópicos

• Planejamento e arranjo geral das obras de canais

• Dimensionamento hidráulico de canais. Critérios.

• Revestimento e proteção de margens e fundo.

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• Open Channel Hydraulics VEN TE CHOW

• Open Channel Hydraulics FRENCH

• Drenagem urbana ABRH

• Diretrizes para Drenagem Urbana PMSP

• Hidráulica Básica Rodrigo de Melo Porto-EESC

Bibliografia recomendada

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Canalizações:

•Direcionamento do curso d’água por meio deobras artificiais.

Finalidades:

•delimitar o leito,

•proteger as margens contra inundações ouerosão,

•recuperar terrenos

•aumentar o NA

•etc.

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Tipos:

•Revestidos ou não erodíveis.

•Não revestidos ou erodíveis

•Gramados

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Critérios:

•Planta

Traçado

Espaçamento

•Perfil

Declividade Longitudinal

•Seção Transversal

Tipo

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Traçado:

•Procurar respeitar o caminhamento dos leitosnaturais

•A diminuição do trajeto em planta provocaum aumento na declividade

•Curvas perda de carga

sobrelevação da linha d’água

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Espaçamento:

•Aumento da área de contribuição

aumento da vazão

•Aprofundamento da calha

aumento do custo

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Perfil:

•Compatibilização com a topografia

•Finalidade: drenagem, abastecimento etc.

•Regime de escoamento

•Estabilidade do Leito

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Seção Transversal:

•Seção hidráulica “ideal”representada pela mínima área para conduzir umadeterminada vazão

não necessariamente é a mais econômica

1. aumento na escavação

2. custo do revestimento é comparável ao da escavação

3. custo da escavação depende da destinação domaterial

4. a declividade não é totalmente definida pela topografia

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Elementos Geométricos dos Canais

A → área molhada ou área da seçãotransversal do escoamentop → perímetro molhado é o comprimentoda fronteira sólida do conduto em contadocom o fluidoRh → relação entre área e perímetroMolhadoY0 → altura d’água ou profundidade localB → largura na superfície do escoamento

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Tipos de escoamento:

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Número de Froude Classificação do EscoamentoFr<1 Escoamento lento ou fluvialFr=1 Escoamento CríticoFr>1 Escoamento rápido ou torrencial

Número de Froude:

Relação entre as forças de inércia e as forças viscosas do escoamento.

gyVFr =

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Resistência ao escoamento:

Equação de Chèzy:

Q = vazãoA = área da seção transversalRh = raio hidráulico = A/pI0 = declividade do canal

0IRCAQ h=

C = coeficiente de resistênciaManning 6/11

hRnC =

Universal

==

εhRg

fgC

84.14log288

Relação Manning xUniversal

6/1039,0 ε=n

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Elementos das seções transversais:

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Valores de n para vários tipos de canais:

n (Manning) Descrição da superfície0,013 Peças monolíticas moldadas em forma de aço resinado, sem

irregularidades superficiais. Condutos moldados in-situ comformas infláveis.

0,013-0,015 Concreto muito liso, plastificado ou queimado a colher, com juntase cantos acabados a mão.

0,015 Concreto moldado in-situ em formas lubrificadas, com juntas ecantos alisados a colher.

0,014-0,018 Concreto moldado em formas de aço deslizantes com cantosarredondados, condutos de cerâmica vitrificada com juntaspreenchidas.

0,016 Concreto moldado em formas rugosas com acabamento a mão emcimento.

0,015-0,017 Tubos curtos de concreto com diâmetros pequenos , semacabamento especial das juntas.

0,018 Canais retilíneos em concreto projetado, bem acabado.0,020-0,022 Canais em concreto projetado rugoso.0,022 Alvenaria de pedras.0,035 Gabiões de pedra com tela de arame.0,024-0,025 Pedras lançadas.

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Material Inclinação dos taludes H:VRocha 0:1Solos pedregosos 0,25:1Canais em terra revestidos de concreto 0,5:1 a 1:1Argila resistente e compacta 1,5:1Solos argilo-arenosos 2:1Solos arenosos, argilosos de altaporosidade

3:1

Inclinação recomendada para os taludes de canais escavados:

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Dimensionamento de canais revestidos:

•Permitir escoamento a altas velocidades entre pontos dedifícil escavação de forma economicamente viável

•Permitir o escoamento a altas velocidades com custoreduzido de construção

•Reduzir a infiltração através das margens: preserva a águae a estabilidade da margem

•Reduzir o custo de manutenção

•Assegurar a estabilidade da seção transversal

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Passo Descrição1 Estimar o valor do n de Manning dependendo do revestimento2 Planilha de cálculo3 Verificar a velocidade mínima para evitar deposição no fundo ou o

crescimento de vegetação4 Verificação quanto à borda livre

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Dimensionamento de canais não revestidos:

Garantia da estabilidade das margens

força trativa unitária: 0max 75,0 IgRhρτ =

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Distribuição de velocidade em seções típicas nos canais (Chow, 1973)

Distribuição das Tensões de Arraste no fundo e taludes de um canal

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Diagrama de Shields:

50

,2

*

)( DgDV

S

fl

γγτ−

==Ψ Re* *= V Dν

τρl f gRS V,

*= =0

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Fundoτ αl f

sWA, tan( )=

Margemτ θ α θ

αl tsWA, cos tan tan

tan= −1

2

2

K l f

l t

= = −ττ

θ θα

,

,

cos tantan

12

2

α=ângulo de repouso do materialθ=ângulo do talude

Relação entre margem e fundo:

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Grau de Sinuosidade Fator Multiplicativo da Força Trativa UnitáriaCanais Retilíneos 1.00

Canais pouco sinuosos 0.90

Canais moderadamente sinuosos 0.75Canais muito sinuosos 0.60

Redução da tensão trativa limite de acordo com a sinuosidade(Lane, 1955):

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

0.01 0.1 1 10

D iâ m e tro d a s p a rtíc u la s (m m )

Muito Angula r

Mode ra da me nte Anguloso

Pouc o Anguloso

Pouc o Arre donda do

Mode ra da me nte Arre donda do

Muito Arre donda do

Ângulo de repouso das partículas para materiais não coesivos

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Passo Atividade

1 Determinar os valores de n (rugosidade), declividade, ângulo de repouso domaterial, vazão de dimensionamento e angulo de inclinação dos taludes

2 Estimar a sinuosidade a partir da topografia para correção da tensão trativaunitária

3Calcular a tensão trativa unitária atuando no fundo através de

0max Syf

⋅⋅= γτ

4

Admitir um diâmetro característico para o material. Determinar a tensãotrativa limite para o fundo a partir do diagrama de Shields. Corrigir emfunção da sinuosidade e da forma da seção. Determinar a tensão trativalimite nos taludes calculando o coeficiente K.

5Determinar o diâmetro característico através da expressão de Shields para

o fundo e talude 50

,2

*

)( DgDV

S

fl

γγτ−

==Ψ

5 Comparar com o diâmetro de material admitido inicialmente e repetir oprocedimento caso necessário.

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Borda Livre:

( ) 2/1ayBL = U.S Bureau of Reclamation

1,5<=a<=2,5 p/ 0,57m3/s<=Q<=85m3/s

3/1037,0608,0 VyBL +=(supercrítico)

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No. Seções 7No. Subdivisões 30No. Máx Iterações 2000Colerância de Cálculo 0.001Condição de Contorno de Montante mCondição de Contorno de 101 m

Seção Progressiva Cota Fundo Tipo B H ou V Manning Vazãoa 0 100 R 15 5 0.015 50b 100 99.8 R 15 5 0.015 50c 200 99.6 R 15 5 0.015 50d 300 99.4 R 13 5 0.015 50e 400 99.4 R 15 5 0.015 50f 500 99.5 r 15 5 0.015 50g 600 99.6 r 15 5 0.015 50

Calculo da Linha d'Agua em Canais

99

99.5

100

100.5

101

101.5

102

0 100 200 300 400 500 600 700

Cota FundoProf. NormalProf. CríticaY

Cot

a (m

)

Progressiva (m)

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Revestimento e proteção de margens e fundo:

Externas (hidráulicas) Escoamento velocidade, tensão de arraste etc.Ondas vento, barco etcHélice

Internas (Geotécnico) Características do soloPercolação estabilidade (saturação)

Arraste de finos

Conseqüências

Causas

Movimentação do leito em plantaPerdas dos terrenos marginaisAssoreamento (diminuição da profundidade)

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Objetivos Principais Exemplos Específicosevitar a erosão das margens com perda dematerial e dados aos terrenos adjacentes

proteção de portos, ancoradouros e acesso àeclusas

melhorar o alinhamento do fluxo, manter aforma da seção transversal

proteção de pistas de tráfego junto àsmargens, pontes, encontros e acessos

contribuir com a estabilidade geotécnica proteção de tomadas d’água e estruturas dedescarga

contribuir com a manutenção, aspectosvisuais e paisagísticos, limpeza e etc.

proteção de propriedades às margens docurso d’água

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Dimensionamento da proteção:

Estabilidade geotécnica

Talude (α)<ϕ (ângulo de equilíbrio do mat. Submerso)

Retenção de finos por meio de filtro

Estabilidade Hidráulica Definir a proteção da camada superiorNecessidade de camada de transição (filtro)Efeito da turbulência (escoamento no contatorevestimento – base)

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DIRETAS OU CONTÍNUAS INDIRETA OUDESCONTÍNUA

apoiadas ou executadas diretamente no taludedas margens

obras construídas a umacerta distância da margempara desviar as correntes eprovocar a decantação dematerial sólido transportadopela água

redução do ângulo de talude, revestimento dasmargens com pedregulhos, cascalhos, pedrasbritadas vegetação, revestimento asfáltico,enrocamento com pedras lançadas, gabiões,cortinas continuas e muros

espigões e diques

Classificação:

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PROTEÇAO DIRETA PROTEÇÃO INDIRETA

não há diminuição da área hidráulica dorio

normalmente mais eficientesmaior garantia da fixação definitiva dasmargens

normalmente mais econômicascustos da manutenção diminuem no tempodestruição em um trecho da obra nãopõe em perigo todo o restopodem ser construídas por etapasa retenção de sedimentos proporcionauma proteção adicional

construção mais complicada e precisaencarecendo a obra

necessidade de manutenção cuidadosapara não se colocar em perigo todaproteção

menos eficazes e de menor garantiadiminuem a área hidráulicaaumentam a rugosidade das margensproduzem perdas de carga adicionaisnão são aconselhadas para raiosmenores ou iguais a duas vezes alargura do curso d'águaPodem não fixar a margem entre elas

Comparação entre os tipos de proteção:

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lançadoenrocamento arrumadogabião mantaelementos de concretoarticuladoselementos de madeira

colchões

elementos plásticosbolsas de concretobolsas de solocimentobolsas de argamassa

enrocamentosintético

blocos pré-fabricadosgramíneasvegetação plantas semi-aquáticascaixagabiões sacopneus usados

Flexíveis

outras troncos de árvore lançadospainéis armadosgabiões revestidosmuros de gravidadepainéis pré-moldadisblocos pré-fabricados

concreto

paredes diafragmaargamassadoenrocamento com injeção de consolidação

pedra argamassada/alvenaria de pedrasmadeira

Revestimentos(proteções contínuas)

Rígidos

cercas metálicaslançado

enrocamento enrocamento com pilares deconcreto ou madeirabolsas de concreto, solo-cimentoe argamassa

Flexíveisenrocamentosintético blocos pré-moldados

muros de gravidade

Diques ouEspigões

(Proteções nãocontínuas)

Rígidos concretomuros de concreto armado

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• Causas da erosão devido à instabilidade geotécnicados taludes

a) Diminuição do angulo natural de equilíbrio

b) rompimento generalizado da margem

c) ‘piping’ ou retro erosão

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Proteções Contínuas:

1. Revestimentos Flexíveis

•taludamento das margens quando o revestimento não tem funçãoestrutural, para inclinações da ordem de 1V:2H ou 1V:4H, garantindo aestabilidade em função das características geotécnicas do materialcomponente;•revestimento deve ser poroso e drenante de forma a permitir o alívio depressões oriundas do fluxo d’água através do maciço componente dasmargens;•uso obrigatório de filtros no contato entre o revestimento e o materialoriginal, composto de material granu7lar ou sintético, impedindo a perdade material tanto por ação da velocidade como por retro erosão;•como a erosão no pé dos taludes de margens é a causa principal dainstabilização, atenção especial deve ser tomada quanto à proteçãodestes pontos, com o prolongamento dos revestimentos para o interior doescoamento ou aplicação de material de proteção do revestimento.

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1.1. Enrocamento:

Enrocamento granítico utilizado comoproteção de margem de canal de aduçãode água. Sistema Alto Tietê

Enrocamento arrumado utilizado comoproteção contra a ação de ondas

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Item Fonte CritérioD<25%Dmaior

D>2,5 a 3 Dmenor

D50≅2D20

Dmax≅2D50

USBR

nenhum bloco com Dmaior≥ 3DmenorDmax = 2 a 5 D50U.S Corp of

Engineers Dmax < 16 D15

3 D50 → 100%2 D50 → 80%

Graduação dosBlocos

Depart. EstradasUSA

0,1 D50 → não exceder 10%mínima 2 D50Espessura da

Camada base do talude 3 D50

Proteção do pé dotalude avaliar a evolução do fundo

5 < D15 filtro / D15 base < 40D15 filtro / D85 base ≤ 5Transição ou Filtro

U.S Corp ofEngineers

D50 filtro / D50 base ≤ 25e ≥ 10 cmEspessura das

camadas Para D50 ≥ 5 cm → 2 D50

Escoamento 0,50 a 1,00 mBorda Livre daProteção Ondas 1,5 H

Disposição e Detalhes Construtivos:

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Transição e Filtros:

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Aplicação Típica de geotextil comenrocamento e transição

Aplicação doenrocamentosobre o geotextilsubmerso

Geotêxteis:

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Proteção de Pé:

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1.2. Colchões:Colchões são conjuntos de elementos de revestimento, articulados ou não, queapresentam uma grande resistência à ação de ondas e correntes em função deseu funcionamento em conjunto

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1.3. Mantas:

Mantas são elementos contínuos, aplicados aos taludes dos canais com a finalidade daaumentar a resistência. Geralmente são associadas à consolidação com vegetação,predrisco asfáltico e solocimento.

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Manta de Proteção tipo GeoWEB

GeoWEB

Manta formada de elementos losangulares de material geosintético que aumenta aresistência do solo natural à ação do escoamento através do confinamento de materialde preenchimento. A resistência pode ser aumentada com a associação doconfinamento à fixação da vegetação

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Exemplo de Aplicação do GeoWEB com concreto

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Geomanta Enkamat

Manta geosintética destinada à proteção do solo fino contra a ação da água através dacriação de condições para a fixação da vegetação. A manta é formada por filamentos depoliamida aleatoriamente dispostos, formando um colchão tridimensional queinicialmente protege o solo contra a erosão e num segundo estágio, atua de formapermanente como reforço da camada vegetal.

Funcionamento da Geomanta Enkamat

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Exemplo de Aplicação do Enkamat

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Enquadram-se nesta categoria de revestimentos as proteções feitas de bolsaspreenchidas com materiais diversos, como areia, concreto, argamassa e solocimento

1.4. Enrocamentos Sintéticos:

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A proteção é obtida a partir da montagem de sacos plásticos preenchidos com concreto.Apresenta a vantagem de poder ser executado submerso. A resistência é obtida após acura do concreto, sendo que o material plástico se desfaz com o tempo. Esterevestimento está na interface entre os flexíveis e os rígidos sendo também aproveitadopara obras transversais como os espigões.

Bolsacreto:

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Sacos de material plástico ou textil preenchidos com argamassa de solocimento. Ossacos de solo cimento são dispostos junto a margem de forma inclinada,acompanhando o talude. Este revestimento, da mesma forma que o bolsacreto, tambémsitua-se na interface entre os rígidos e flexíveis pois confere certa resistência estruturalao talude.

Solocimento:

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Revestimento Típico feito em sacos de solo cimento

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1.5. Gabiões Caixa:

Os gabiões tipo caixa são constituídos de tela de arame revestido ou não preenchidos com pedras. Sãomuito empregados, na forma de muros, para a associação entre a resistência hidráulica e a estabilidadegeotécnica das margens.

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Revestimento de contenção emmargem com gabião manta no pé

Revestimento combinado degabião caixa e colchão

Proteção de gabião no encontro depontes

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Apoiados sobre o terreno, estas placas são impermeáveis, devendo para tanto serprevistos drenos horizontais para alívio das pressões de água.

2.1. Painéis de Concreto Armado:2. Revestimentos Rígidos

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Elementos estruturais para contenção, geralmente de margens verticais, que funcionamtambém como revestimento.

2.2. Cortinas Atirantadas:

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2.3. Muros de Gravidade:

Se assemelham às cortinas atirantadas em termos de revestimento, sendo que suaresistência é função do peso próprio.

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São empregadas como revestimento devido à sua resistência e durabilidade. Especialatenção deve ser dada à fundação e estabilidade ao escorregamento, no contato entreo revestimento e o solo.

2.2. Placas Pré-moldadas de Concreto:

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Estas obras destinam-se a afastar a corrente das margens a serem protegidas, criandoinclusive condições para a formação de depósitos de sedimentos que tendem aaumentar a proteção com o tempo e reduzir a necessidade de manutenção.

O exemplo mais clássico de aplicação de proteções descontínuas está no uso deespigões para proteção das margens côncavas dos cursos d’água naturais, queapresentam erosões devido ao efeito das correntes rotacionais.

As proteções descontínuas podem ser do tipo espigões, quando transversais à margem,ou diques, quando paralela ao alinhamento do canal.

Proteções Descontínuas:

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Proteção Clássica com espigões derepulsão e sedimentação nas margenscôncavas de um rio (Petersen, 1981)

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Ancoragem ouenraizamento

Parte do espigão que se une a margem e que deve ser perfeitamenteancorada à antiga margem a fim de evitar sua destruição caso sejacontornada pelas águas durante a enchente

Frente Parte do espigão voltada para montante do rio, com um talude quevaria de 1:1 a 1:3

Costa Parte do espigão voltada para jusante do rio, que deve ter umadeclividade suave senão a inclinação produz um desgaste no pé daface de jusante. 0 talude varia, de acordo com o material empregadoe as condições locais, em torno de 1:3

Cabeça É a ponta do espigão, com um talude que vai de 1:4 a 1:5, até 1:10ou 1:20. É uma parte muito sujeita a ação das correntes, e por issodeve ser construída a prova de erosões. Se a cabeça do espigãopermanece por debaixo do nível de estiagem, chama-se "banhado".

Crista E uma espécie de plataforma na parte superior do espigão, comlargura variando de 1 a 3,5 m. Se a crista está abaixo do nível deestiagem se diz que o espigão é submerso

Espigões:

Efeitos do Espigão:•Afastamento das correntes velozes•Se houver transporte sólido significativo haverá assoreamento entre os espigões.

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RecomendaçõesEspaçamento=2,5 a 4 LT (em curvas)Espaçamento=5 a 6 LT (em retas)LT=comprimento de trabalho

Em curvas onde R<2,5B não se recomenda a utilização de espigões

Material: Bastante graduado

D10=0,5D50D90=2,0D50D50=f(V)

Base: critério de filtro

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Espigões com bolsacreto, Rio Mogi-Guaçu, SP

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Espigões de proteção da margemcôncava de rio em gabião tipo saco

Espigões em gabião tipo caixa

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Diques:

Vantagens Desvantagensfixação definitiva do novo traçado já naimplantação

Requer projeto cuidadoso, a manutençãodeve ser cuidadosa e contínua

menores perdas de carga – sem reduçãoda área da seção transversal

exige maiores cuidados para definiçãodas proteções

proteção contra ondas independente daresistência do talude da margem

consomem maior volume de material

Pode ser utilizado em raios curtos Complexidade de construçãopode sofrer destruição total no caso deuma falha pontual

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Diques laterais em cerca de madeira(Petersen,1981)

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