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maio/2001 1
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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ProjetoProjeto de de Canais Canais e e Reservatórios Reservatórios de de Retenção para Drenagem Urbana Retenção para Drenagem Urbana
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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ProjetoProjeto de de Canais Canais e e Reservatórios Reservatórios de de Retenção para Drenagem Urbana Retenção para Drenagem Urbana
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)