São Paulo, 01 de junho de 2017 | Edição nº 06

 

Canal aberto de drenagem

Por: Francisco José d`Almeida Diogo - Professor do Instituto Militar de Engenharia (IME)


Um canal aberto destina-se ao escoamento final das águas pluviais, oriundas, nas cidades, do sistema inicial de drenagem, a microdrenagem. Ele pode ser natural ou artificial e este apresentar revestimento de grama ou de material artificial. Um curso d’água natural é o preferido porque propicia menor pico de descarga para jusante; requer menos manutenção e permite a criação de áreas verdes e recreativas muito necessárias. Mesmo pré-existente, para utilizá-lo é preciso um estudo complexo e projeto detalhado.

1 Amortecer cheias, abastecimento, energia, transporte, irrigação, piscicultura, microclima, esportes e turismo.

LEVANTAMENTOS E ESTUDOS PRELIMINARES

1.1 Levantamento Planialtimétrico

1) Realizar uma locação preliminar do canal para identificar a área de interesse;

2) Obter o levantamento planialtimétrico da bacia hidrográfica urbana, bacia a montante e vale receptor a jusante, de preferência na escala 1:1000 e curvas de nível a cada metro.

3) Fazer a planta cadastral da área urbanizada com representação gráfica de detalhes da região de interesse do projeto, escala preferida 1:2000 e altimetria a cada metro.

4) Identificar prováveis pontos de lançamento.

5) Levantar as seções transversais do vale receptor e de pontos notáveis de 20 em 20 m na escala 1:500.

1.2 Sondagem geotécnica

Explorar o terreno (prováveis pontos de lançamento) quanto às suas características geotécnicas registrando:

- No mínimo, uma sondagem a cada 100 m, descendo a mais de 3 m do fundo previsto;

- Classificação visual do solo por camadas;

- Gráfico da resistência à penetração a cada metro;

- Perfis geológicos dos furos de sondagem;

- Profundidade das diversas camadas perfuradas;

- Blocos de pedra ou matacões;

- Profundidade do lençol freático;

- Cota da boca do furo;

- Amostrador utilizado;

- Data de perfuração;

- Motivo do término da sondagem;

- Planta de locação das sondagens, amarrada às estacas do eixo da canalização.

1.3 Estudos hidrológicos

- Levantar as bacias de contribuição ao longo do canal;

- Obter dados e informações da vazão das galerias afluentes ao canal;

- Colher dados e informações sobre máximas e mínimas do corpo receptor.

1.4 Plano Diretor da cidade

Verificar as interferências e implicações futuras no planejamento da cidade.

2 RECOMENDAÇÕES AO ANTEPROJETO E PROJETO DE UM CANAL

Um anteprojeto é uma concepção da obra, a busca da melhor alternativa técnica, econômica e ambiental do sistema de drenagem. Envolve uma equipe multidisciplinar capaz de avaliar aspectos hidráulicos, urbanísticos, ambientais, construtivos e sociais.

2.1 Finalização dos estudos hidrológicos (no anteprojeto)

a) Tempo de recorrência:

- Em canais artificiais: 10 a 25 anos;

- Canal natural: 100 anos.

b) Calcular:

- A vazão das bacias contribuintes ao longo do canal;

- A vazão afluente de galerias;

- O nível máximo e mínimo dos corpos receptores.

2.2 Planta do canal

1) Traçado

a) Procurar respeitar o caminho dos leitos naturais;

b) Reduzir o trajeto em planta traz aumento à declividade;

c) Verificar nas curvas: perda de carga e sobre-elevação da linha d’água;

d) Projetar o menor número de curvas compatível com o modelado do terreno;

e) Usar raios de curvas grandes em velocidades altas, para reduzir sobre-elevação.

2) Espaçamento

a) Quanto maior a área a ser drenada maior a vazão e a seção molhada;

b) Aprofundar a calha aumenta a seção sem ocupar espaço superficial, altera a declividade e faz crescer o custo;

c) Ao se estender trechos de mesma geometria (seção) subemprega-se o seu início e desperdiça-se recursos. Desenham-se seções espaçadas de 20 ou 50 m.

2.3 Perfil do canal

O perfil longitudinal da calha do canal e da linha d’água são obtidos de forma iterativa, visando à compatibilidade técnica e econômica e devem atender às seguintes recomendações:

1) Levanta-se a partir de jusante, em local com características hidráulicas conhecidas;

2) O traçado deve se harmonizar com a topografia. O traçado do greide de fundo começa com tangentes, as mais extensas possíveis, passando pelo perfil natural;

3) Minimizar a terraplenagem: escavações, aterros e o encontro de rochas;

4) Preferir canais naturais, sem revestimento, conformados com drag-line, e com declividade de fundo constante.

5) Estabilizar o leito, evitando depósitos e erosões: usar degraus em declividades fortes;

6) Buscar um regime de escoamento subcrítico;

7) Atender às finalidades da obra: drenagem (reduzir ou aumentar a vazão), abastecimento, irrigação, transporte, energia, lazer, esportes, microclima, piscicultura, delimitar o leito, estabilizar margens, aproveitar terrenos marginais etc.

O estudo deve detalhar os pontos em que ocorrem mudanças de: declividade, profundidade, alinhamento e variações de seção. Os trechos de transição devem ocorrer de forma suave evitando:

1) Alterações na linha piezométrica (linha d’água em conduto livre). Caso precise alterar, o regime ou a altura d’água, isto deve ocorrer de forma gradual;

2) Depósitos e erosões.

Em desenho, deve-se representar o perfil das duas margens, do eixo do canal e ainda:

1) Declividade do fundo do canal;

2) Nível d’água no canal – profundidade Y;

3) Profundidade crítica Yc;

4) Profundidade total do canal (Y e borda livre);

5) Nível do terreno.

2.4 Seção transversal tipo

Um canal ideal é largo, pouco profundo e com escoamento lento. Busca-se uma seção hidráulica teórica mínima sem obrigatoriamente ser a mais econômica.

Para aumentar a vazão de um trecho pode-se revesti-lo ou aumentar a sua seção. O custo do revestimento é comparável ao da escavação, que depende do bota-fora do material (nas cidades, cada vez mais longe da obra).

A inclinação da parede lateral de um canal escavado deve considerar as características do solo onde ele é inserido e o tipo de seu revestimento (Tab. 2).

Tabela 2 - Inclinação recomendadas a paredes laterais de canais escavados (Chow, 1959)

2.5 Revestimentos

Quanto aos tipos de revestimento, os canais são classificados como: revestidos (não erodíveis), não revestidos (erodíveis) e gramados. A escolha depende de fatores citados na Tabela 1.

A erosão, num canal urbano, decorre mais incisivamente da velocidade (energia cinética) e profundidade do escoamento (tensão tangencial²).

²A tensão tangencial d'água sobre o terreno é proporcional à profundidade d'água.

Um critério de como revestir um canal deriva de sua largura:

a) Largura superior a 12 m:

- Não são revestidos no fundo;

- Paredes laterais sobre fundação direta, pouco profunda (não é o caso de em rocha).

b) Largura inferior a 12 m:

- Revestir o fundo (apoiará as paredes laterais);

- É usual uma estrutura em duplo “L” de concreto armado articulado no meio, com poucas ferragens até a altura de 3,5 m a 4 m;

- Fundo: inclinação 1:5 para o centro, o que faz a largura da calha ajustar-se ao valor do escoamento, facilitando a autolimpeza e a concentração dos sólidos em linha.

1) Canal revestido com material artificial

Um revestimento liso aumenta, muito, a velocidade do fluxo e, como um canal concentra os escoamentos, pode impactar seriamente a jusante da obra, o que deverá ser avaliado.

Resultados obtidos ao se revestir canais com materiais artificiais:

a) Estabilidade do leito pela proteção à erosão;

b) Protege as bordas do canal de deformações;

c) Reduz o assoreamento (superfície lisa);

d) Aumento da velocidade e disso, a capacidade (vazão) da seção (superfície lisa);

e) Ao visar maior vazão, é uma alternativa economicamente viável à escavação;

f) Impede o crescimento de vegetação e redução na capacidade do canal;

g) Diminui custos e frequência de manutenção;

h) Reduz a necessidade de dragagem/limpeza;

i) Reduz a contaminação do lençol freático pela poluição urbana (superfície lisa).

2) Canal artificial gramado

Um canal revestido com grama é adequado a baixas velocidades de escoamento, é barato e atende quesitos urbanísticos, ambientais e sociais. A reserva de áreas ribeirinhas para terrenos públicos possibilita a existência de áreas verdes, adequadas à recreação.

Para evitar processos erosivos, em pontos sensíveis de canais revestidos com grama, são indicadas proteções como da Tabela 3.

Tabela 3 – Recomendações para controle da erosão em singularidades

A Figura 2 indica seções típicas para canais gramados e a Tabela 4 apresenta critérios para o projeto.

 

Figura 2 - Exemplos de seções de canais gramados (CETESB, 1986)

Tabela 4 - Critérios para projeto de canais gramados (Adaptação: CETESB, 1986)

3) Canal natural

Um canal natural foi esculpido por séculos e encontra-se relativamente estável. Ele deve ser estudado por equipe multidisciplinar, capaz de delinear soluções às inúmeras possibilidades do recurso em atender demandas da população sem prejudicá-lo.

Esse tipo de projeto requer levantamentos batimétricos (seções transversais e declividade longitudinal) e obter dados sobre o solo do leito e das margens, para avaliar a estabilidade do canal e a viabilidade de áreas verdes adjacentes.

Canais sujeitos a enchentes constantes devem ser verificados sobre alternâncias no regime de escoamento e a suscetibilidade à erosão.

As áreas inundáveis na planície aluvial requerem ser identificadas para inibir a ocupação.

O método de cálculo da vazão e velocidade é o mesmo empregado em canais artificiais.

Na Tabela 5 constam recomendações que auxiliam nos estudos de canais naturais.

Tabela 5 – Recomendações sobre parâmetros de projeto de canais naturais

Em canal natural não se aplicam as regras de borda livre e curvatura mínima e seu projeto deve ser realizado por engenheiro muito experiente neste tipo de obra.

2.6 Pontes

Havendo a necessidade de pontes, elas não devem reduzir a seção de escoamento.

Orienta-se ao construí-las:

- Em canais estreitos: pontilhões em laje, sem vigas;

- Em canais largos: ponte estaiada ou de concreto protendido.

2.7 Pontos de lançamento

Descrever os pontos de lançamento e, se necessário, como serão estabilizados, com enrocamento de pedras e/ou dissipador de energia.

2.8 Influência do regime de escoamento no anteprojeto de canais

Para estabilizar o regime de escoamento, o número de Froude não deve estar entre 0,86 e 1,13; preferencialmente, ser inferior a 0,86; e para canais revestidos, menos que 2,00.

1) Escoamento torrencial (supercrítico ou rápido)

a) Evitar canal retilíneo;

b) Não empregar seção trapezoidal nas curvas.

c) Verificar a necessidade de armar o canal longitudinalmente e transversalmente;

d) Prevenir-se contra estrangulamento da seção transversal junto a pontes e bueiros;

e) Manter borda livre de pelo menos 60 cm ou mais de 1/3 da vazão de projeto;

f) Verificar subpressão hidrostática sobre o revestimento, produzida pelo lençol freático.

2) Escoamento fluvial (subcrítico ou tranquilo)

a) Não revestir, como regra geral;

b) Revestir se há redução de seção (estrangulamento lateral);

c) Realizar acabamento liso no concreto se a declividade é muito baixa;

d) Em trechos com declividade excessiva empregar degraus;

e) Preferir seção larga e gramada.

3 DIMENSIONAMENTO DE CANAIS

No dimensionamento de canais, o escoamento é considerado permanente e toma-se, também, como uniforme, apesar de isto ser raro. Para calcular a capacidade de vazão da seção emprega-se a equação da continuidade e, para obter a velocidade média do fluxo, a fórmula de Chézy com o coeficiente de Manning (Eq.1), publicado em inúmeras tabelas.

V = (R⅔ x I½) / n

Onde:

V – velocidade média do fluxo (m/s);

R – raio hidráulico (m);

I – declividade do fundo do canal (m/m);

n – coeficiente de rugosidade de Manning (adimensional).

Tabela 6 – Coeficiente de Manning para canal revestido em concreto (CETESB, 1986)

Tabela 7 – Coeficiente de Manning em canal reto sem árvores ou arbustos (CETESB, 1986)

A Equação da Continuidade (Eq. 2) é utilizada para calcular a capacidade:

Q = V x S

Onde:

Q – capacidade de vazão (m³/s);

S – seção do canal (m²)

V – velocidade média (m/s)

3.1 Dimensionamento no regime fluvial (subcrítico)

Quando a declividade do canal é inferior à crítica, caracterizando o regime fluvial, o dimensionamento será obtido da combinação das Equações 1 e 2:

Q = (S x R⅔ x I½) / n

Figura 3 - Parâmetros da seção de um canal

A forma trapezoidal passa a celular para inclinação da parede do canal nula (z=0).

Da Equação 3 e dos parâmetros da Figura 3 obtém-se a Equação 4. Nela, tem-se, à esquerda, os parâmetros específicos de um caso, das circunstâncias locais (Q e I) e de escolha (n e b), e, do lado direito, os exclusivos da seção molhada do canal. Uma forma eficiente de trabalho é separar o que é específico do referente à seção, este, usado para preparar tabelas (como a Tab. 8), o que facilita avaliar a seção de um canal.

Assim, tendo: uma previsão de base b, a declividade longitudinal I, o coeficiente de rugosidade n e a vazão solicitante Q; é possível simular, em planilha eletrônica, diferentes inclinações de parede de canal z e obter a profundidade normal y ou a mudança da profundidade, ao se alterar o revestimento do canal n.

Tabela 8 – Elementos de cálculo das profundidades normais de canais trapezoidais

3.2 Dimensionamento no regime torrencial (supercrítico)

Para uma mesma vazão, a seção molhada do regime crítico é maior que uma do supercrítico (torrencial). Dessa forma, o dimensionamento da seção para o regime torrencial é feito segundo a seção crítica. Como no crítico, a altura cinética (Vc²/2g) é igual à metade da profundidade hidráulica crítica (yc/2), isto é:

Vc² / 2g = yc / 2

E como V = Q/S, tem-se:

Da Equação 6, têm-se: a profundidade crítica para uma vazão é única; o fator de seção , facilita o cálculo da profundidade crítica e se obtém a vazão crítica ao multiplicar o fator de seção por . Da Equação 6 e dos parâmetros da Figura 3 obtém-se a Equação 7.

Onde:

b – largura da base do canal (m);

yc – profundidade crítica (m);

z – inclinação da parede do canal (m/m).

A Equação 7, do regime crítico, usada para dimensionar o supercrítico (torrencial), está em função de yc/b, o que permite montar a Tabela 9 para uso similar ao da Tabela 8.

Tabela 9 – Elementos de cálculo das profundidades críticas de canais trapezoidais

CONTINUA 3.3 Dimensionamento da Borda Livre

Ao longo de um canal, deve-se avaliar pontos críticos ao transbordamento, adotando maior ou menor rigor, dependendo da incerteza ou risco associados a essa ocorrência. Dois critérios de cálculo são os mais empregados e são mostrados a seguir.

1) Critério de Denver, Colorado, EUA (Urban Storm Drainage Criteria Manual):

Para regime torrencial e um período de retorno de 100 anos.

B = 0,61 + 0,0372 × V × y⅓

Onde:

BL – valor da borda livre (m);

V – velocidade média na seção (m/s);

y – profundidade de escoamento para a vazão de projeto (m).

2) Critério do U.S. Bureau of Reclamation (USBR), U.S. Department of the Interior:

BL = (a × y)⁰⁵

Onde:

BL – valor da borda livre (m);

a – adimensional (Tab. 10);

y – profundidade de escoamento (m).

A Tabela 10 apresenta os valores de a da Equação 9 para diferentes situações.

Tabela 10 – Valores recomendados de “a” para cálculo de BL

Nos canais que despejam em cursos d’água maiores ou no mar deverá ser verificado o remanso devido às cheias e marés e disso, a borda livre e as velocidades admissíveis.

3.4 Dimensionamento de Degrau Figura

Na Figura 4 são observadas três seções: (0) referente ao espelho do degrau, (1) do ponto de contato da veia d’água com o piso inferior e (2) fim do ressalto hidráulico.

Considera-se que:

Onde:

y e y2 – alturas d’água normais no regime fluvial (subcrítico), antes e após o degrau (m)

y0 – tirante d’água sobre o espelho do degrau.

Roteiro para obter a altura do degrau “d” em um canal:

1 – Na seção (0), a velocidade V0 e o tirante y0 são conhecidos e então calcula-se y1 pela expressão:

20 – Obtido y1, calcula-se V1 = Q / (b.y1)

30 – Com y0; V0 e V1 obtém-se a altura do degrau pela expressão:

Com a altura do degrau d e o Número de Queda D pode-se levantar o restante da geometria do fluxo d’água no degrau como segue:

Onde:

D – número de queda;

d – altura do degrau (m);

b – largura no fundo do canal (m);

q – vazão específica (m³/s.m).

Distância do espelho do degrau ao ponto de contato da veia d’água com o piso inferior.

Altura d’água junto ao espelho.

A extensão do ressalto L2 é obtida por:

L2=6,9 (Y2-Y1)

3.5 Curva de canal

1) Canais revestidos

Para minimizar os efeitos de turbulência, ondas superficiais, transversais, em canais revestidos nos regimes supercríticos pode-se aplicar a seguinte expressão:

rc = 3.b

Onde:

rc – raio em relação ao eixo (m);

b – largura da superfície do canal (m).

2) Canais sem revestimento

Onde:

rE – raio externo da curva (m);

S – seção transversal do canal (m2).

3) Pela Rio-Águas, o valor do raio da curva depende do número de Froude.

Onde:

rcmin – raio de curva mínimo (m);

b – largura da superfície do canal (m);

V – velocidade média na seção (m/s);

y – tirante hidráulico(m)

3.6 Superelevação em canais

Em relação à borda livre, devem-se acrescer as ondulações de superfície e, nas mudanças de direção, a sobre-elevação pelo efeito das curvas horizontais. Em seções fechadas a borda livre merece especial atenção, pois o afogamento do conduto produz uma brusca redução da capacidade da seção. Nos casos convencionais de projeto, com período de retorno de 25 anos, deve-se verificar a linha piezométrica abaixo dos níveis dos terrenos laterais para 100 anos.

A superelevação em curvas de canais pode ser calculada pela expressão:

A Rio-Águas adota a seguinte expressão para superelevação em curvas:

Onde:

hse = altura adicional requerida (m);

V = velocidade média (m/s);

rc = raio de curvatura (m);

b = largura do canal (m);

g = aceleração da gravidade (9,81 m/s2).

 

Referências bibliográficas

1. Drenagem urbana : manual de projeto. – 3. Ed. – São Paulo : CETESB / 3. Ed. /ASCETESB, 1986

2. FENDRICH, R. Drenagem e Controle da Erosão Urbana. Curitiba: Champagnat, 4º edição, 1997

 

Artigo publicado na Revista Pavimentação n° 42 out/dez 2016.