Hidrogramas TR 25 anos
REVESTIMENTO DO CONDUTOR OU COBERTURA
9. PROJETO DE BUEIROS
9.3 Projeto de Bueiros
O projeto de bueiros, na sua parte hidráulica, ainda hoje é resolvido de maneira bastante satisfatória, na grande maioria dos projetos de rodovias, através da metodologia contida nos trabalhos “Hydraulic Charts for Selection of Highway Culverts”, e “Capacity for the Hydraulic Design of Highway Culverts”, do U.S. Bureau of Public Roads. (ver REFERÊNCIAS).
Em nosso meio o uso desses trabalhos é tradicional, tendo originado um importante detalhamento em português, orientado para a realização de projetos, “Manual de Drenagem de Rodovias”, do DNER (vide REFERÊNCIAS).
Reproduzem-se a seguir as linhas fundamentais de procedimentos, contidas no trabalho citado, com a introdução de algumas modificações, decorrentes das recomendações contidas na “Norma de Projeto de Drenagem”, do DER (REFERÊNCIAS).
O trabalho do U.S. Bureau of Public Roads parte da premissa de que, no caso dos bueiros, normalmente, não há inconveniente no represamento ou aumento da profundidade do curso d’água a montante da obra, se essa detenção não atingir cotas que impliquem danos a terceiros ou interferência ambiental.
A partir desta orientação o Bureau dividiu os bueiros, quanto ao fluxo, em dois tipos, já vistos e comentados:
• com controle de entrada;
• com controle de saída.
Controle de entrada
Controle de entrada significa que a capacidade de descarga do bueiro é controlada em sua entrada, pela profundidade de água represada a montante (Hw), pela
geometria da boca de entrada e pela seção transversal do conduto.
A profundidade da água represada, Hw, é a distância vertical da soleira do bueiro à
“linha de energia” na sua entrada. Devido às baixas velocidades geralmente verificadas na maioria dos represamentos, a superfície da água e a “linha de energia” na boca de montante dos bueiros são supostas coincidentes.
As relações represamento/diâmetro do bueiro (Hw/D) para vários tipos de bueiros
circulares e em arco, com controle de entrada, foram obtidas através de pesquisas em modelos nos laboratórios e verificadas, em alguns casos, em protótipos.
Essas pesquisas serviram de base para a elaboração de nomogramas que permitem determinar a capacidade dos bueiros com controle de entrada. Eles dão a altura da água represada (Hw), que é o elemento que deve limitar a capacidade da obra. Em
outras palavras: o bueiro com controle de entrada deve ter seção transversal mínima e condições de boca que lhe permitam escoar a vazão desejada com o máximo de represamento permitido pelo projeto.
O DER estabelece que para a vazão de dimensionamento com TR = 50 anos, não havendo problemas ambientais, para bueiros tubulares com D ≤ 1,5 m, Hw/D ≤ 1,2
m. Para todos os outros tipos de bueiro Hw/D ≤1,0 m, vide “Norma de Projeto de
Drenagem” – DER (REFERÊNCIAS).
Controle de saída
O escoamento de bueiros com controle de saída pode ocorrer com o conduto cheio, ou parcialmente cheio, em parte o u em todo o seu comprimento.
Se toda a seção transversal do bueiro está cheia diz-se que o bueiro está trabalhando a seção plena, conforme figuras 9.3.1a e 9.3.1b. Nas figuras 9.3.1c e 9.3.1d os bueiros estão fluindo à seção parcialmente cheia com controle de saída. Os procedimentos da Circular n° 5 (ver REFERÊNCIAS) fornecem os métodos para a determinação precisa da profundidade da água na entrada para as condições de escoamento mostradas nas figuras a, b e c. Para o caso indicado pela figura d a precisão do método diminui, sendo aceitável para lâmina d’água até o valor de 0,75 D.
O DER tem adotado as mesmas relações entre Hw e o diâmetro D (ou altura) do
bueiro relativas ao controle de entrada.
A carga H, necessária para escoar uma certa quantidade d’água através de um bueiro, enchendo-o completamente em todo seu comprimento, é constituída por três parcelas importantes. Essas parcelas, usualmente expressas em metros de altura d’água são: a carga responsável pela velocidade HV, a necessária para vencer as
resistências de entrada, He , e as de atrito, ao longo do corpo do bueiro, Hf.
A energia a ser gasta, que provém da água represada a montante, é expressa pela equação:
Considerando-se bueiros descarregando à plena seção e usando-se as definições de carga cinética e perda de carga na entrada, bem como a equação de Manning, substituindo-se os valores de HV, He e Hf na equação, obtém-se:
g V L n g K H
R
H e 2 2 1 2 33 1 2 ⋅ + + × × = , (9.3.2) onde:n : Coeficiente de rugosidade de Manning; L : Comprimento do corpo do bueiro (m);
V : Velocidade média do fluxo no corpo do bueiro (m/s); g : Aceleração da gravidade (m/s2);
RH : Raio hidráulico (m);
Ke: Coeficiente de perda de carga localizada à entrada do bueiro.
A equação (9.3.1.2) pode ser resolvida facilmente com auxílio dos nomogramas de 8 a 14 adiante. Cada um deles diz respeito a uma particular seção transversal do corpo do bueiro e a um valor do coeficiente n, para bueiro descarregando a plena seção.
A questão a ser enfrentada então é a procura de Hw, ou seja, da altura da água a
montante, porque é ela que vai definir o projeto do bueiro, permitindo-lhe a dimensão mínima, desde que a lâmina d’água se enquadre nas imposições do projeto.
Sobre dimensões mínimas de bueiros, recomenda-se a observação da “Norma de Projeto de Drenagem” – DER (REFERÊNCIAS).
Quando o nível d’água a jusante do bueiro submerge sua boca de jusante ou quando o bueiro flui na boca de saída a seção plena, nos casos de controle de saída, a perda de carga H é contada a partir da altura d’água na boca de jusante sendo H a diferença entre esse nível e o de montante, por exemplo, figura 9.3.1b.
Quando a altura d’água na boca de saída é inferior à altura do bueiro, figuras 9.3.1c e d, o caso requer o recurso do traçado das curvas de remanso para as situações que exigem rigor nas soluções. Para os casos comuns da prática, porém, é possível se chegar a soluções aceitáveis, de forma mais simples, como se verá a seguir.
a) b) c) A d) Hw H Hw Hw GRAD. HIDR. H Hw H Figura 9.3.1 a,b,c e d Controle de Saída
A altura da água represada Hw pode ser expressa por uma só equação, para todos
os casos de controle a jusante, incluindo todas as alturas de saída d’água (Tw),
Hw = H + ho – L x Io (9.3.3)
onde L é o comprimento do bueiro e Io a sua declividade em m/m.
Dessa forma, quando o nível d’água na saída está acima da crista do bueiro, figura 9.3.1a, obtém-se a altura do represamento a montante (Hw), somando-se H ao nível
d’água na saída (Tw), onde ho é igual à profundidade da água na saída, e também a
perda de carga L x Io.
Se o nível d’água na saída está abaixo da crista do bueiro na boca de jusante, figuras 9.3.1b, c e d, é mais difícil de determinar ho, uma vez que devem ser levadas
em consideração a descarga, as dimensões e forma do bueiro e a profundidade da água na saída (Tw). Neste caso, ho é o maior dos dois valores:
• a profundidade Tw na saída, ou
• o valor
2
D dc+
Tw é a distância vertical desde a soleira à linha piezométrica equivalente e dc é a
profundidade crítica, extraída dos nomogramas 15 a 19, sendo D o diâmetro ou altura do bueiro.
Figura 9.3.1e Controle de Saída Hw H L ho dc Tw D L x Io L - comprimento do bueiro (m); io - declividade do bueiro (m/m);
H - obtido através de nomograma, de acordo com o tipo de material de que é constituído o bueiro e sua seção transversal (m);
Hw - profundidade hidráulica a montante do bueiro (m);
D - diâmetro ou altura do bueiro (m);
d - profundidade do fluxo de descarga (m); dc - profundidade crítica (m).
Profundidade da água na saída (Tw)
Tw pode ser controlado por uma obstrução na saída, por níveis d’água de outros
cursos ou por influência de marés.
Na maioria das vezes, entretanto, os canais naturais de saída são relativamente largos em comparação com os bueiros, e a profundidade da água (Tw) é
consideravelmente menor que a profundidade crítica, não influindo no cálculo da altura d’água a montante Hw.
Todavia, sendo necessário efetuar os cálculos e tendo o canal de saída seção transversal, declividade e rugosidade razoavelmente uniformes, pode-se determinar aproximadamente a profundidade do fluxo do canal de saída pela fórmula de Manning.
Se Tw for influenciado pelo nível d’água de outros cursos, ou marés, recomenda-se a
realização de curvas de remanso, por algum método viável com os dados disponíveis.
Velocidade do fluxo
A velocidade da água no corpo dos bueiros é superior à dos canais naturais. Por isso, pode haver necessidade, muitas vezes, do uso de dissipadores de energia no canal de descarga.
A velocidade na saída do bueiro deve ser comparada com a velocidade máxima do canal natural, para definir a necessidade de proteção à saída do canal.
É importante obter dados do solo da área e de obras semelhantes, de forma a se adequar soluções de dissipação de energia.
9.3.2. Procedimento para escolha das dimensões dos bueiros
I. Reunir os elementos necessários ao projeto, que são os seguintes:
a) vazão Q de projeto, em m3/s, para os tempos de recorrência exigidos; b) comprimento L aproximado do bueiro em m;
c) declividade definida do bueiro, em m/m,
d) altura permissível de represamento na entrada, Hw, em m;
e) velocidade média e máxima das águas no talvegue para as vazões de projeto, em m/s;
f) características do bueiro para a 1a tentativa, incluindo seção transversal e tipo de boca de montante.
II. Usar na primeira tentativa para seleção das dimensões da seção transversal do bueiro um dos seguintes critérios:
1) seleção arbitrária;