5.3 Dimensionamento do Vertedor de Emergência de Vegetação
5.3.2 Segunda Etapa de Dimensionamento
Esta etapa do dimensionamento se refere à escolha da cobertura vegetal mais adequada às condições climáticas do local e com características que protejam os canais e retardem o escoamento das cheias que o vertedor irá descarregar. O retardamento do escoamento nos canais do vertedor é representado pelo valor do coeficiente de rugosidade da fórmula de “Manning” (n), que depende do tipo de cobertura a ser utilizada.
Segundo TEMPLE (1987) a resistência ao escoamento em um canal aberto está relacionada com a viscosidade e a força de arraste sobre seu perímetro molhado. Para um canal com vegetação, esta força de arraste pode ser dividida em três componentes. O primeiro componente representa a soma das forças viscosas na superfície do solo e das forças de arraste nas partículas do solo, sendo caracterizada como a rugosidade do grão do solo. O segundo componente é a força de arraste associada com a camada de rugosidade não vegetal, representando o a rugosidade da forma. E no terceiro componente está representado o arraste nos elementos do vegetal, caracterizando assim a rugosidade do vegetal. Estas forças atuam diretamente no escoamento em oposição ao vetor da velocidade local.
Os coeficientes de resistência ao escoamento que são considerados constantes, sob condições de escoamento variáveis para aplicações em contorno rígido, não serão, entretanto, considerados constantes para o caso de um contorno com grama.
(TEMPLE, 1987) identificou três distintas regiões no escoamento de um determinado canal em função da resistência ao escoamento e da profundidade ou da
Para pequenos escoamentos representados na Figura 5.4. , a profundidade do escoamento é menor que a altura da grama inclinada, e a velocidade local depende principalmente da densidade vegetal no local. Aumento na profundidade do escoamento menor que a necessária para a submergência da vegetação causa pequena mudança na velocidade média. Portanto, a resistência do escoamento expressa pelo “n” de Manning tende a aumentar com o acréscimo da profundidade ou da vazão. A velocidade média do escoamento em qualquer seção transversal está diretamente relacionada à porcentagem da seção transversal obstruída pelos elementos vegetais, à uniformidade de seus espaçamentos, ao tipo e qualidade da vegetação.
Para escoamentos intermediários representados na Figura 5.4 b, a profundidade do escoamento é maior que a altura da grama inclinada. Os elementos vegetais tendem a se alinhar com o escoamento e exibem uma ação ondulante. A estrutura da folha se torna menos importante quando os elementos tornam-se melhor alinhados com o escoamento. O acréscimo na profundidade do escoamento nesta região resulta em uma diminuição na espessura da zona limite formada pela ação da vegetação produzindo um aumento na velocidade média. Portanto, a resistência ao escoamento expressa pelo “n” de “Manning” decresce com o acréscimo da profundidade ou da vazão. Os parâmetros dos vegetais que influenciam a resistência sobre estas condições são a quantidade de talos (elementos vegetais que independem do escoamento) e o comprimento de cada um deles que sofre o arraste no escoamento. O diâmetro dos talos e sua dureza proporcionam uma influência secundária.
Nos escoamentos em que a profundidade é muito maior que a altura inclinada da vegetação, Figura 5.4 c, o escoamento através da vegetação é desprezado quando comparado com o escoamento que passa sobre a vegetação. A resistência da grama ao escoamento expressa pelo “n” de “Manning” tende a ser constante. Então a espessura da zona limite mínima depende principalmente do tamanho do material e das características de crescimento da vegetação próxima do leito. A maioria dos
problemas práticos relacionados a projetos de estabilidade de escoamentos em canais de superfície livre com cobertura vegetal de grama se refere aos escoamentos intermediários. Vazões menores que as necessárias para submergir a vegetação raramente irão gerar erosão significativa. Portanto, para casos em que ocorram escoamentos com profundidade muito baixa ou muito alta, o mais recomendável é a determinação matemática de um valor constante mais adequado para o “n” de “Manning”.
Figura 5.4 Velocidade em função do aumento da profundidade do escoamento. Fonte: TEMPLE, 1987.
TEMPLE (1987) ainda definiu uma relação para o coeficiente de rugosidade de Manning (nR), aplicável para vegetação, respeitando os limites para os escoamentos intermediários em que o produto da velocidade V pelo raio hidráulico Rh, (VR) variam entre 0,0025 CI 2,5 ≤VR ≤ 36, expresso por:
} 16 , 4 ) 297 , 0 ) ln( 0954 , 0 )] [ln( 0133 , 0 ( exp{ 2 − + − = C VR VR nR I (5.2) Em que:
o nR: Coeficiente de rugosidade de “Manning” aplicável para uma vegetação, variando entre liso e grãos finos de solo;
o CI: Índice da curva de retardamento que representa o potencial de retardamento da cobertura vegetal;
o V: Velocidade média (pés/s); o R: Raio hidráulico (pés).
Analises sobre o comportamento da resistência ao escoamento, em função do arraste ao longo de todo o comprimento dos talos submersos dos vegetais, que podem apresentar maior ou menor alinhamento com o escoamento, permitiram determinar uma equação empírica para CI:
(5.3)
Em que:
o ht: Comprimento do talo (pés);
o M: Densidade média dos talos (talos por pés2).
A equação 5.3 apresenta um bom resultado quando a cobertura for do tipo grama com talos bem definidos, entretanto, para coberturas vegetais que apresentem restos de galhos alfafa, pode não fornecer uma boa precisão.
Com a preocupação de pormenorizar os efeitos do retardamento do escoamento em função do coeficiente de “Manning”, Temple (1987) desenvolveu um estudo considerando a relação entre os elementos de rugosidade do grão do solo (nS) da rugosidade de forma do contorno (nψ) e da rugosidade vegetal (nV). Desta forma tem-se: 3 1 ) ( 5 , 2 h M CI = t
2 1 2 2 2
)
(n
Sn
n
Vn
=
+
ψ+
(5.4) 2 1 2 2 2)
0156
,
0
((
V RO
n
n
=
+
+
(5.5) 2 1 2 2 2 20,0156
)
(
+
+
−
=
n
n
n
ψn
R R S (5.6) Em que:o nR: Coeficiente de rugosidade de “Manning” aplicável para uma vegetação, variando entre liso e grãos finos de solo;
o nS: Coeficiente de rugosidade de “Manning” associado às partículas do solo que são arrastadas pelo escoamento em condições limites de estabilidade (rugosidade do grão do solo);
o nψ: Coeficiente de rugosidade de “Manning” associado a elementos de rugosidade diferentes de vegetação que não são arrastados pelo escoamento (rugosidade da forma limite);
o nV: Coeficiente de rugosidade de “Manning” associado á vegetação (rugosidade vegetal).
O autor ainda afirma que, para solos coesivos, a rugosidade da forma (nψ) e a rugosidade vegetal (nV) podem ser desprezados, o que resulta no valor considerado para a rugosidade do grão (nS) de 0,0156, na equação (5.6).
Em LENCASTRE (1991) e em estudos realizados por TEMPLE (1989), o tipo de cobertura recomendado é a grama Bermuda (Cynodon dactylon), por apresentar maior uniformidade, resultando assim numa menor descontinuidade na superfície de contato com o escoamento, que tem como conseqüência menor probabilidade de formação de erosão no canal.
O desenvolvimento da vegetação utilizada é um fator preponderante na determinação do valor do coeficiente de rugosidade de “Manning”. Em ensaios de laboratório, TEMPLE (1994) recomenda que seja adotado mais de um valor para este coeficiente no dimensionamento do vertedor. Um primeiro valor corresponde a uma cobertura vegetal com poda freqüente, mantendo assim um bom estado de conservação. Um segundo valor a adotar corresponderia a uma cobertura mais desenvolvida, isto é, sem poda freqüente, provocando um maior retardo no escoamento.
Deve ser destacado que existem restrições em função das velocidades máximas a serem respeitadas. Na Tabela 5.5 e na Tabela 5.6, encontram-se descritas s as restrições e procedimentos de alguns tipos de cobertura mais empregados. Tem- se assim que, para o tipo de grama bermuda as recomendações das velocidades permissíveis para os solos resistentes a erosão e com declividade do canal variando de 0% a 5% é o valor de 2,5 m/s. Para o intervalo de declividades de 5% a 10% o valor é de 2,1 m/s e para declividade maior que 10% o valor é de 1,8 m/s. Para solos com baixa resistência à erosão e com intervalo de declividade variando entre 0% a 5% o valor recomendado é de 1,8 m/s, para o intervalo de 5% a 10% o valor é de 1,5 m/s e para declividade maior que 10% o valor é de 1,2 m/s.