SANEAMENTO AMBIENTAL I SISTEMAS DE ADUÇÃO EDUARDO RIBEIRO DE SOUSA LISBOA, SETEMBRO DE 200
ÍNDICE DO TEXTO. INTRODUÇÃO... 2. BASES PARA O DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO DAS ADUTORAS... 2. Tipos de escoameno... 2.2 Fórmulas de cálculo... 5 2.3 Caudais de dimensionameno... 2 2.4 Perdas de carga localizadas... 3 3. CANAIS E GALERIAS EM SUPERFÍCIE LIVRE... 7 3. Cálculo hidráulico... 7 3.2 Condições de raçado... 20 4. CONDUTAS ADUTORAS EM PRESSÃO... 20 4. Problemas gerais de raçado... 20 4.2 Transpore por gravidade... 25 4.2. Cálculo hidráulico... 25 4.2.2 Conduas equivalenes... 28 4.3 Transpore por bombagem... 30 4.3. Considerações gerais... 30 4.3.2 Escolha do diâmero mais económico da aduora... 30 4.3.3 Golpe de aríee... 35 5. ÓRGÃOS DE MANOBRA E SEGURANÇA... 39 5. Considerações gerais... 39 SISTEMAS DE ADUÇÃO i
5.2 Válvulas de seccionameno... 39 5.3 Venosas... 40 5.4 Válvulas de descarga ou de purga... 43 5.5 Disposiivos reduores de pressão... 45 SISTEMAS DE ADUÇÃO ii
. INTRODUÇÃO A origem da palavra adução (laim adducio, acção de conduzir), deerminou a sua escolha como ermo écnico que designa o conjuno de obras desinadas a ransporar a água desde a origem aé à disribuição. Embora haja muios exemplos de sisemas de abasecimeno de água em que a adução é de reduzida dimensão, a verdade é que, na maior pare dos casos, ela represena a componene mais difícil de projecar e consruir, mais delicada de vigiar e reparar, e mais imporane sob os ponos de visa de cuso de primeiro invesimeno e de funcionameno quaniaivo. A adução faz-se por meio das chamadas aduoras que podem ser canais e galerias, em superfície livre, e conduas em pressão. Nesas úlimas, o escoameno pode processar-se por acção da gravidade ou por meio de bombagem. O esquema apresenado na Figura exemplifica uma adução por gravidade, com roços em superfície livre e roços em pressão. Ese Documeno é dividido em quaro pares; as duas primeiras dedicadas respecivamene aos canais e galerias em superfície livre e às conduas em pressão, a seguine à discussão dos maeriais de consrução empregados e ao exame dos órgãos principais das aduoras, e a úlima à proecção saniária desas, assuno basane imporane. 2. BASES PARA O DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO DAS ADUTORAS 2. Tipos de escoameno Os escoamenos em aduoras podem dar-se em superfície livre ou em pressão. Apesar da semelhança enre os dois ipos de escoameno, orna-se mais difícil resolver problemas de escoameno em superfície livre do que em pressão; efecivamene, em superfície livre, a alura de escoameno, o caudal, as inclinações do fundo de um canal e da superfície da água são parâmeros inerdependenes. SISTEMAS DE ADUÇÃO
Figura Perfil longiudinal e secções ransversais ípicas duma adução por gravidade (Waer Supply and Wase-Waer Disposal Fair e al.) É imporane noar que não se preende aqui fazer uma análise exausiva sobre a eoria dos escoamenos, quer em pressão quer em superfície livre, apenas ineressando referir alguns conceios básicos específicos da concepção de sisemas de adução. Assim, neses sisemas, considera-se que os ipos de escoameno que ocorrem na maior pare dos casos são escoamenos dos ipos em pressão em regime permanene e em superfície livre em regime uniforme. É cero que, nos casos de aduoras em pressão, podem regisar-se condições de escoameno em pressão em regime variável (golpe de aríee), enquano que, nas aduoras em superfície livre, podem ocorrer regimes de escoameno gradualmene variado, como são exemplos as esas de aravessameno de vales em sifão, chegadas das aduoras aos reservaórios de armazenameno, enre ouros, mas os casos genéricos são os ciados. SISTEMAS DE ADUÇÃO 2
O esudo de qualquer dos ipos de escoameno mais correnes em sisemas de adução, aneriormene referidos, é feio com base em conceios de energia hidráulica do escoameno. No regime permanene, em pressão, é habiual raciocinar em ermos da energia mecânica oal p expressa em coluna de água, ou seja, o somaório das energias de pressão, de posição (h) e γ v cinéica 2 ; no escoameno em superfície livre, é usual uilizar o conceio de energia especifica 2g 2 v H = h +, iso é, a energia, por unidade de peso, medida em relação ao fundo do canal, 2g conceio que permie inerprear mais em profundidade os fenómenos dese ipo de escoameno. Na Figura 2, apresenam-se dois esquemas de comparação de escoamenos, um em pressão, em regime permanene, e ouro em superfície livre, ambém em regime permanene, embora não uniforme (gradualmene variado). Figura 2 Comparação enre escoamenos em pressão e em superfície livre O regime uniforme em superfície livre é caracerizado pela consância da energia específica, sendo, porano, a superfície da água paralela ao fundo do canal, iso é, as perdas de carga conínuas são compensadas por esa inclinação. A alura do escoameno, nesas condições, é denominada alura uniforme. Para complear os conceios básicos de superfície livre ineressa referir o conceio de alura críica (h c ) que represena, fisicamene, a alura de escoameno para a qual um dado caudal se pode SISTEMAS DE ADUÇÃO 3
escoar com energia específica mínima. Pode provar-se maemaicamene que a alura críica de escoameno ocorre quando se verifica a seguine condição: Q = g S S B em que: Q = caudal (m 3 s - ) S = área da secção ransversal de escoameno (m 2 ) B = largura superficial da lâmina líquida (m) g = aceleração da gravidade (m s -2 ) A comparação das aluras críicas e uniformes permie definir os escoamenos uniformes rápidos (h u < h c ) e lenos (h u > h c ). Finalmene, a discussão da equação do movimeno gradualmene variado, esudada na disciplina de Hidráulica II, permie concluir, no que se refere aos canais e galerias em superfície livre de inclinação fraca, siuação mais correne em sisemas de adução, que podem ocorrer as curvas de regolfo apresenadas na Figura 3. Figura 3 Curvas de regolfo em canais de inclinação fraca SISTEMAS DE ADUÇÃO 4
2.2 Fórmulas de cálculo A apresenação da formulação exclusivamene para o dimensionameno hidráulico de sisemas de adução não parece a mais correca, uma vez que aquela formulação em um âmbio mais vaso de uilização, que abrange o esudo dos escoamenos em geral. Nesas condições, considerou-se imporane aproveiar esa alínea, a primeira que na sequência das maérias em esudo em de apelar à formulação hidráulica dos escoamenos, para apresenar, em resumo, as fórmulas mais correnes para o dimensionameno dos órgãos dos sisemas de abasecimeno de água. Nos capíulos poseriores, e porque ceros ipos de fórmulas se ornam de uilização mais aconselhável, referenciar-se-á, sempre que se julgar conveniene, quais as equações que devem ser aplicadas. Assim, as fórmulas mais imporanes que se podem uilizar nos cálculos são as seguines: a) Darcy - Weisbach h 2 L v = f ou D 2g J = 2 f v 8g R em que: h - perda de carga (m) f - coeficiene de resisência (adimensional) L - comprimeno da condua (m) D - diâmero inerior da condua (m) v - velocidade média do escoameno (m s - ) J - perda de carga uniária R - raio hidráulico (m) Embora dimensionalmene coerene, esa fórmula é pouco usada nos cálculos, porquano a deerminação do coeficiene de resisência, como função da rugosidade relaiva (rugosidade relaiva = rugosidade absolua / diâmero da ubagem), obriga a simplificações que dificulam a sua uilização. SISTEMAS DE ADUÇÃO 5
b) Chezy v = C RJ em que: v - velocidade média do escoameno (m s - ) C - coeficiene de Chezy R - raio hidráulico (m) J - perda de carga uniária Para deerminação do coeficiene C, dispõe-se, enre ouras, da fórmula de Bazin: 87 C = K B + R R e da de Kuer, 00 C = K K + R R válidas para as unidades mero e segundo; K B e K K dependem da naureza dos maeriais das paredes. No Quadro apresenam-se, respecivamene, valores de K B da fórmula de Bazin. QUADRO - VALORES DE K B DA FÓRMULA DE BAZIN MATERIAL DA CONDUTA VALORES DE K B fibrocimeno novo 0,06 aço novo 0,0 ferro fundido movo 0,6 beão 0,8 ferro fundido novo 0,23 SISTEMAS DE ADUÇÃO 6
c) Manning - Srickler v = n R 2 / 3 J / 2 em que: v - velocidade média do escoameno (m s - ) n - coeficiene de rugosidade de Manning (Quadro 2) R - raio hidráulico (m) J - perda de carga uniária (-) Esa fórmula é de uso muio generalizado, ano no dimensionameno de obras de adução em superfície livre como em redes de drenagem de águas residuais. O Quadro 2, exraído do Handbook of Applied Hydraulics, da auoria de Davis e Soerensen, como fone principal, indica as gamas mais habiuais de valores empregados para o coeficiene de rugosidade. QUADRO 2 - VALORES DO COEFICIENTE DE RUGOSIDADE n, PARA USO NA FÓRMULA DE MANNING - STRICKLER TIPOS E MATERIAIS DE CANAIS E CONDUTAS Canais a céu abero e galerias CONDIÇÕES DOS CANAIS E CONDUTAS VALORES DE n ÓPTIMOS BONS RAZOÁVEIS MAUS Alvenaria de pedra 0,04 0,07 Alvenaria de ijolo 0,02 0,04 0,06 0,08 Beão Alinhamenos recos 0,03 0,04 Beão Curvas 0,05 0,07 Rocha Escavação cuidada 0,030 0,035 Rocha Escavação grosseira 0,035 0,040 Solo-cimeno 0,020 0,025 Terra Condições normais 0,020 0,025 SISTEMAS DE ADUÇÃO 7
QUADRO 2 - VALORES DO COEFICIENTE DE RUGOSIDADE n, PARA USO NA FÓRMULA DE MANNING STRICKLER (CONT.) TIPOS E MATERIAIS DE CANAIS E CONDUTAS CONDIÇÕES DOS CANAIS E CONDUTAS VALORES DE n ÓPTIMOS BONS RAZOÁVEIS MAUS Terra Pequenos canais 0,025 0,030 Canalizações Aço liso 0,03 0,05 0,07 Beão Junas grosseiras 0,06 0,07 Cofragens grosserias 0,05 0,06 Cofragens meálicas 0,02 0,04 Muio liso 0,0 0,02 Ferro fundido Limpo, revesido 0,00 0,0 0,02 0,05 Sujo, c/uberculos 0,05 0,035 Ferro galvanizado 0,03 0,04 0,05 0,07 Fibrocimeno 0,0 0,03 0,05 0,07 Grês vidrado 0,0 0,03 0,05 0,07 Laão ou vidro Liso 0,009 0,00 0,0 0,03 Plásico 0,00 0,0 0,02 0,04 d) Colebrook - Whie Esa fórmula abrange odo o domínio dos escoamenos urbulenos (lisos, de ransição e puramene urbulenos) e pode condensar-se na seguine expressão (A. Quinela, Perdas de Carga Conínuas, in Técnica nº 322, 962), para secções circulares: f = 2 log k 3,7 D + 2,5 R f e em que: f - coeficiene de resisência (Darcy - Weisbach) k - rugosidade absolua (m) D - diâmero inerior (m) SISTEMAS DE ADUÇÃO 8
R e - número de Reynolds (R e = v D/ν) Na expressão do número de Reynolds, ν é a viscosidade cinemáica, expressa em m 2 s - e v a velocidade média, expressa em m s -. A expressão anerior, para (k/d) 0, oma a forma da equação de Karman - Prandl para escoamenos urbulenos lisos, em que a viscosidade é dominane: f 2 log R e = f 2,5 Por ouro lado, quando a rugosidade é o facor deerminane (escoamenos urbulenos rugosos), R e e a equação resula de novo na de Karman - Prandl: = f 2 log 3,7 D k Em problemas comuns de saneameno básico, o campo de aplicação da fórmula de Colebrook - - Whie convém ser definido denro do regime urbuleno de ransição, o qual se pode siuar para valores da relação δ/k, sendo δ a espessura da película laminar, como se segue: δ 0,34 k 6,2 Como δ = (,8 D / R f ) seguine: 32 e, resula, finalmene, que o domínio de validade da equação inicial é o 0,34 k R e f 32,8 D 6,2 Esa fórmula apresena dificuldades de aplicação, caso não se disponha de abelas ou ábacos para a sua resolução. Porém, na práica correne, especialmene em redes de disribuição de água, a expressão de Colebrook - Whie vai sendo cada vez mais uilizada, em paricular na Europa. SISTEMAS DE ADUÇÃO 9
No Quadro 3, apresenam-se alguns valores recomendados para a rugosidade, a parir dos quais se podem conduzir os cálculos. É conveniene noar que os valores consanes dese quadro são práicos, embora, na fórmula, enrem a fazer as vezes de rugosidades absoluas k. QUADRO 3 - VALORES DA RUGOSIDADE k, RECOMENDADOS PARA USO NA FÓRMULA DE COLEBOOK-WHITE EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA CASOS DE APLICAÇÃO RUGOSIDADES ABSOLUTAS PRÁTICAS k(mm) MÍNIMAS MÉDIAS MÁXIMAS. Conduas principais sob pressão, aduoras ou disribuidoras, sem muias perdas de carga localizadas 0,0 0,20 0,30 2. Redes de disribuição, em que as perdas de carga localizadas são imporanes 0,40 0,80,0 e) Hazen-Williams Esa fórmula é muio uilizada em cálculos hidráulicos de conduas em pressão, nos Esados Unidos, mas não se usa geralmene na Europa (com excepção do Reino Unido). A fórmula é, em unidades inglesas, a seguine: v =,38 C H R 0,63 J 0,54 Em unidades méricas, a fórmula ransforma-se nesa oura, a seguir indicada: v = 0,0093 C H R 0,63 J 0,54 Nesas equações, v - velocidade média (f.s - ou m s - ) C H - coeficiene de Hazen-Williams, geralmene com valores enre 00 e 40. R - raio hidráulico (f ou mm) SISTEMAS DE ADUÇÃO 0
J - perda de carga uniária f) Fórmulas monómias para água e ubagens de ipo definido Esas fórmulas, que são deduzidas especificamene para casos pariculares de escoamenos de deerminados fluídos em canalizações dum cero ipo bem definido, são uilizadas, em saneameno básico, no cálculo de perdas de carga uniárias no escoameno da água poável, sob pressão, em ubagens de naureza paricular. A formulação geral desas equações é a seguine: v = k D α J β em que: v - velocidade média do escoameno (m s - ) D - diâmero inerior (m) J - perda de carga uniária k,α, β - parâmeros deerminados caso por caso Um exemplo ípico são as fórmulas de Scimemi, de larga divulgação em Porugal, que são apresenadas no Manual de Hidráulica Geral, de A. Lencasre. Para ubos de fibrocimeno: Q = 48,3 D 2,68 J 0,56 Para ubos de ferro fundido Q = 35,0 D 2,625 J 0,535 Para ubos de aço sem soldadura Q = 36,4 D 2,59 J 0,55 Para ubos de aço soldado ou com rebiagem simples Q = 29,7 D 2,755 J 0,53 Para ubos de ferro galvanizado Q = 52,6 D 2,752 J 0,54 SISTEMAS DE ADUÇÃO
Nesas expressões, os símbolos êm o seguine significado: Q - caudal (l.s - ) D - diâmero inerior dos ubos (mm) J - perda de carga (m.km - ) 2.3 Caudais de dimensionameno As conduas de adução e os reservaórios com função de regularização consiuem pares dos sisemas de abasecimeno de água que, dadas as funções duma e doura, êm uma grande inerligação. Como o principal objecivo dum reservaório consise em regularizar os caudais de adução para saisfazer as variações de consumo na rede geral de disribuição de água ao longo do dia, com o mínimo de prejuízos económicos e funcionais, o criério uilizado para o dimensionameno da adução em que forçosamene depender do criério uilizado na deerminação da capacidade das reservas. De faco, a uma maior capacidade do ou dos reservaórios de regularização deve corresponder uma menor capacidade na adução e, vice-versa, a uma menor capacidade do ou dos reservaórios de regularização deve corresponder uma maior capacidade na adução. Habiualmene, o dimensionameno de uma aduora é feio com base no caudal diário máximo ou no caudal mensal máximo. O caudal de dimensionameno duma aduora, siuada enre a capação e o reservaório de regularização, excluindo o caso dese er função de exremidade (ver Documeno Reservaórios), pode ser obido pela seguine expressão: Q dim = k k p f d [ou f M ] Q m em que: Q dim - caudal de dimensionameno (l s - ) SISTEMAS DE ADUÇÃO 2
k - facor de duração do ranspore (-) k p - coeficiene de perdas na adução (-) f d - facor de pona diário (-) f M - facor de pona mensal (-) Q m - caudal médio (l s - ) O facor de duração de ranspore represena a relação enre o número de horas do dia (24 horas) e o número máximo de horas de funcionameno da condua aduora, no horizone de projeco; consequenemene, ese facor é sempre. Nas aduoras por gravidade, o seu valor é sempre uniário, uma vez o ranspore pode ser feio ao longo de 24 horas, enquano que nas aduoras por bombagem é, normalmene, igual a (funcionameno em 24 h),,5 (funcionameno em 6 h) ou 3 (funcionameno em 8 h). O coeficiene de perdas na adução consiui uma margem de segurança para compensação de perdas e resabelecimeno de reservas. Os valores a considerar para k p são os seguines: se 0, f d [ou f M ] Q m > 0,2 l s -, considera-se k p =, se 0, f d [ou f M ] Q m 0,2 l s -, a expressão apresenada ransforma-se em: Q dim = k f d [ou f M ] Q m + 0,2 (l s - ) Nos roços de conduas aduoras enre um reservaório e o início da rede geral de disribuição de água, o caudal de dimensionameno a uilizar corresponde, evidenemene, ao caudal máximo insanâneo. 2.4 Perdas de carga localizadas As perdas de carga localizadas são perdas de energia que se verificam num escoameno ou por haver uma variação da geomeria da secção ou por haver uma mudança na direcção do escoameno. Os alargamenos e as conracções são exemplos do primeiro ipo, as curvas e as derivações são exemplos do segundo; as válvulas de diversos ipos, os medidores de caudal e ouros órgãos podem dar origem a perdas de carga dos dois ipos referidos, simulaneamene. SISTEMAS DE ADUÇÃO 3
Salvo raras excepções, as perdas de carga localizadas são usualmene calculadas por expressões do seguine ipo: v H L = K L = K 2g 2 L Q 2 2gA 2 H L - perda de carga localizada (m) K L - coeficiene de perda de carga localizada (-) v - velocidade média do escoameno na condua (m s - ) Q - caudal (m 3 s - ) A - velocidade média do escoameno na condua (m s - ) g - aceleração da gravidade (m s -2 ) Em alernaiva, podem ser expressas em ermos dum comprimeno equivalene da ubagem. A écnica mais adequada consise em considerar que, ao comprimeno real da ubagem, é adicionado um valor L (acréscimo de comprimeno), calculado de al forma que a respeciva perda de carga conínua seja igual à perda de carga localizada que lhe esá associada. Dado que a deerminação de L varia ligeiramene consoane se uiliza as equaçoes de Darcy - Weisbach, Manning - Srickler ou Hazen - Williams no cálculo das perdas de carga conínuas, apresenam-se, em seguida, as correspondenes expressões para cada um dos casos. Em ermos gerais, a dedução de cada uma das expressões consise sempre em igualar a perda de carga localizada ( H L ), calculada por uma fórmula do ipo anerior, e a perda de carga conínua ( H), dada pelas equações de Darcy-Weisbach, Manning-Srickler ou Hazen-Williams, subsiuindo a variável L por L e expliciando esa úlima. Nesas condições, as expressões de L para cada um dos casos são as seguines: Darcy Weisbach L = K L D/f Manning Srickler L = 0,00803 K L K S 2 D 4/3 Hazen Williams L = 0,00772 K L C l,852 D O,8703 Q O,48 SISTEMAS DE ADUÇÃO 4
em que: L - acréscimo de comprimeno equivalene (m) K L - coeficiene de perda de carga localizada (-) f - facor de resisência de Darcy - Weisbach K s - coeficienes de Manning - Srickler C - coeficienes de Hazen - Williams D - diâmero da ubagem (m) Q - caudal na ubagem (m 3 /s) As expressões aneriores são válidas para comprimenos e diâmeros em m e caudal em m 3 /s (sisema inernacional). Para além disso, é imporane salienar que, no caso das fórmulas de Darcy - Weisbach e Hazen - Wílliams, L depende do caudal na ubagem, siuação que não se verifica na equação de Manning - Srickler. Finalmene, sempre que exisam vários órgãos que dêem origem a perdas de carga localizadas numa mesma ubagem, o comprimeno equivalene é igual à soma dos comprimenos equivalenes correspondenes a cada órgão, desde que eses esejam suficienemene afasados para que não haja influência recíproca. EXEMPLO Calcular o comprimeno equivalene duma ubagem de 500 m de comprimeno, com um diâmero de 300 mm, na qual esá inserida uma válvula de seccionameno (K L = 2,0), admiindo que se preende avaliar as perdas de carga conínuas uilizando a fórmula de Manning - Srickler (K s = 75 m /3 s - ). Por aplicação da expressão aneriormene apresenada, obém-se: L = 0,00803 (2) (75) 2 (0,30) 4/3 = 8,4 m, pelo que o comprimeno equivalene L e = L + L = 58,4 m. SISTEMAS DE ADUÇÃO 5
Uma das excepções aneriormene mencionadas, refere-se à perda de carga correspondene a um alargameno brusco de secção, perda de carga designada vulgarmene de Borda, a qual pode ser expressa da seguine forma, por dedução a parir do eorema da quanidade de movimeno: H = ( v v ) 2g 2 2 em que: v - velocidade na condua a monane (m s - ) v 2 - velocidade na condua a jusane (m s - ) Por vezes, mesmo esa perda de carga, é converida, por conveniência, em K L v 2 /2g. Em face do princípio da coninuidade, a expressão da perda de carga de Borda pode ser expressa, ainda, da seguine forma: 2 v = A H 2g A 2 em que A e A 2 são, respecivamene, as secções ransversais das conduas a monane a jusane dum alargameno. No caso paricular da saída duma ubagem num reservaório, uma vez que na expressão anerior A 2 é muio grande em relação a A, aquela equação ransforma-se em v 2 /2g, iso é, a perda de carga localizada é igual à alura cinéica, ou seja, o coeficiene de perda de carga localizada é uniário., devem ser deerminados experimenalmene. Nas Figuras 4, 5, 6 e 7, apresenam-se alguns gráficos para a deerminação do coeficiene de perda de carga localizada K L. Por vezes, em fase de pré-dimensionameno de sisemas de adução (por exemplo para a deerminação da alura de elevação de grupos elecrobomba, em esações elevaórias), é habiual considerar as perdas de carga localizadas iguais a uma percenagem (cerca de 0 a 5%) das SISTEMAS DE ADUÇÃO 6
perdas de carga conínuas. 3. CANAIS E GALERIAS EM SUPERFÍCIE LIVRE 3. Cálculo hidráulico O dimensionameno hidráulico de canais e galerias em superfície livre é feio com base no caudal máximo a ransporar, deerminando as condições de escoameno uniforme para uma secção pré- -deerminada, em ermos da velocidade e da alura uniforme, em face da inclinação do canal, condicionada pela declividade naural do erreno, ou da galeria, condicionada pelas coas a monane e jusane da mesma. Quano à forma da secção a adopar, as equações de Manning ou de Chezy, que são as expressões que mais se empregam para a dimensionameno de sisemas de adução de abasecimeno de água em superfície livre, permiem concluir que, em escoameno uniforme e em face de valores fixos da inclinação da rasane e do coeficiene de rugosidade, o caudal é máximo quando o raio hidráulico o for. A secção que possui a maior eficiência hidráulica é um semi-círculo; a secção rapezoidal mais favorável é a que corresponde a um meio hexágono, enquano que, para a secção recangular, é aquela que em uma profundidade igual a meade da largura. É imporane, sempre que possível que a escoameno se verifique em regime uniforme leno; eviam-se assim elevadas velocidades de escoameno e, ainda, que se criem condições de formação de ressalos, o que obriga à execução de obras suplemenares. Além das condições em regime uniforme, há que esudar os efeios de regolfo provocados pelas variações de secção, de inclinação, chegada ao reservaório em soleira descarregadora, efeio de chamada, enre ouros. A íulo de exemplo apresenam-se, na Figura 8, exemplos de regolfo em galerias de adução, em rês siuações basane correnes. SISTEMAS DE ADUÇÃO 7
Figura 4 - Perdas de carga provocadas pela passagem em aresa viva de uma condua para um reservaório [a] e de um reservaório para uma condua [b] (Manual de Saneameno Básico Direcção Geral dos Recursos Naurais, 99) Figura 5 - Perdas de carga localizadas em alargamenos [a] e esreiamenos [b] ronco cónicos (Manual de Saneameno Básico Direcção Geral dos Recursos Naurais, 99) SISTEMAS DE ADUÇÃO 8
Figura 6 - Perdas de carga provocadas por coovelos [a] e por curvas circulares [b] e [c] (Manual de Saneameno Básico Direcção Geral dos Recursos Naurais, 99) Figura 7- Perdas de carga provocadas por válvulas de corrediça [a] e por diafragmas [c] (Manual de Saneameno Básico Direcção Geral dos Recursos Naurais, 99) SISTEMAS DE ADUÇÃO 9
3.2 Condições de raçado O raçado de canais em superfície livre é um problema essencialmene opográfico, esando o seu projeco, primeiro que udo, dependene da possibilidade da sua adapação ao erreno. Por vezes, esa adapação só possível alargando basane o desenvolvimeno do canal, embora as condições económicas possam ser, ainda, vanajosas. Esas condições podem ser imposas ambém por condicionamenos de velocidades máximas de escoameno. O raçado de canais dever ser, sempre que possível, em escavação, pois os aerros podem vir no fuuro a originar cedências dos errenos; sempre que se iver que ir para esa solução, os aerros devem ser sempre cuidadosamene compacados. Para a ravessia de vales de grande exensão, de vias de comunicação ou linhas de água, há que recorrer a sifões, passando, nesses roços, o escoameno a dar-se em pressão; em conraparida, para vales esreios, é por vezes preferível, com visa a reduzir as perdas de carga, execuar pones-canais (ou aqueduos), em elevação. As condições de raçado de galerias em superfície livre corresponde, na maioria dos casos, à ravessia de obsáculos opográficos, pelo que aquelas condições se limiam à fixação das coas a monane e a jusane, de forma a garanir uma inclinação compaível com o escoameno. 4. CONDUTAS ADUTORAS EM PRESSÃO 4. Problemas gerais de raçado O esudo duma condua aduora pressupõe a análise das condições de raçado, em plana e em perfil longiudinal. O raçado da aduora esá sempre condicionado pelas caracerísicas opográficas locais. No enano, além daquela imposição opográfica, ouras disposições écnicas de raçado devem, à parida, ser observadas. Duma forma geral, o raçado em plana deve apresenar um desenvolvimeno o mais curo possível e raios de curvaura basane grandes, o que evia a consrução de maciços de amarração de ceras dimensões. SISTEMAS DE ADUÇÃO 20
As duas condições aneriores nem sempre permiem que a condua aduora seja implanada ao longo das esradas, ou arruamenos, o que seria desejável. Sobre ese pono, a solução a encarar depende do ipo de condua aduora em pressão: por gravidade ou por bombagem. Assim, no primeiro caso, o problema fundamenal em relação ao desenvolvimeno da aduora relaciona-se, quase que exclusivamene, com maior ou menor cuso de primeiro invesimeno; pode aconecer que, embora à cusa dum maior comprimeno de aduora, seja mais económico, somados os encargos oais, implaná-la ao longo de esradas ou caminhos. Ese procedimeno orna menos onerosas, não só as operações de escavação e monagem, mas ambém as execuções de reparações, em casos de avarias, durane a exploração do sisema. Na siuação de bombagem, é basane imporane a escolha do raçado mais curo, porque não só se diminuem os encargos de primeiro invesimeno, mas ambém os encargos de exploração, uma vez que as perdas de carga, a alura de elevação e, porano, a energia consumida, aumenam com o comprimeno da condua aduora. O raçado em perfil longiudinal deve ser o mais regular, esabelecido de forma a apresenar uma inclinação no mesmo senido, sendo, porano, de eviar, o que na maioria dos casos é impossível, as conra-inclinações que, em virude dos ponos alos, podem vir a criar problemas de exploração do sisema (acumulação de ar naqueles ponos). Embora se aborde o esudo da localização de órgãos em sisemas de adução mais adiane nese Documeno, considera-se imporane, desde já, salienar a necessidade de insalar venosas nos ponos alos e válvulas de descarga nos ponos baixos. Na Figura 9, apresena-se um exemplo da localização daqueles órgãos numa condua em pressão, por gravidade. Nunca devem ser execuados roços de aduoras horizonais. Quando o perfil do erreno é horizonal ou quase horizonal, a aduora deve apresenar, alernadamene, roços descendenes e ascendenes (Figura 0). Os primeiros devem er inclinações que variam enre 0,004 e 0,006 (4 a 6 m/km), enquano que as dos segundos cosumam oscilar enre 0,002 e 0,003 (2 a 3 m/km). São recomendados valores mínimos, respecivamene, de 5 e 3 m/km. SISTEMAS DE ADUÇÃO 2
a) Obra de chegada ao reservaório com soleira descarregadora b) Obra de chegada ao reservaório com efeio de chamada c) Perurbação do escoameno provocada por uma compora oburada aé uma alura inferior à criica Figura 8 - Siuações ípicas de regimes gradualmene variados, em aduoras em superfície livre SISTEMAS DE ADUÇÃO 22
Quando a aduora em um raçado como o que se apresena na Figura, com um roço pouco inclinado, o ar que pode aparecer na condua pode acumular-se em A, sendo necessário insalar uma venosa nesse pono. Figura 9 - Perfil longiudinal duma aduora, em pressão, por gravidade (Waer Supply and Wase- Waer Disposal Fair e al.) Em ceros casos, a opografia local impõe que a aduora possa apresenar caracerísicas misas: adução por gravidade e adução por bombagem (Figura 2). Figura 0 Traçado correco duma aduora, no caso dum perfil horizonal do erreno SISTEMAS DE ADUÇÃO 23
Figura Perfil de uma aduora, por bombagem, com um roço pouco inclinado Um ouro problema imporane, diz respeio aos casos em que exise, no perfil longiudinal, um pono alo da aduora que inerseca a linha piezomérica. Embora ese problema se possa verificar em aduoras por gravidade ou por bombagem, é nas primeiras que, em geral, aquela siuação ocorre. A resolução do problema consise em fixar uma dada alura piezomérica no pono alo do raçado (segmeno BC da Figura 3), o que se obém aumenando o diâmero da aduora, a que corresponde uma diminuição da perda de carga. Uma vez esabelecida esa condição, podem ser adopadas dois ipos de solução, para jusane, que são: considerar uma condua de menor diâmero, de forma a que as perdas de carga conínuas correspondam a unir os ponos B e F, o que pode conduzir a elevadas velocidades de escoameno; considerar um diâmero igual ao insalado a monane do pono C, o que corresponde a omar, a parir de F, uma linha paralela a AB, cuja inersecção com o erreno deermina a localização duma câmara de perda de carga em E. Por vezes, nem sempre esas soluções são as mais económicas, já que a siuação de inersecção da linha piezomérica inicial, pode desaparecer caso se implane a aduora a uma maior profundidade. Há que, porano mais uma vez, realizar um esudo comparaivo, devendo ser escolhida a solução mais económica. SISTEMAS DE ADUÇÃO 24
Figura 2 Adução misa: por gravidade e por bombagem 4.2 Transpore por gravidade 4.2. Cálculo hidráulico O dimensionameno hidráulico duma condua aduora gravíica, em pressão, é, na maioria dos casos, um problema de simples solução. Na realidade, resume-se, de acordo com o caudal de dimensionameno, à deerminação do diâmero mínimo da ubagem em face de condições de coas piezoméricas imposas pelas localizações aliméricas da origem (por exemplo, uma capação) e do reservaório ou da rede geral de disribuição. Os parâmeros que condicionam o escoameno hidráulico são, como se referiu, o caudal (Q), a perda de carga uniária (J), a velocidade média do escoameno (V) e o diâmero (D); das equações apresenadas, odas elas na realidade relacionam eses parâmeros, mas, de faco, as de uilização mais correne, nese caso, são as de Colebrook-Whie e de Hazen-Williams (nos Esados Unidos da América e no Reino Unido), e as fórmulas monómias para água e ubagens de naureza paricular. SISTEMAS DE ADUÇÃO 25
Figura 3 Linha piezomérica final Os problemas que o engenheiro em que resolver resumem-se, em geral, às duas seguines siuações: a perda de carga máxima é imposa, pelo raçado da aduora, ou seja, são fixadas as coas piezoméricas no início e no final do raçado; nese caso, deermina-se: J = H/L em que: J - perda de carga uniária (m/m) H - desnível enre a coa mínima na capação e a coa da superfície da água no reservaório (m) L - comprimeno da condua (m) só é imposa uma das condições da coa piezoméricas, a monane ou a jusane; é, por exemplo fixada a coa piezomérica na capação, preendendo-se deerminar qual a localização opográfica do reservaório. SISTEMAS DE ADUÇÃO 26
Na siuação aponada em segundo lugar, exise uma superabundância de dados, a qual fica mais limiada quando se impõe um valor limie para a velocidade média de escoameno. Em aduoras, por gravidade, orna-se conveniene que os valores limies das velocidades se siuem enre 0,30 e,50 m s -. Com efeio, às velocidades baixas correspondem condições favoráveis à formação de depósios e dificuldades inerenes à acumulação de ar nos ponos alos, enquano que a velocidades elevadas correspondem condições mais desfavoráveis de golpe de aríee, cujas sobrepressões ou depressões variam, como se sabe, com a velocidade de escoameno. Para uma melhor compreensão do que aneriormene se referiu, apresenam-se, seguidamene, dois exemplos, muio simples, de cálculos hidráulicos de aduoras, nas duas hipóeses esquemaizadas: EXEMPLO Preende-se deerminar qual deve ser o diâmero duma aduora gravíica, em pressão, com um comprimeno de 500 m, para ransporar um caudal de 82 l s - enre dois ponos que se siuam às coas de 50 e 46 m. Admie-se um coeficiene de Manning-Srickler de K s = 75 m /3 s -. Perda de carga uniária: J = (50-46)/500 = 0,008 = 0,8 m/00 m Diâmero da aduora (por uilização da expressão de Manning-Srickler): D = 400 mm Velocidade média do escoameno: v =,45 ms - (valor aceiável) EXEMPLO 2 Deerminar o diâmero duma aduora gravíica, em pressão, com 2 000 m de comprimeno, e a coa à qual se deve localizar o reservaório a jusane, dimensionada para ransporar um caudal de 95 ls - ; a coa do nível de água mais desfavorável, na capação, é de 40 m. Considere-se um coeficiene de Manning-Srickler de K s = 75 m /3 s - e uma velocidade máxima admissível de,00 m s -. Diâmero da condua ( D = 4xQ / πv ): D = 350 mm SISTEMAS DE ADUÇÃO 27
Perda de carga uniária (ambém pelo ábaco): J = 0,00445 Perda de carga oal: H = 0,00445 x 2 000 = 8,90 m Coa de localização do reservaório = 40-8,90 = 3,0 m 4.2.2 Conduas equivalenes A análise do cuso de consrução de aqueduos e úneis permie afirmar que é mais económico execuar aquelas obras de adução com a capacidade para os caudais finais previsos no horizone de projeco. Também na execução de obras de adução por conduas em pressão é basane correne seguir esa práica. No enano, podem ocorrer deerminadas siuações que obriguem a uma duplicação de aduoras. Esas siuações ocorrem quando: o diâmero necessário para garanir a oalidade da capacidade de ranspore é superior ao máximo que é, ou pode ser, fabricado comercialmene; são causados grandes prejuízos em caso de inerrupção de fornecimeno de água, principalmene se a reparação só pode ser execuada num inervalo de empo relaivamene longo; quando o raçado da aduora apresena roços especiais, como o aravessameno de rios ou vales pronunciados em sifão. Nesas condições, é imporane apresenar algumas considerações sobre o dimensionameno de conduas em paralelo; quando se preende subsiuir uma aduora de diâmero D e comprimeno L que ranspora uma caudal Q por um conjuno de,2,... n conduas, em paralelo, de diâmeros D, D 2,... D n, e de comprimenos L, L 2,... L n, que escoam respecivamene, os caudais Q, Q 2,... Q n, de forma a que a perda de carga oal H seja igual, quer na condua única, quer nas resanes conduas, podem ser esabelecida as seguines relações: 5 D H Q = ; L C 5 DH Q =........ ; L C Q n = D L 5 n n H C Q = Q + Q +... + Q 2 n SISTEMAS DE ADUÇÃO 28
D L 5 n = i= D L 5 i i Nesas equações, C represena um coeficiene de proporcionalidade. Esa úlima expressão esabelece a relação a que devem obedecer os diâmeros. Quando as conduas apresenam igual comprimeno, caso basane correne, é simples, aravés da abela de unidades de caudal, apresenada no Quadro 4, resolver os problemas mais correnes no dimensionameno de uma aduora, e que são os seguines: quais devem ser os diâmeros que podem subsiuir, sob as mesmas condições de perda de carga oal, uma aduora de um dado diâmero que ranspora um dado caudal? o problema inverso do anerior. uma vez esabelecidos os diâmeros das conduas, de acordo com o primeiro pono, qual o caudal ransporado por cada uma? QUADRO 4 - VALOR RELATIVO (UNIDADES DE CAUDAL) DOS CAUDAIS QUE DÃO ORIGEM A PERDAS DE CARGA IGUAIS, PARA DIFERENTES CAUDAIS DIÂMETRO (mm) UNIDADES DE CAUDAL DIÂMETRO (mm) UNIDADES DE CAUDAL DIÂMETRO (mm) UNIDADES DE CAUDAL DIÂMETRO (mm) UNIDADES DE CAUDAL 40 0,8 50 30 400 44 900 4027 50,5 75 46 450 606 000 5370 60 2,5 200 66 500 805 00 6966 80 5,4 250 22 600 33 200 8827 00 0 300 20 700 2029 250 9785 25 8 350 305 800 292 500 6240 EXEMPLO 3 Deerminar qual os diâmeros das conduas que podem subsiuir uma condua única de 300 mm de diâmero, que deve escoar um caudal de 80 l s - ; qual o caudal escoado por cada uma delas? Ao diâmero de 300 mm correspondem 20 unidades de caudal. Não há mais do que escolher dois diâmeros, no Quadro 4, cuja soma das respecivas unidades de caudal se aproxime de 20; obêm-se, assim, os diâmeros 200 e 250 mm. SISTEMAS DE ADUÇÃO 29
Para a segunda pare basa esabelecer uma regra de rês simples: 80 22 50 ls 20 (para o diâmero 250 mm) 80-50 = 30 ls - (para o diâmero 200 mm). 4.3 Transpore por bombagem 4.3. Considerações gerais Dado que a maior pare dos problemas de cálculo hidráulico aneriormene apresenados são de aplicação praicamene igual para ese ipo de adução, e que os conceios relaivos às insalações de bombagem se abordam nouro Documeno, pensou-se que só deveriam esar conidos nesas alíneas problemas exclusivos dese ipo de adução. 4.3.2 Escolha do diâmero mais económico da aduora Quando se preende dimensionar uma aduora por bombagem é fundamenal que se esabeleça o diâmero mais económico, que resula duma solução de compromisso enre os dois parâmeros seguines: encargos de amorização de capial e juros, relaivos ao invesimeno em capial fixo correspondene ao cuso da aduora, cuso ese que aumena com o diâmero; encargos de amorização de capial e juros, relaivos ao invesimeno em capial fixo correspondene ao cuso da esação elevaória (consrução civil, equipameno elécrico e equipameno elecromecânico), cuso ese que diminui com o diâmero da condua aduora; encargos de exploração (consumo de energia) da esação de elevaória, que são ano menores quano maior o diâmero da condua aduora, dado que as perdas de carga variam na razão inversa do diâmero. Na análise do diâmero mais económico, deve-se er presene que, em aduoras por bombagem, os valores limies das velocidades se devem siuar enre 0,60 e,50 m s -. Como já foi aneriormene referido a propósio das conduas aduoras por gravidade, às velocidades baixas SISTEMAS DE ADUÇÃO 30
correspondem condições favoráveis à formação de depósios e dificuldades inerenes à acumulação de ar nos ponos alos, enquano que a velocidades elevadas correspondem condições mais desfavoráveis de golpe de aríee, cujas sobrepressões ou depressões variam, como se sabe, com a velocidade de escoameno. Apresenam-se, seguidamene, dois méodos que permiem deerminar, duma forma muio simples, qual o diâmero mais económico: Fórmula de Bresse A expressão desa fórmula é a seguine: D=,5 em que: Q D - diâmero mais económico (m) Q - caudal ransporado (m 3 s - ) Esa fórmula em grande aplicação nas fases iniciais de concepção e dimensionameno de um sisema de adução, uma vez que, duma forma basane simples, permie esimar o diâmero mais económico. Análise invesimeno (invesimeno em capial fixo e cusos de exploração) Nese méodo, consideram-se vários diâmeros e calculam-se, por um lado, os invesimenos em capial fixo correspondenes ao cuso da aduora e das esações elevaórias, e, por ouro, os encargos de exploração (fundamenalmene os relaivos ao consumo de energia). A parcela dos invesimenos em capial fixo corresponde ao somaório dos cusos relaivos às conduas aduoras e às esações elevaórias (consrução civil, equipameno elécrico e elecromecânico). No enano, se a solução em análise previr um faseameno nos invesimenos (por exemplo, uma SISTEMAS DE ADUÇÃO 3
ª fase com uma capacidade para os primeiros 20 anos e uma 2ª para um período adicional de, por exemplo, 20 anos), orna-se necessário aplicar uma acualização de preços, já que os invesimenos são realizados em horizones emporais diferenes. Nese caso, aplica-se a seguine expressão (a preços consanes): n n C0 ( a ) C = + ou C 0 C = ( + n a ) n em que: C n - cuso acualizado no ano n C 0 - cuso no ano 0 a - axa de acualização n - número de anos do período em análise (por exemplo, 20 anos) No que respeia à parcela dos encargos de exploração (consumo de energia), pode proceder-se da seguine forma: Energia consumida A energia consumida no ano i é dada por: γ Vi H Ei = 0,272 0 η 5 Cuso da energia A avaliação dos encargos de energia é, em geral, deerminada considerando o seu cuso no ano i, o qual é dado pela seguine expressão: C Ei γ Vi H = Ei p = η 0,272 0 5 p = K V H i Nesas duas expressões, os símbolos êm o significado que a seguir se indica: SISTEMAS DE ADUÇÃO 32
V i - volume elevado no ano i (m 3 ) γ - peso volúmico da água (kf/m 3 ) η - rendimeno dos grupos elecrobomba (-) H - alura oal de elevação (m) E i p a K - energia consumida no ano i para elevar o volume V i (kwh) - preço do kwh ( /kwh) - axa de acualização - consane γ 0,272 0 O valor da consane K é dado por: K = η 5 p Volume elevado no ano i O volume elevado no ano I, em m 3, pode ser calculado pela seguine expressão: V 3 i = Pi Ci 365 0 em que : P i - população no ano i (m 3 ) C i - capiação no ano i [L/(hab.dia)] Faz-se noar que se elevam volumes de água diferenes ao longo do período de funcionameno dos grupos elecrobomba; das expressões aneriores, verifica-se que não é necessário conhecer o empo de bombagem. Cuso oal da energia consumida, acualizado ao ano 0 O cuso da energia consumida no ano i, acualizado ao ano 0, é dado pela seguine expressão: C Ei i [ CEi ] 0 = = i i ( + a ) K V H ( + a ) SISTEMAS DE ADUÇÃO 33
SISTEMAS DE ADUÇÃO 34 Ao fim de n anos, o cuso oal da energia consumida, acualizado ao ano 0, é dado por: i a n i i ) ( H V K + = Se se considerar que a evolução dos volumes bombados no ano i pode ser aproximada por uma lei geomérica, enão: ( ) i g i V V + = em que g é a axa de crescimeno geomérica, dada pela seguine expressão: V V n 0 n g = Assim, o cuso oal da energia ao fim de n anos, acualizado ao ano 0, pode ser calculado pela seguine expressão: [ ] + + + + + + + + + + + = n a g 2 a g a g a 0 E... ) ( H V K C Nesa expressão, os ermos enre parenesis recos correspondem à soma de n ermos de uma série geomérica, cuja razão r é, nese caso, dada por: + + = a g r Assim sendo, a expressão anerior, que raduz o cuso oal da energia ao fim de n anos, acualizado ao ano 0, passa a ser a seguine: [ ] + + + + + = ) ( H V K C a g n a g a 0 E
4.3.3 Golpe de aríee Pode dizer-se que o golpe de aríee consiui um dos fenómenos mais complexos de quanificar, mas ao qual um correco dimensionameno duma aduora não deve ser alheio, dado o risco de danificação do circuio hidráulico quando uma das duas siuações se verifica. paragem insanânea, pelo core de energia, por exemplo, dum ou vários grupos elecrobombas que alimenam uma condua aduora; oburação insanânea ou rápida, parcial ou oal, duma válvula de seccionameno, localizada a jusane duma aduora, e desinada, por exemplo, a regular o caudal. Não consiui objecivo desa parágrafo apresenar uma formulação eórica do fenómeno do golpe de aríee, uma vez que esse assuno já foi objeco de esudo na disciplina de Hidráulica II; apenas se preende resumir a forma de cálculo dos valores máximos das sobrepressões e depressões que podem ocorrer e, principalmene, salienar os principais disposiivos de proecção, vulgarmene uilizados em sisemas de abasecimeno de água. A quanificação dos valores máximos das pressões (sobrepressões e pressões), quando ocorre um golpe de aríee, deve ser efecuada de forma diferene consoane a oburação for uma manobra rápida, iso é, com empo de fecho inferior ou igual a uma ida e vola da onda elásica, de velocidade a ( 2 L/a), ou uma manobra lena ( > 2 L/a). Segundo Allievi, a velocidade (ou celeridade) da onda elásica pode ser deerminada pela seguine fórmula: a = 9900 D 48,3 + k e (m s ) em que: D - diâmero inerior da aduora (m) e - espessura da aduora (m) k - consane que depende do ipo de maerial da ubagem: SISTEMAS DE ADUÇÃO 35
aço - 0,50 ferro fundido -,0 fibrocimeno - 4,4 beão - 5,0 plásico - 8 No caso de ubagens de beão armado, omando-se k = 5,0, deve ser considerada uma espessura equivalene, dada pela expressão: e e + m e = b m em em que: e = espessura equivalene e m = espessura média disribuída da armadura e b = espessura da aduora m = parâmero que em um valor aproximado de 0 No Quadro 5, esão calculados os valores da celeridade da onda elásica para ubagens de diferenes maeriais: Se a manobra de oburação é rápida, o valor máximo do golpe de aríee, em meros de água, pode ser dado pela seguine expressão: p = a v g o Se a manobra de oburação é lena, o cálculo do golpe de aríee deve ser feio com base na fórmula de Michaud: p = 2 L v g o SISTEMAS DE ADUÇÃO 36
Nesas fórmulas, os símbolos êm o significado que a seguir se apresena: p - valor máximo da sobrepressão ou depressão (m) L - comprimeno da aduora (m) v o - velocidade de escoameno, em regime permanene (m s - ) a - celeridade da onda elásica (m s - ) g - aceleração da gravidade (m s -2 ) - empo de fecho ou de oburação (s) QUADRO 5 - CELERIDADE DA ONDA ELÁSTICA D/e AÇO (k = 0,50) FERRO FUNDIDO (k =,0) BETÃO (k = 5,0) 500 574,2 425,7 247,5 400 623,7 465,3 277,2 300 702,9 524,7 36,8 250 752,4 574,2 346,8 200 8,8 623,7 386, 80 84,5 653,4 405,9 60 87,2 683, 425,7 40 90,8 722,7 455,4 20 950,4 762,3 485, 00 999,9 8,8 524,7 80 049,4 87,2 584, 60 8,7 950,4 653,4 50 58,3 999,9 702,9 40 97,9 049,9 762,3 30 247,4 8,7 84,5 20 296,9 97,9 950,4 0 356,3 296,9 8,7 Para o esudo da evolução, no empo, do golpe de aríee, aconselha-se a uilização do méodo gráfico de Bergeron, que pode ser consulado em qualquer livro da especialidade. SISTEMAS DE ADUÇÃO 37
Quano aos disposiivos de proecção, eles desinam-se quase exclusivamene às conduas de adução por bombagem, uma vez que, para uma condua gravíica, é suficiene, em geral, er uma válvula manobrada lenamene de forma a reduzir a sobrepressão a valores aceiáveis. Enre os principais disposiivos são de salienar os seguines: volanes de inércia; válvulas de escape; reservaórios de ar e chaminés de equilíbrio. O primeiro ipo de disposiivo desina-se a uma proecção conra as depressões que ocorrem. O princípio de funcionameno baseia-se no conceio físico de momeno inércia, em que o volane, graças à energia que acumula durane a marcha normal, em possibilidade de a ransmiir ao escoameno quando se verifica uma paragem. Prolonga-se, assim, o empo de paragem das bombas o que, como se referiu, diminui a inensidade do golpe de aríee. No enano, ese disposiivo em limiações uma vez que, no caso de exisir uma grande aduora, aingem-se no cálculo pesos de volanes enormes, o que orna o sisema pouco económico. As válvulas de escape desinam-se à proecção conra sobrepressões e são insaladas juno dos órgãos que provocam o golpe de aríee; conudo, o seu emprego só é, em geral, económico, em conduas de pequena dimensão e sujeias a pequenas pressões de serviço. Os reservaórios de ar e as chaminés de equilíbrio são, sem dúvida, os disposiivos mais correnemene uilizados, endo imporância na proecção ano conra as sobrepressões como conra as depressões. Qualquer dos disposiivos ciados se baseia no princípio de que a alimenação da veia líquida, quando se verifica uma inerrupção de funcionameno das bombas, por exemplo, é realizada à cusa duma reserva de água acumulada; enquano que no primeiro ipo a acumulação é feia em pressão, com ar comprimido, de al forma que em funcionameno normal da adução a pressão do ar iguala a pressão de serviço na condua, no segundo em-se um reservaório com saída livre para a amosfera. A localização dos reservaórios de ar é usualmene a jusane das válvulas de reenção dos grupos de bombagem, pelo que, quando se verifica uma paragem deses, aquela válvula fica oburada SISTEMAS DE ADUÇÃO 38
auomaicamene, e uma pare água do reservaório vai para a aduora. Com a diminuição progressiva pressão do ar no reservaório, a água, a deerminada alura, em que inverer o senido e acumular-se, novamene, denro daquele. Com esas variações sucessivas vai-se verificando a dissipação da energia da onda elásica originada pela paragem brusca das bombas. As chaminés da, equilíbrio não se localizam, em geral, juno das esações de bombagem uma vez que, mesmo em insalações médias, pode ser necessário consruir verdadeiras orres; nesas condições é usual localizá-las no raçado da aduora, por exemplo em ponos alos, onde, na ausência qualquer proecção ad hoc pode ocorrer uma caviação em regime ransiório, inclusive quando exise um disposiivo de proecção na esação de bombagem. 5. ÓRGÃOS DE MANOBRA E SEGURANÇA 5. Considerações gerais Nesa alínea, apresenam-se os principais órgãos de manobra e de segurança (principalmene na perspeciva da sua função e localização) uilizados em conduas aduoras; alguns deses órgãos serão discuidos mais pormenorizadamene nouros Documenos, uma vez que os mesmos são uilizados nouros componenes que consiuem os sisemas de abasecimeno de água. Em conduas aduoras, os principais órgãos de manobra e segurança uilizados são os seguines: válvulas de seccionameno (do ipo corrediça e borbolea); venosas; válvulas de descarga ou de purga; disposiivos reduores de pressão; válvulas limiadoras de caudal. 5.2 Válvulas de seccionameno As válvulas de seccionameno êm como a finalidade permiir a divisão em roços de uma condua aduora em pressão que possam ser isolados enre si, por forma a eviar-se o esvaziameno de grandes exensões de ubagem, minimizando as perdas de água quando se orna necessário levar a cabo operações de inspecção e de limpeza periódicas e de reparação em caso de avaria SISTEMAS DE ADUÇÃO 39
(principalmene rouras). O comprimeno dos roços referidos depende do perfil longiudinal das conduas, devendo-se siuar, normalmene, enre os 2 e 4 km. De um modo geral, as válvulas de seccionameno em conduas aduoras em pressão, devem ser localizadas, de preferência, nos ponos alos do perfil (ver Figura 9 dese Documeno); eses ponos definem os roços da condua que podem ser esgoados por gravidade e são os que apresenam pressão mais reduzida. Ficam faciliadas as operações de manobra, uma vez que a diferença de pressão a monane e a jusane, quando se preende proceder à aberura da válvula, é mais reduzida do que em qualquer ouro pono. Para reduzir o comprimeno dos roços a isolar, quando é necessário proceder ao esvaziameno da condua, as válvulas de seccionameno podem ser ambém colocadas em ponos baixos (próximo da válvula de descarga ou purga). Neses casos, as operações de manobra são mais difíceis, uma vez que a diferença de pressão a monane e a jusane, quando se preende proceder à aberura da válvula, é elevada. Por vezes, para aenuar esa dificuldade é usual maner uma ubagem de pequeno diâmero em circuio de by-pass. Nas aduoras com escoameno em superfície livre é usual a exisência de comporas ou adufas, mas localizadas em ponos de fácil operação (o que nem sempre aconece no caso anerior) e, ainda, à enrada e à saída de roços localizados que funcionem em pressão, como sejam sifões inveridos e úneis. Na Figura 4, são apresenados dois exemplos ilusraivos do modo de insalação de válvulas de seccionameno. 5.3 Venosas As venosas êm principalmene as funções que a seguir se indicam: expulsar pequenos volumes de ar que se acumula no inerior das conduas aduoras em pressão, durane o seu funcionameno normal; permiir a saída de grandes volumes de ar durane a operação de enchimeno dum roço de uma condua aduora, após a reparação de uma roura; SISTEMAS DE ADUÇÃO 40