Determinação da Intensidade de Chuva Para obtenção das intensidades de chuvas de curta duração, em função de diversos tempos de recorrência, aplicaram-se procedimentos a seguir descritos: Primeiramente transformou-se as chuvas de 1 dia, para diferentes tempos de recorrência (T), em uma chuva de 24 horas, através da relação: P(24h:T) / P(1 dia:t) = 1,13. Através do valor da chuva de 24 horas, para um dado T, é possível determinar as chuvas de mais curta duração através de relações médias entre precipitações de diferentes durações, definidos por um estudo de chuvas intensas, efetuados pelo DNOS. Quadro 4.3 - Relação de chuvas de diferentes durações. Relação de Chuvas de Diferentes Durações Valor Médio Obtido pelo DNOS Relação de Chuvas de Diferentes Durações Valor Médio Obtido pelo DNOS 5 min / 30 min 0,34 1 h / 24 h 0,42 10 min / 30 min 0,54 6 h / 24 h 0,72 15min / 30min 0,70 8 h / 24 h 0,78 20 min / 30min 0,81 10 h / 24 h 0,82 25 min / 30 min 0,91 12 h / 24 h 0,85 30 min / 1 h 0,74 300 250 200 Curvas de Intensidade - Duração - Recorrência Posto Pluviométrico de Ubatuba/SP Período: 1946-1995 1 5 15 25 50 Intensidade (mm/h) 150 100 50 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Duração (min) Figura 4.6 - Curvas de intensidade duração tempo de recorrência. 42
300 250 Curvas de Precipitação - Duração - Recorrência Posto Pluviométrico de Ubatuba/SP Período: 1946-1995 1 5 15 25 50 200 Precipitação (mm) 150 100 50 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Duração (min) Figura 4.7 - Curvas de precipitação duração tempo de recorrência. Período de Retorno O intervalo de tempo para que uma dada chuva de intensidade e duração definidas seja igualada ou superada é denominado período de retorno ou tempo de recorrência. Os tempos de recorrência adotados são os preconizados pelas instruções do Manual de Hidrologia Básica do DNIT (2005). Estes tempos estão apresentados na Tabela 4.1. Tabela 4.1 - Relação de chuvas de diferentes durações. OBRAS TR ADOTADO FUNCIONAMENTO Drenagem profunda e subsuperficial 10 anos Dispositivos de drenagem superficial 5 anos Canal Bueiros tubulares e Celulares 15 anos Canal Verificação de Bueiros tubulares e Celulares 25 anos Orifício Ponte, pontilhão 50 a 100 anos Canal 43
Determinação do Tempo de Concentração O tempo de concentração necessário para que a partir do início de uma chuva, todos os pontos da bacia de drenagem passem a contribuir para uma dada seção é denominado Tempo de Concentração, este é calculado pela fórmula de R.Peltier / J.L. Bonnenfant, método indicado para pequenas bacias (menores que 4km²) através da expressão: Onde: TC = T 1 + T 2 T1: tempo de escoamento em min, tabelados em função da cobertura vegetal e da declividade do talvegue. T2: é definido pela expressão: T2 = 1/ß2 x T 2 1/ß2: correção da cobertura vegetal (tabelado). Para região montanhosa 1/ß2 = 1,33; T 2: é a relação entre a forma, a declividade e a área da bacia; coef. de forma (α): coeficiente de forma da bacia, dado pela relação entre o comprimento do talvegue e a área da bacia, definido pela expressão: Onde: α = L / A1/2 α: coeficiente de forma da bacia; L: comprimento do talvegue (hm); A: área da bacia (ha). De acordo com a IS-203 do DNIT Para as obras de drenagem superficial será adotado o tempo de concentração igual a 5 minutos. Determinação das Vazões O cálculo das vazões de projeto depende diretamente da dimensão da bacia de contribuição e foi processado de acordo com os seguintes critérios: Bacias com áreas até 10 km2: Método Racional Bacias com áreas superiores a 10 km²: Método do Hidrograma Unitário Triangular. 44
Método Racional Serão calculados pelo método racional o qual é definido pela seguinte fórmula: Onde: Q = 0,0028 x C x I x A (para bacias até 4km²) Q = vazão (m3/s) C = coeficiente de deflúvio (R.Peltier/J.L.Bonnenfant ou Baptista Gariglio/José Paulo Ferrari) I = intensidade de precipitação calculada (mm/h) A = área da bacia contribuinte (ha) Os valores de chuva são extraídos do gráfico altura-duração-frequência, com a duração igual ao tempo de concentração da bacia. A determinação do volume de excesso de chuva resultante de uma precipitação uniforme sobre a bacia é feita levando em conta o complexo solocobertura vegetal. O coeficiente de escoamento superficial C relaciona o volume precipitado com o volume efetivamente escoado, considerando-se as características da região, como topografia, geologia e ocupação do solo. A seguir serão apresentados em sequência os estudos hidrológicos específicos de cada ponto, definindo assim, as bacias hidrográficas de contribuição, coeficiente de escoamento, vazões e dimensionamentos hidráulicos. 4.2. Estudos Hidrológicos e Hidráulicos Específicos Ponto 1 No ponto 1 os estudos hidrológicos tem o objetivo de realizar a verificação hidráulica dos dispositivos de drenagem superficial existentes na rodovia BR-101 Rodovia Rio Santos, situada próxima a divisa dos estados de São Paulo e Rio de Janeiro. a) Definição da Bacia Hidrográfica de Contribuição A área da bacia hidrográfica foi demarcada pela carta vetorizada de Piscinguaba fornecida pelo Instituto Brasileiro de Geografia e estatística (IBGE), conforme ilustra a imagem a seguir: 45
Bacia hidrográfica: 1,41ha. Tabela 4.2 - Definição da área da bacia de contribuição. Para a bacia acima representada, subdividida em duas sub-bacias para análise da capacidade das sarjetas a partir do divisor, foram levantadas as seguintes características: Bacia hidrográfica do Ponto 1: Localização do acidente: BR-101, km 0+600; Área da bacia: 1,4 ha ou 0,014 km² Comprimento: 1.000 m; Desnível: aproximadamente 60 m; Declividade média: 0,06 m/m. b) Determinação do Coeficiente de Escoamento (c) O coeficiente de escoamento superficial C relaciona o volume precipitado com o volume efetivamente escoado, considerando-se as características da região, como topografia geologia e ocupação do solo. No caso do ponto 1 determinou-se o valor a ser utilizado para coeficiente C igual a 0,85, referente ao escoamento, basicamente, sobre a plataforma pavimentada da rodovia, com baixa permeabilidade. 46
c) Determinação das Vazões O cálculo das vazões de projeto foi processado de acordo com os seguintes critérios: a) Bacias com áreas até 10 km²: Método Racional b) Bacias com áreas superiores a 10 km²: Método do Hidrograma Unitário Triangular. Para estas bacias, obteve-se uma área inferior a 10km² correspondendo, então, a utilização Método Racional para o cálculo das vazões. Para o cálculo das vazões da bacia objeto do presente relatório, através do método racional com adoção dos coeficientes de deflúvio e tempo de concentração de Peltier/Bonnenfant, seguimos os seguintes dados físicos e geomorfológicos: Região montanhosa; Área da bacia (A): 1,41 ha; Comprimento Talvegue (L): 1.000m; Declividade efetiva (i): 0,06 m/m; Tempo de Recorrência (TR): 5 e 10 anos; Coef. de deflúvio (C): 0,85. I. Método Racional: II. Cálculo do Tc: Q = 0,0028 x C x I x A (para bacias até 4km²) Por tratar-se da verificação hidráulica de dispositivos de drenagem superficial e de uma bacia de pequena dimensão, adotou-se o tempo de concentração mínimo de 5 minutos. III. Determinação da intensidade de chuva: Pelos gráficos de IxDxF: Para TR = 5 anos: Para TR = 10 anos: I 5 = 314 mm/h; I 5 = 380 mm/h; 47
IV. Determinação da vazão da bacia: Q = 0,0028 x C x I x A Para TR = 5 anos: Q 5 = 1,05 m³/s; Para TR = 5 anos: Q 5 = 1,27 m³/s; d) Dimensionamento hidráulico da sarjeta/valeta Para a vazão calculada de 1,05 m³/s (TR de 5 anos), a descida d água que consta no Volume 2 do projeto executivo é atendida, sendo compatível com bueiro de diâmetro de 1,00m. Ponto 3 No ponto 3 os estudos hidrológicos tem o objetivo de realizar a verificação hidráulica dos dispositivos de drenagem superficial existentes na rodovia BR-101 Rodovia Rio Santos, situada próxima ao balneário de Cambury, município de Ubatuba. a) Definição da Bacia Hidrográfica de Contribuição A área da bacia hidrográfica foi demarcada pela carta vetorizada de Piscinguaba fornecida pelo Instituto Brasileiro de Geografia e estatística (IBGE), conforme ilustra a imagem a seguir: 48
Bacia hidrográfica: 0,5 ha. Figura 4.8 - Definição da área da bacia de contribuição. Para a bacia acima representada, foram levantadas as seguintes características: Bacia hidrográfica do Ponto 3: Localização do acidente: BR-101, km; Área da bacia: 0,5 ha ou 0,005 km² Comprimento: 100 m; Desnível: aproximadamente 12 m; Declividade média: 0,12 m/m. b) Determinação do Coeficiente de Escoamento (c) O coeficiente de escoamento superficial C relaciona o volume precipitado com o volume efetivamente escoado, considerando-se as características da região, como topografia geologia e ocupação do solo. No caso do ponto 3 determinou-se o valor a ser utilizado para coeficiente C igual a 0,70, referente a pequena bacia de solo e rocha com vegetação rala e de baixa permeabilidade. 49
c) Determinação das Vazões O cálculo das vazões de projeto foi processado de acordo com os seguintes critérios: Bacias com áreas até 10 km²: Método Racional Bacias com áreas superiores a 10 km²: Método do Hidrograma Unitário Triangular. Para estas bacias, obteve-se uma área inferior a 10km² correspondendo, então, a utilização Método Racional para o cálculo das vazões. Para o cálculo das vazões da bacia objeto do presente relatório, através do método racional com adoção dos coeficientes de deflúvio e tempo de concentração de Peltier/Bonnenfant, seguimos os seguintes dados físicos e geomorfológicos: Região montanhosa; Área da bacia (A): 0,70 ha; Comprimento Talvegue (L): 100m; Declividade efetiva (i): 0,12 m/m; Tempo de Recorrência (TR): 5 e 10 anos; Coef. de deflúvio (C): 0,70. V. Método Racional: VI. Cálculo do Tc: Q = 0,0028 x C x I x A (para bacias até 4km²) Por tratar-se da verificação hidráulica de dispositivos de drenagem superficial e de uma bacia de pequena dimensão, adotou-se o tempo de concentração mínimo de 5 minutos. VII. Determinação da intensidade de chuva: Pelos gráficos de IxDxF: Para TR = 5 anos: Para TR = 10 anos: I 5 = 314 mm/h; I 10 = 380 mm/h; 50
VIII. Determinação da vazão da bacia: Q = 0,0028 x C x I x A Para TR = 5 anos: Q 5 = 0,30 m³/s; Para TR = 10 anos: Q 10 = 0,37 m³/s; d) Dimensionamento hidráulico da sarjeta/valeta Para a vazão dimensionada de 0,3 m³/s (TR de 5 anos), projetou-se uma sarjeta constante no Volume 2 do projeto, revestido em concreto, com vazão máxima de 0,8 m³/s. Ponto 5 No ponto 5 os estudos hidrológicos tem o objetivo de realizar a quantificação hidráulica dos dispositivos de drenagem subhorizontais profundos da obra de contenção existente neste ponto da rodovia BR-101 Rodovia Rio Santos, situada próxima ao balneário de Cambury, município de Ubatuba, bem como a influência da meia pista do pavimento existente, de modo a elaborar o dimensionamento da sarjeta situada neste trecho e dos novos drenos que serão instalados. e) Definição dos dispositivos e da área de Contribuição Para análise da capacidade e o conseqüente dimensionamento das sarjetas, considerou-se, neste primeiro momento, a contribuição da vazão de escoamento superficial da meia pista da rodovia, que possuem as seguintes características: Bacia hidrográfica do Ponto 5: a) Localização do acidente: BR-101, km 18+000; b) Área da bacia (meia pista): 0,052 ha ou 0,00052 km² c) Comprimento: 130 m; d) Declividade média: 0,01 m/m. 51
f) Determinação das Vazões A determinação da vazão de contribuição dos DHP s da obra de contenção existente foi calculado por meio de Hazen-Willians, que segue: Sendo o coeficiente de rugosidade adotado igual a 140, o diâmetro do DHP existente igual a 50mm e a declividade do mesmo igual a aproximadamente 1%, temos desta forma: Adotando 130 metros de extensão da solução, tendo a cada 4 metros um DHP e admitindo que 50% dos dispositivos contribuirão para a vazão em um dos sentidos (à meia cota longitudinal, há um divisor de águas), a vazão parcial da sarjeta proveniente da contribuição dos DHP s será: O cálculo das vazões de projeto foi acrescido, de acordo com os seguintes critérios abaixo, da pequena bacia considerada proveniente da contribuição da meia pista do pavimento à vazão: c) Bacias com áreas até 10 km²: Método Racional d) Bacias com áreas superiores a 10 km²: Método do Hidrograma Unitário Triangular. Para esta bacia, obteve-se portanto uma área inferior a 10km² correspondendo, então, a utilização Método Racional para o cálculo das vazões. Para o cálculo das vazões da bacia objeto do presente relatório, através do método racional com adoção dos coeficientes de deflúvio e tempo de concentração de Peltier/Bonnenfant, seguimos os seguintes dados físicos e geomorfológicos: a) Região montanhosa; 52
b) Área da bacia (A): 0,026 ha; c) Comprimento Talvegue (L): 65m (130m/2); d) Declividade efetiva (i): 0,01 m/m; e) Tempo de Recorrência (TR): 5 e 10 anos; f) Coef. de deflúvio (C): 0,85. IX. Método Racional: X. Cálculo do Tc: Q = 0,0028 x C x I x A (para bacias até 4km²) Por tratar-se da verificação hidráulica de dispositivos de drenagem superficial e de uma bacia de pequena dimensão, adotou-se o tempo de concentração mínimo de 5 minutos. XI. Determinação da intensidade de chuva: Pelos gráficos de IxDxF: Para TR = 5 anos: Para TR = 10 anos: I 5 = 314 mm/h; I 10 = 380 mm/h; XII. Determinação da vazão da bacia: Q = 0,0028 x C x I x A Para TR = 5 anos: Q 5 = 0,20 m³/s; Para TR = 10 anos: Q 10 = 0,23 m³/s; g) Dimensionamento hidráulico da sarjeta/valeta Para a vazão dimensionada de 0,20 m³/s (TR de 5 anos) da meia pista, acrescentou-se a vazão de contribuição dos DHP s instalados na obra de contenção existente de 0,00167m³/s, totalizando uma vazão de chegada na sarjeta de 0,21 m³/s. Desta forma, dimensionou-se uma sarjeta triangular STC07 com comprimento de de 0,58m, altura de 0,3m e revestido em concreto. 53
Ponto 6 No ponto 6 os estudos hidrológicos tem o objetivo de realizar a verificação hidráulica dos dispositivos de drenagem superficial existentes neste local. a) Definição da Bacia Hidrográfica de Contribuição A área da bacia hidrográfica foi demarcada pela carta vetorizada de Piscinguaba fornecida pelo Instituto Brasileiro de Geografia e estatística (IBGE), conforme ilustra a imagem a seguir. P6 RN1979-A sub-bacia - 2 sub-bacia - 1 Bacias hidrográficas: Sb1: 9,6 ha / Sb2: 5,1 ha. Figura 4.9 - Definição da área da bacia de contribuição. Para a bacia acima representada, subdividida em duas sub-bacias para análise da capacidade das sarjetas a partir do divisor, foram levantadas as seguintes características: Bacia hidrográfica do Ponto 6: Localização do acidente: BR-101, km 21+500; Área da bacia: sub-bacia 1 (sb1): 9,6 ha ou 0,09 km² Sub-bacia 2 (sb2): 5,1 há ou 0,05 km²; Comprimento talvegue: sb1: 596 m / sb2: 495 m; Desnível: aproximadamente 200 m; Declividade média: sb1: 0,33 m/m / sb2: 0,40 m/m. 54
b) Determinação do Coeficiente de Escoamento (c) O coeficiente de escoamento superficial C relaciona o volume precipitado com o volume efetivamente escoado, considerando-se as características da região, como topografia geologia e ocupação do solo. No caso do ponto 6 determinou-se o valor a ser utilizado para coeficiente C de escoamento considerando que trata-se de uma região montanhosa, de vegetação densa e média permeabilidade do solo (ver Figura 4.10) com C1=0,5. Utilizando estes valores definidos pelo Eng.Gariglio/Ferrari e considerando que em 26% da área da bacia apresenta vegetação rala de média permeabilidade com C2=0,6, pode-se definir um coeficiente de escoamento equivalente ponderado onde C=0,52. P6 RN1979-A sub-bacia - 2 sub-bacia - 1 Figura 4.10 - Definição do coeficiente de escoamento através da visualização da área da bacia de contribuição do Ponto 6. c) Determinação das Vazões O cálculo das vazões de projeto foi processado de acordo com os seguintes critérios: Bacias com áreas até 10 km²: Método Racional Bacias com áreas superiores a 10 km²: Método do Hidrograma Unitário Triangular. Para estas bacias, obteve-se uma área inferior a 10km² correspondendo, então, a utilização Método Racional para o cálculo das vazões. 55