FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE COIMBRA 3º Curso de Mestrado em Hidráulica e Recursos Hídricos Francisco José Paulos Martins
1 - CONSIDERAÇÕES GERAIS 2 Objectivos do estudo sistematizar os métodos de dimensionamento hidrológico; sistematizar os métodos de dimensionamento hidráulico; elaborar um programa de cálculo automático que permita: i calcular o caudal de ponta de cheia em bacias hidrográficas; i o dimensionamento hidráulico de passagens hidráulicas; i estimar o custo total de passagens hidráulicas; aplicar do programa de cálculo automático a casos de estudo; utilização sistemática do programa de cálculo, de modo a obter elementos para pré-dimensionamento hidrológico, hidráulico e económico.
Passagem hidráulica tipo Uma passagem hidráulica é constituída por: estrutura de entrada; conduta (designada por aqueduto); estrutura de saída; estrutura de dissipação de energia (se necessário). 3
4 Estrutura do texto I -INTRODUÇÃ0 II - DIMENSIONAMENTO HIDROLÓGICO III - DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO IV - PROGRAMA DE CÁLCULO AUTOMÁTICO V - APLICAÇÃO DA METODOLOGIA PROPOSTA A CASOS DE ESTUDO VI - PRÉ-DIMENSIONAMENTO DE PASSAGENS HIDRÁULICAS VII - SÍNTESE E CONCLUSÕES. PROPOSTAS FINAIS
2 - DIMENSIONAMENTO HIDROLÓGICO 5 Formulações mais utilizados para calcular o caudal de ponta de cheia: fórmula racional; fórmula de Temez; método do SCS (Soil Conservation Service); método de Mockus; método de David. Cálculo da intensidade média de precipitação: curvas IDF de Matos e Silva (1986); curvas IDF de Brandão (1995) ou Brandão e Rodrigues (2000). Cálculo do tempo de concentração de bacias hidrográficas: fórmula de Kirpich (Pickering e David); fórmula Temez; fórmula do SCS. Coeficientes de escoamento: número de escoamento segundo o SCS; coeficiente de escoamento a utilizar no método racional (Chow, 1964 ou fórmula de Choupas,1995) ; coeficiente de escoamento (fórmula de Temez).
3 - DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO 6 Procedimentos de cálculo mais utilizados : U. S. Bureau of Public Roads (preconizado pela BRISA e pela JAE); Hydraulic Design Series Nº 5 (recomendado por U.S. Federal Highway Administration); Chow; Bodhaine (French). Tipos de escoamentos através de aquedutos: Tipo do escoamento I II III IV V VI Forma de escoamento Superfície livre Superfície livre Superfície livre Sob pressão Superfície livre Sob pressão Controlo do escoamento Entrada Saída Saída Saída Entrada Saída Hw / D Tw / D Tw / h c < 1,5 < 1,5 < 1,5 > 1,0 1,5 1,5 1,0 1,0 1,0 > 1,0 1,0 1,0 < 1,0 < 1,0 > 1,0 - - -
Tipos de escoamentos em aquedutos Tipo I Altura crítica à entrada Tipo II Altura crítica à saída Tipo III Regime lento no aqueduto 7
Tipo IV Saída submersa Tipo V Regime rápido à entrada Tipo VI Secção cheia com saída livre 8
Dissipação de energia a jusante das estruturas de saída de passagens hidráulicas: enrocamento de protecção (V < 4,5 m/s); bacia tipo PWD (Public Work Department da Austrália); bacia tipo WES (United States Corps of Engineeres); canais com soleira em degraus; bacia tipo SAF (Saint Anthony Falls); bacias do tipo III e IV do USBR (United States Bureau of Reclamation); bacias de dissipação de energia por impacto (com ou sem blocos de dissipação); estruturas de queda; estruturas de dissipação de energia com gabiões; estruturas de dissipação de energia com macrorugosidades. 9
Bacia tipo PWD 1 0
Bacia tipo WES 1 1
4 - PROGRAMA DE CÁLCULO AUTOMÁTICO 1 2 SUB-PROGRAMA QPONTA Dimensionamento Hidrológico PROGRAMA PRINCIPAL HIDROPAS Dimensionamento Hidrológico e Hidráulico de Passagens Inferiores Rodoviárias para Águas Pluviais DIMENSIONAMENTO COMPLETO QPONTA Selecção do tipo de dimensionamento ESTIMA SUB-PROGRAMA ESTIMA Estimativa de custo HIDCALC SUB-PROGRAMA HIDCALC Dimensionamento Hidráulico Fim da Simulação Saída de Resultados Memória descritiva
Tempo de concentração TCentra - Opções consideradas: - Est. comparativo (Tcentra1) - Giandotti (Tgiandot) - SCS (Tscs) - Temez (Ttemez) - Kirpich (Tkirp) - David (Tdavid) - Pickering (Tpick) - schaake (Tschaak) - Onda cinemática (Tondcin) - Izzard (Tizzard) - Linsley e Morgali (Tlinsl) - Kerby (Tkerb) SUB-PROGRAMA QPONTA Dimensionamento hidrológico Precipitações Curvas IDF Precipitação total Precipitação útil Metodologias de cálculo: - Estudo comparativo (Qdim) - Fórmulas cinemáticas: * Fórmula Racional (Racion) * Fórmula do SCS (SCS) * Normas da JAE (JAE) * Fórmula de Giandotti (GIandot) * Fórmula de Mockus (Mockus) - Fórmulas empíricas: * Fórmula de Iskowski (Iskowski) * Fórmula de Forti (Forti) * Fórmula de Pagliaro (Pagliar) 1 3 Coeficiente de escoamento Coeficiente de escoamento do SCS Coef. de escoamento da F. Racional Coef. de escoamento de Temez - Fórmulas de Loureiro (Loureiro) - Hidrograma Unitário (Unitar)
hu > D Regime Uniforme RUniform Cálculo da altura uniforme TW > TWmax SUB-PROGRAMA HIDCALC Dimensionamento Hidráulico Pré - dimensionamento Regime crítico RCrítico Cálculo da altura crítica Controle do escoamento Curvas de regolfo CRegolf Cálculo do perfil da superfície livre Altura de água a montante (HW) Altura de água a jusante (TW) Escoamento sobpressão Pressão Cálculo das perdas de carga HW > HWmax Hw/D > 1,5 e cont. a jusante. Hw/D> 1,00 e Tw/D> 1,00 1 4 Dissipassão de energia Dissip
1 5 Aqueduto de secção circular Diâmetros com interesse técnico-económico 0,60-0,80-1,00-1,20-1,50-1,80 (m) Definição da classe do aqueduto Rotura por compressão diametral Classe I, II, III ou IV Definição do tipo de aqueduto Quanto ao tipo de assentamento Tipo A ou B SUB-PROGRAMA ESTIMA Estimativa orçamental Definicão da secção do aqueduto Órgão complementares ORÇAMENTO Memória descritiva Aqueduto de secção rectangular Secção com interesse técnico económico Quando o diâmetro da secção circular for superior a 1,5 m Defenição da geometria Volume de betão armado
5 - APLICAÇÃO DA METODOLOGIA PROPOSTA A CASOS DE ESTUDO 1 6 Empreitadas da BRISA A1 - AUTO-ESTRADA DO NORTE Sublanço Pombal - Condeixa (COBA) A6 - AUTO-ESTRADA MARATECA / ELVAS Sublanço Estremoz - Borba (LUSOÁREA, Consultores) A6 - AUTO-ESTRADA MARATECA / ELVAS Sublanço Montemor-o-Novo / Évora (Tecnofisil) A9 - C.R.E..L. ESTÁDIO NACIONAL / ALVERCA Sublanço Loures - Bucelas (COBA) A12 - AUTO-ESTRADA SETÚBAL / MONTIJO (ENGIVIA, Consultores de engenharia ) Empreitadas da JAE Ligação do IP3 ao IP5 - Variante a Viseu
6 - PRÉ-DIMENSIONAMENTO DE PASSSAGENS HIDRÁULICAS Dimensionamento hidrológico Tempo de concentração 70 Tempos de concentração calculados pelo programa HIDROPAS tc = 4.865A 0.428 60 50 40 tc = 1.400A 0.500 30 20 10 0 1 10 100 1000 Área (ha) 1 7 Tempo de concentração (min)
Caudal de ponta de cheia Caudal (m3/s) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 Área (ha) CN = 100 CN = 95 CN = 90 CN = 85 CN = 80 CN = 70 Caudal de ponta de cheia para um período de retorno de 50 anos. Região pluviométrica A 1 8
Q (m3/s) D (m) 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Dimensionamento hidráulico 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 2.00 1.80 1.60 1.40 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 Hw (m) D = 0,80 D = 0.7737Q 0.3921 D = 1,00 D = 1,20 D = 1,50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Q (m3/s) PH s de secção circular. Estrutura de entrada com muros de ala. Controlo à entrada. 1 9
Custos (1000 escudos) Custos (1000 escudos) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 Estimativa de custos (Dez. 99) Custo(cl.IV) = 22.64D 1.71 Custo(cl.IV) = 33.77D 1.75 Custo(cl.II) = 30.28D 1.74 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Diâmetros (m) Custo(cl.II) = 19.12D 1.68 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Diâmetros (m) Custo(cl.III) = 20.93D 1.67 Custos para aquedutos de secção circular do tipo A. Custo(cl.III) = 32.08D 1.72 Custos para aquedutos de secção circular do tipo B. 2 0
Estimativa de custos (Dez. 99) 2 1 Custo (1000 escudos) Custo (1000 escudos) 180 160 140 Custo = 106.79 D 1.20 120 100 80 60 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Diâmetro (m) 220 200 Custo = 174.19D 0.41 180 160 140 120 Custo = 123.93D 0.71 100 80 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Custos de estruturas de entrada e de saída com muros de ala. Custos de estruturas de entrada em recipiente. Diâmetro (m)
Custos (1000 escudos) Custos (1000 escudos) 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 7500 7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Estimativa de custos (Dez. 99) Classe IV 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Comprimento (m) Classe IV 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Comprimento (m) D =1,50 m D =1,20 m D =1,00 m D =0,80 m D =0,60 m D =1,50 m D =1,20 m D =1,00 m D =0,80 m D =0,60 m Custos de PH s com aqueduto do tipo A e classe IV. Custos de PH s com aqueduto do tipo B e classe IV. 2 2
7 - SÍNTESE E CONCLUSÕES. PROPOSTAS FINAIS 23 Síntese e conclusões O estudo efectuado e os resultados obtidos conduzem às seguintes considerações e conclusões: são de aplicação corrente em Portugal diversos métodos cinemáticos para a determinação de caudais de ponta de cheia em bacias hidrográficas de PH s, sendo o de maior divulgação o baseado na fórmula racional; os valores dos caudais de ponta cheia obtidos pelos métodos do SCS (Soil Conservation Service), de Mockus e de Temez são da mesma ordem de grandeza; o cálculo da intensidade de precipitação é, geralmente, efectuado através das curvas IDF de Matos e Silva (1986), existem no entanto curvas IDF mais recentes e obtidas com informação udométrica mais vasta (Brandão e Rodrigues, 2000); as fórmulas de utilização mais frequente para cálculo do tempo de concentração são as de Kirpich (Pickering e David), SCS e Temez;
Síntese e conclusões (cont.) 2 4 o tempo de concentração em bacias de PH s não deve ser inferior a 5 min, uma vez que, para pequenas bacias (< 5 ha), o caudal de ponta de cheia é sobreavaliado devido às elevadas intensidades de precipitação que resultam da extrapolação das curvas IDF; os tipos de escoamentos mais utilizados no dimensionamento hidráulico de aquedutos são os escoamentos com controlo à entrada, pois nestes casos o caudal admitido apenas é condicionado pela altura de água a montante, pelo tipo de estrutura de entrada e inclinação do aqueduto; o dimensionamento hidráulico de aquedutos é frequentemente efectuado pela metodologia proposta pelo U.S. Bureau of Public Roads; para velocidades de escoamento à saída dos aquedutos superiores a 4,50 m/s não é aconselhável a utilização de enrocamentos de protecção, devido às dimensões do enrocamento a utilizar, pelo que se recorre a estruturas de dissipação de energia; por razões técnico-económicas, as passagens hidráulicas mais comuns em Portugal são de secção circular com estrutura de entrada em recipiente, ou com muros de ala, estrutura de saída com muros de ala e enrocamento de protecção a jusante da estrutura de saída.
Propostas finais 2 5 As acções que se julgam mais relevantes para a continuação do estudo sobre o dimensionamento de PH s são: aperfeiçoamento do programa de cálculo automático desenvolvido, nomeadamente na interface gráfica, de modo a tornar possível a sua utilização em conjunto com programas de desenho assistido por computador; inclusão no programa HIDROPAS de rotinas de dimensionamento hidráulico de aquedutos de secções diferentes das circulares e rectangulares; estudo em modelo físico de estruturas de entrada e de saída, que, para além de permitirem o estudo das perdas de carga localizadas, permitam averiguar a sua influência no escoamento ao longo do aqueduto; estudo do escoamento em aquedutos com degraus.