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IV SIMPÓSIODE HIDRÁULICA E RECURSOS HÍDRICOS
DOS PAÍSES DE LÍNGUA OFICIAL PORTUGUESA
IV SILUSBA
DIMENSIONAMENTO HIDROLÓGICO E HIDRÁULICO DEPASSAGENS HIDRÁULICAS ASSISTIDO POR COMPUTADOR
Francisco José Paulos MartinsEng. Civil, Assistente do 1º TriénioDep. de Engenharia Civil, ESTV
António Nascimento PinheiroProfessor Auxiliar
DECivil, IST
José Antunes CarmoProfessor Auxiliar
Dep. de Engenharia Civil, FCTUC
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Objectivos do estudo:Objectivos do estudo:
sistematizar os métodos de dimensionamento hidrológico;;
sistematizar os métodos de dimensionamento hidráulico;
propor uma metodologia de dimensionamento de passagens hidráulicas;
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;
utilizar o programa de forma sistemática por forma a obter critérios de dimensionamento expeditos a utilizar em estudo prévio .
1 1 -- CONSIDERAÇÕES GERAISCONSIDERAÇÕES GERAIS
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Passagem hidráulica tipoPassagem 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).
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Dimensionamento hidrológicoDimensionamento hidrológico
Formulações mais utilizados para calcular o caudal de ponta de cheia em bacias hidrográficas de passagens hidráulicas:
fórmula racional;
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) ou Brandão (1995);
curvas IDF características da zona (se existirem registos pluviométricos).
Cálculo do tempo de concentração das bacias hidrográficas:fórmula de Kirpich;
fórmula de Pickering;
fórmula de David;
fórmula Temez;
fórmula do SCS;
fórmula de Kerby;
fórmula de Izzard;
fórmula Linsley;
fórmula de Giandotti.
fórmula de Temez
fórmula de Giandotti;
fórmula de Iskowski;
fórmula de Pagliaro.
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Dimensionamento hidráulicoDimensionamento hidráulico
Procedimentos de cálculo mais utilizados :
U. S. Bureau of Public Roads (preconizado por BRISA e da JAE);
Hydraulic Design Series Nº 5 (recomendado por U.S. Federal Highway Administration);
Chow;
French;
Tipos de escoamentos através de aquedutos:
Referência doescoamento
Tipo deescoamento
Controle doescoamento Hw / D Tw / D Tw / hc
IIIIIIIVVVI
Superfície livreSuperfície livreSuperfície livre
Sob pressãoSuperfície livre
Sob pressão
MontanteJusanteJusanteJusante
MontanteJusante
< 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
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Controle à entrada
Tipo III – Regime lento no aqueduto
Controle à saída
Tipo VI – Secção cheia com saída livre
Controle à saída
Tipo IV – Saída submersa
Controle à saída
Tipo I – Altura crítica à entrada
Controle à entrada
Tipo II – Altura crítica à saída
Controle à saída
Tipo V – Regime rápido à entrada
Tipos de escoamentos em aquedutosIV
SIM
PÓSI
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Dissipação de energia a jusante das estruturas de saída das passagens hidráulicas:
enrocamento de protecção (V < 4,5 m/s);
bacia tipo PWD (desenvolvida pelo Public Work Department da Austrália);
bacia tipo WES (desenvolvida pelo United States Corps of Engineeres);
bacia tipo SAF (Saint Anthony Falls);
bacias do tipo III e IV do USBR (United States Bureau of Reclamation);
estruturas de dissipação de energia por impacto (com ou sem blocos de dissipação);
estruturas de queda;
estruturas de dissipação de energia com degraus;
estruturas de dissipação de energia com gabiões;
estruturas de dissipação de energia com macrorugosidades.
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Bacia tipo PWD
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Bacia tipo WES
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Dimensionamento técnico económicoDimensionamento técnico económico
Quantidades de trabalhos consideradas:
volume de escavação para implantação das passagens
hidráulicas;
comprimento de condutas de betão para cada classe e
diferentes diâmetros comerciais;
volume de betão armado (C20/25, A400 NR);
volume de betão (C16/20) de regularização;
volume de enrocamento a jusante da estrutura de saída.
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Dimensionamento técnico económicoDimensionamento técnico económico
Custos totais utilizados no programa para aquedutos de secção circular do tipo A :
C( Classe I ) = 18.876D1.5413
(R2 = 0.9701)
C(Classe III) = 20.933D1.6656
(R2 = 0.9927)
C(Classe IV) = 22.636D1.7061
(R2 = 0.9986)
C(Classe II ) = 19.123D1.6829
(R2 = 0.9741)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Diâmetros (m)
Cust
os (1
000
escu
dos)
Classe I
Classe II
Classe III
Classe IV
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Dimensionamento técnico económicoDimensionamento técnico económico
Custos totais utilizados no programa para aquedutos de secção circular do tipo B:
C(Classe I ) = 29.260D1.5802
(R2 = 0.9878)
C(Classe III) = 32.076D1.7231
(R2 = 0.9969)
C(Classe IV) = 33.772D1.7479
(R2 = 0.9995)
C(Classe II) = 30.277D1.7364
(R2 = 0.9897)
05
10152025303540455055606570
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Diâmetros (m)
Cust
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escu
dos)
Classe I
Classe II
Classe III
Classe IV
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2 2 -- PROGRAMA DE CÁLCULO AUTOMÁTICOPROGRAMA DE CÁLCULO AUTOMÁTICO
P R O G R A M A P R I N C I P A LH ID R O P A S
D im e n sio n a m e n to H id r o ló g ico e H id rá u l ico d e P as s a g e n sIn fe r io r e s R o d o v iá r ia s p a ra Á g u as P lu v ia i s
S e le c çã o d o t i p o d ed i m en s io n a m e n t o
S U B -P R O G R A M AH ID C A L C
D im e n sio n a m e n to H i d rá u li c o
S U B -P R O G R A M AQ P O N T A
D im e n sio n a m e n to H i d ro ló g i c o
F im d a S im u la ç ã o – S a íd a d e R e su l ta d o s – M e m ó r ia d e sc r it iv a
S U B -P R O G R A M AE S T IM A
D im e n si o n a m e n to T é c n ic o -E c o n ó m ic o
Q P O N T A
H ID C A L C
E S T IM A
D IM E N S IO N A M E N T O C O M P L E T O
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Módulo QPONTA:Módulo QPONTA:S U B -P R O G R A M A
Q P O N TAD im en sion a m en to H id r o lóg ico
In tr od u çã o d e d a d os:- áre a da ba c ia ;- coe fic ie n te de e scoa m e n to ;- N ú m ero d e escoa m e n to .
C á lcu lo d oT e m p o d e
con ce n traç ã oS im
T c e n tr aIn trod u ç ã o d e d a d os :- co m p rim e n to d o cu r so o u li n h a
d e á g u a p rin c ip a l ;- d i fere n ça d e co ta s e n tr e a s
ex tr e m id a d e s d a b a c ia
M etod olo giad e cá lcu lo
E x p res sã o d o S C ST sc s
E x p res sã o d e G ia n d o tt iT g ia n d ot
E x p res sã o d e T e m e zT te m e z
E x p res sã o d e P ick erin gT p ic k
E x p res sã o d e K irp ichT k ir p
E x p res sã o d e D a v idT d a vid
E s tud o com p a ra tivoT c e n tr a 1
E x p res sã o d e S ch a a keT sc h a a k
E x p res sã o d e L in sle yT lins l
E x p res sã o d e K erb yT te m e z
E x p res sã o d e P ick erin gT k e r b
E x p res sã o d e Iz za rdT izza r d
N ã o
T e m p o d econ ce n traç ã o
C á lcu lo da in ten sida d e m éd iad e pr ec ip i ta çã o
ID F
C a u da l d e p on ta d e ch e iaM etod o log ia d e cá lcu lo
M étod o R a cion a lR a c ion
M étod o d o S C SS C S
M étod o d e D a vidD a vid
M étod o d e M ock u sM oc k u s
M étod o d e G ia nd o ttiG ia n d ot
M étod o d e L ou re iroL ou r e ir o
E s tud o com p a ra tivoQ D im
F ó rm u la d e Isk ow sk iI sk ow sk i
F ó rm u la d e F or t iF or ti
F ó rm u la d e P a g liaroP ag lia r o
C a u da l d e p o n ta d e c h e ia
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Módulo HIDCALC:Módulo HIDCALC:
Pré -dimensionamento da secção parao caudal de dimensionamento .
(Fórmula de M anning-Strickle r)
Escolha da largura do aqueduto(Secção com inte resse técnico-económico quando o diâmetro dasecção circular é supe rior a 1,50 m)
Cálculo da pe rda de cargatotal no aqueduto (H)
Secção circular (C)ou rectangular (R)Circular Rectangular
Pré -dimensionamento do diâmetropara o caudal de dimensionamento.
(Fórmula de M anning-Strickle r)
Escolha do diâmetro do aquedutoDiâmetros comerciais com intere ssetécnico-económico:0,60 0,80 1,00 1 ,20 1,50 1,80 (m)
Cálculo da altura crítica (h c)R crítico
Cálculo da altura uniforme (h u)R unifor m
Controle doescoamento
JusanteM ontante
Cálculo do pe rfi l dasuperfície livre
C regolf(De jusante para m ontante)
Cálculo do pe rfil dasuperfície livre
C regolf(D e montante para jusante)
Altura de água a montante (H w)Altura de água a jusante (T w)
SimAlte rar a
geometriaHw > H w maxTw > T w max
NãoDissipação de energia
Dissip
Secção do aqueduto , alturas de água Hw e Tw e dimensões do tape te de enrocamento
SU B-PR O GR AM AHIDCALC
D im ensionam ento H idráulico
Introdução de dados:- caudal de dimensionamento(Q d), se d ife rente do caudal de ponta de cheia;- altura m áxim a de água a m ontante (Hw máx);- coeficiente de pe rda de carga na e strutura de entrada do aqueduto (k e);- coeficiente de rugosidade de M anning (n);- comprimento do aqueduto (L);- cota de soleira à entrada e a jusante do aqueduto (Z 1 e Z 2).
Hw/D > 1,50 e contr. a jusanteHw/D > 1,00 e Tw/D > 1 ,00
Sim Esc. sob pressãoPressão
N ão
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Módulo ESTIMA:Módulo ESTIMA:
Pré-dimensionamento estrutural(Volume de betão armado)
Tipo de secção:circular (C)rectangular (R)
Circular Rectangular
Classe do aqueduto(Classe I, II, III ou IV)
Tipo de aqueduto(Tipo A ou B)
Custo total das condutas
SUB-PRO GR AM AESTIMA
Dimensionamento Técnico-económico
Leitura de dados anteriores:- diâmetro ou altura do aqueduto;- comprimento do aqueduto;- volume do tapete de enrocamento
Quantificação do custo(metro linear)
Quantificação do custo(metro linear)
Tipo de estruturas de entrada e saída(quantificação de custos)
Dissipação de energia(quantificação de custos)
Estimativa de custos
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3 3 -- CONSIDERAÇÕES FINAISCONSIDERAÇÕES FINAIS
A análise bibliográfica mostrou serem de aplicação corrente em Portugal diversos métodos para determinação de caudais de ponta de cheia em bacias hidrográficas de passagens hidráulicas, sendo o de maior divulgação o baseado na fórmula racional.
Os resultados dos diferentes métodos nem sempre são similares, pelo que, em casos de aplicação, uma análise comparativa de diversos métodos (Temez, David, SCS, Mockus e fórmula racional) se julga necessária.
Neste contexto, a automatização dos procedimentos de cálculo de diversos métodos torna-se aconselhável face ao elevado número de passagens hidráulicas a que o traçado das vias de comunicação obriga.IV
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3 3 -- CONSIDERAÇÕES FINAIS CONSIDERAÇÕES FINAIS (continuação)(continuação)
Os diferentes tipos de escoamento apresentados poderão obrigar a cálculos trabalhosos, pelo que também neste domínio se justifica a elaboração de um programa de cálculo automático que permita analisar diversas soluções.
O programa de cálculo automático HIDROPAS, elaborado no âmbito da dissertação de mestrado que o 1º autor se encontra a elaborar sob orientação dos restantes autores, permite dar resposta ao exposto nas considerações anteriores. Permite ainda, elaborar para cada uma das soluções consideradas a respectiva estimativa de custo.
O programa HIDROPAS constitui assim um instrumento simultaneamente potente e expedito de dimensionamento técnico-económico de passagens hidráulicas, sendo também passível de utilização extensiva de modo a obter resultados gerais aplicáveis em fases de pré-dimensionamento.
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A análise, desenvolvida até à presente data, de casos de estudo em projectos de drenagem transversal, efectuados para a BRISA e JAE, permite concluir:
para bacias hidrográficas com área inferiores a 5 ha, os caudais de pontas de cheia são normalmente sobreavaliados devido ás elevadas intensidades médias de precipitação resultantes de pequenos tempos de concentração. Deste modo, sugere-se que o tempo de concentração mínimo seja limitado a 5 minutos;
as fórmulas que se mostraram mais adequadas para calcular o tempo de concentração em bacias hidrográficas de passagens hidráulicas são as fórmulas de Kirpich, Pickering e David;
os caudais de ponta de cheia resultantes da aplicação da fórmula racional nem sempre são similares, pois a escolha do coeficiente de escoamento é geralmente descuidada e pouco rigorosa;
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os métodos do SCS (Soil Conservation Service) e de Mockussão os que se mostraram mais adequados para calcular os caudais de ponta de cheia nas bacias de passagens hidráulicas;
utilizando o módulo HIDCALC no dimensionamento hidráulico de aquedutos, obtêm-se resultados similares aos dos projectos analisado, para os mesmos caudais de ponta;
as estruturas de dissipação de energia só são utilizadas quando não é possível reduzir a velocidade à saída dos aquedutos, para valores inferiores a 4,5 m/s, recorrendo ao aumento de secções ou redução dos declives dos aquedutos.
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