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FACULDADE DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE
COIMBRA
3º Curso de Mestrado em Hidráulica e Recursos Hídricos
DIMENSIONAMENTO HIDROLÓGICO E HIDRÁULICO DEPASSAGENS INFERIORES RODOVIÁRIAS PARA ÁGUA PLUVIAIS
Francisco José Paulos Martins
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.
1 - CONSIDERAÇÕES GERAISDI
MEN
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LÓGI
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ICO
DEPA
SSAG
ENS
INFE
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ARA
ÁGUA
PLU
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S
2
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).
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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 FINAISDIM
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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.
2 - DIMENSIONAMENTO HIDROLÓGICO
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).
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3 - DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICODI
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DEPA
SSAG
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INFE
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ES R
ODOV
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ARA
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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).
Tipo doescoamento
Forma deescoamento
Controlo doescoamento Hw / D Tw / D Tw / hc
6
IIIIIIIVVVI
Superfície livreSuperfície livreSuperfície livreSob pressãoSuperfície livreSob pressão
EntradaSaídaSaídaSaídaEntradaSaída
< 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 através de aquedutos:
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Tipos de escoamentos em aquedutosTipo I – Altura crítica à entrada
Tipo II – Altura crítica à saída
Tipo III – Regime lento no aqueduto
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Tipo IV – Saída submersa 8
Tipo V – Regime rápido à entrada
Tipo VI – Secção cheia com saída livre
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AIS 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.
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Bacia tipo PWD
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Bacia tipo WES
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4 - PROGRAMA DE CÁLCULO AUTOMÁTICO
PROGRAMA PRINCIPALHIDROPAS
Dimensionamento Hidrológico e Hidráulico dePassagens Inferiores Rodoviárias para Águas Pluviais
Selecção do tipode
dimensionamento
SUB-PROGRAMAHIDCALC
Dimensionamento Hidráulico
SUB-PROGRAMAQPONTA
Dimensionamento Hidrológico
Fim da Simulação – Saída de Resultados – Memória descritiva
SUB-PROGRAMAESTIMA
Estimativa de custo
QPONTA
HIDCALC
ESTIMA
DIMENSIONAMENTO COMPLETO
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- 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)
- 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)
- Fórmulas de Loureiro (Loureiro)- Hidrograma Unitário (Unitar)
Tempo de concentraçãoTCentra
-Opções consideradas:
PrecipitaçõesCurvas IDF
Precipitação totalPrecipitação útil
Coeficiente de escoamentoCoeficiente de escoamento do SCSCoef. de escoamento da F. RacionalCoef. de escoamento de Temez
Metodologias de cálculo:
SUB-PROGRAMAQPONTA
Dimensionamento hidrológico
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hu > D
Hw/D > 1,5 e cont. a jusante.
Hw/D> 1,00 e Tw/D> 1,00
HW > HWmaxTW > TWmax
Regime UniformeRUniform
Cálculo da altura uniforme
Regime críticoRCrítico
Cálculo da altura crítica
Escoamento sobpressãoPressão
Cálculo das perdas de carga
Dissipassão de energiaDissip
Altura de água a jusante (TW)
Altura de água a montante (HW)
Curvas de regolfoCRegolf
Cálculo do perfil da superfície livre
Controle do escoamento
Pré - dimensionamento
SUB-PROGRAMAHIDCALC
Dimensionamento Hidráulico
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Definição da classe do aquedutoRotura por compressão diametral
Classe I, II, III ou IV
Definição do tipo de aquedutoQuanto ao tipo de assentamento
Tipo A ou B
Defenição da geometriaVolume de betão armado
Aqueduto de secção circularDiâmetros com interesse técnico-económico
0,60 - 0,80 - 1,00 - 1,20 - 1,50 - 1,80 (m)
Aqueduto de secção rectangularSecção com interesse técnico económico
Quando o diâmetro da secção circular for superior a 1,5 m
ORÇAMENTOMemória descritiva
Órgão complementares
Definicão da secção do aqueduto
SUB-PROGRAMAESTIMA
Estimativa orçamental
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5 - APLICAÇÃO DA METODOLOGIA PROPOSTA A CASOS DE ESTUDO
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
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6 - PRÉ-DIMENSIONAMENTO DE PASSSAGENS HIDRÁULICAS
Dimensionamento hidrológico
Tempo de concentração
tc = 1.400A0.500
tc = 4.865A0.428
0
10
20
30
40
50
60
70
1 10 100 1000
Área (ha)
Tem
po d
e co
ncen
traç
ão (m
in)
Tempos de concentração calculados pelo programa HIDROPAS
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Caudal de ponta de cheia
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
Área (ha)
Caud
al (m
3/s)
CN = 100
CN = 95
CN = 85
CN = 80
CN = 70
CN = 90
Caudal de ponta de cheia para um período de retorno de 50 anos. Região pluviométrica A
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Dimensionamento hidráulico
0123456789
1011121314
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
Hw (m)
Q (m
3/s)
D = 1,50
D = 1,20
D = 1,00
D = 0,80
D = 0.7737Q0.3921
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Q (m3/s)
D (m
)
• PH’s de secção circular.
• Estrutura de entrada com muros de ala.
• Controlo à entrada.
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Estimativa de custos (Dez. 99)
Custo(cl.II) = 30.28D1.74
Custo(cl.III) = 32.08D1.72
Custo(cl.IV) = 33.77D1.75
10152025303540455055606570
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)
Custos para aquedutos de secção circular do tipo B.
Custo(cl.II) = 19.12D1.68
Custo(cl.III) = 20.93D1.67
Custo(cl.IV) = 22.64D1.71
0
5
1015
20
25
3035
40
45
50
0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Diâmetros (m)
Cus
tos
(100
0 es
cudo
s)
Custos para aquedutos de secção circular do tipo A.
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Custo = 106.79 D1.20
60
80
100
120
140
160
180
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Diâmetro (m)
Cust
o (1
000
escu
dos)
Custos de estruturas de entrada e de saída com muros de ala.
Custo = 123.93D0.71
Custo = 174.19D0.41
80
100
120
140
160
180
200
220
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Diâmetro (m)
Cus
to (1
000
escu
dos)
Custos de estruturas de entrada em recipiente.
21Estimativa de custos (Dez. 99)
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0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
7000
7500
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Comprimento (m)
Cust
os (1
000
escu
dos) D =1,20 m
D =1,00 m
D =0,80 m
D =0,60 m
D =1,50 m
Classe IV
Custos de PH’s com aqueduto do tipo B e classe IV.
Classe IV
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Comprimento (m)
Cus
tos
(100
0 es
cudo
s)D =1,20 m
D =1,00 m
D =0,80 m
D =0,60 m
D =1,50 m
Custos de PH’s com aqueduto do tipo A e classe IV.
22
Estimativa de custos (Dez. 99)
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7 - SÍNTESE E CONCLUSÕES. PROPOSTAS FINAIS
O estudo efectuado e os resultados obtidos conduzem às seguintesconsiderações 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
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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 sãode 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.
Síntese e conclusões (cont.)24
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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.
Propostas finais 25
