Obras Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de Margens1UNIVERSIDADE
DE SO PAULOESCOLA POLITCNICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRULICA E
SANITRIAEstabilizao e Proteo de MargensPHD 5023 Obras FluviaisProf.
Dr. Giorgio BrighettiJos Rodolfo Scarati MartinsJunho/2001Obras
Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de Margens2SUMARIO1 INTRODUO 32
ESTABILIDADE DOS CANAIS SOBAAO DO ESCOAMENTO62.1.1 CAUSAS
DAINSTABILIDADE DAS MARGENS 62.2 AO DAS CORRENTES 82.2.1 VELOCIDADE
MDIA MXIMA ADMISSVEL 82.2.2 TENSO DE ARRASTE 102.2.3 PROTEO CONTRA
AO DAS CORRENTES 152.3 AO DE ONDAS 172.3.1 ONDAS DE VENTO 172.3.2
ONDAS DEVIDO PASSAGEM DEEMBARCAES 202.3.3 DIMENSIONAMENTO DE
PROTEES CONTRA A AO DE ONDAS 233 PROTEES CONTNUAS273.1
REVESTIMENTOS FLEXVEIS 273.1.1 PROTEO COM ENROCAMENTO 273.1.2
PROTEO COM COLCHES 343.1.3 ENROCAMENTOS SINTTICOS 483.1.4 GABIES
CAIXA 523.2 PROTEES RGIDAS 553.2.1 PAINIS DE CONCRETO ARMADO
553.2.2 CORTINAS ATIRANTADAS 563.2.3 MUROS DE GRAVIDADE 563.2.4
PLACAS PR-MOLDADAS DE CONCRETO 574 PROTEES DESCONTNUAS554.1
CARACTERSTICAS GERAIS 554.2 ESPIGES 554.2.1 CLASSIFICAO DOS ESPIGES
E EXEMPLOS 564.2.2 DIMENSIONAMENTO DOS ESPIGES DE PROTEO 604.2.3
MATERIAIS EMPREGADOS NA CONSTRUO DOS ESPIGES E EXEMPLOS 654.3
DIQUES 714.3.1 CERCAS DE MADEIRA 715 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
73Obras Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de Margens1 IntroduoO
propsito fundamental da estabilizao e proteo de margens, sob o
ponto de
vistahidrulico,manteraseodocursodguaestveledentrodoslimitesestabelecidosparasuautilizao,sejacomoviadenavegao,componentedeumsistema
de drenagem, aproveitamento hidreltricoou abastecimento de
gua.Objetivos Principais Exemplos
Especficosevitaraerosodasmargenscomperdadematerial e dados aos
terrenos
adjacentesproteodeportos,ancoradouroseacessoeclusasmelhoraroalinhamentodofluxo,manteraforma
da seo transversalproteodepistasdetrfegojuntosmargens, pontes,
encontros e acessoscontribuir com a estabilidade geotcnica
proteodetomadasdguaeestruturasdedescargacontribuircomamanuteno,aspectosvisuais
e paisagsticos, limpeza e etc.proteodepropriedadessmargensdocurso
dguaFigura1: Exemplos de Proteo de Margens para diferentes
finalidadesAaohidrulicasobreasmargenssedanaformadecorrentes,quearrastamomaterial
constituinte e na forma de ondas, provocadas pelo prprio
escoamento, vento,operao de estruturas hidrulicas ou pelo movimento
das embarcaes.Obras Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de
Margens4Asformasdeproteousualmenteempregadascontraaaohidrulica,soclassificadas
em dois grupos,
osrevestimentosouproteesdiretasoucontnuaseosdiqueseespiges,tambmconsideradoscomoproteesindiretasoudescontnuas.Tabela1:
Classificao das ProteesPROTEODIRETAS OU CONTNUAS INDIRETA OU
DESCONTNUAMtodoapoiadasouexecutadasdiretamentenotaludedasmargensobrasconstrudasaumacertadistnciadamargemparadesviar
ascorrentes e provocaradecantaodematerialslidotransportado pela
guaPrincipais
Obrasreduodongulodetalude,revestimentodasmargenscompedregulhos,cascalhos,pedrasbritadasvegetao,revestimentoasfltico,enrocamentocompedras
lanadas, gabies, cortinas continuase murosespiges e
diquesAsproteesdotiporevestimentossousualmenteparalelasaoeixodocanalenquanto
os espiges apresentam algum angulo com o escoamento.Tabela2:
COMPARAAO ENTRE AS OBRAS DE PROTEAO DIRETA E INDIRETAObrasPROTEAO
DIRETA PROTEO
INDIRETAVantagensnohdiminuiodareahidrulicadorionormalmente mais
eficientesmaiorgarantiadafixaodefinitivadasmargensnormalmente mais
econmicascustos da manuteno diminuem no
tempodestruioemumtrechodaobranope em perigo todo o restopodem ser
construdas por etapasaretenodesedimentosproporcionauma proteo
adicionalDesvantagensconstruomaiscomplicadaeprecisaencarecendo a
obranecessidadedemanutenocuidadosaparanosecolocaremperigotodaproteomenos
eficazes e de menor garantiadiminuem a rea hidrulicaaumentam a
rugosidade das margensproduzem perdas de carga
adicionaisnosoaconselhadaspararaiosmenoresouiguaisaduasvezesalargura
do curso d'guaPodem no fixar a margem entre elasObras
Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de Margens5Tabela3: Principais
Tipos de Proteolanadoenrocamentoarrumadogabio
mantaelementosdeconcretoarticuladoselementos de
madeiracolcheselementos plsticosbolsas de concretobolsas de
solocimentobolsas de argamassaenrocamentosintticoblocos
pr-fabricadosgramneasvegetaoplantas
semi-aquticascaixagabiessacopneus usadosFlexveisoutrastroncos de
rvore lanadospainis armadosgabies revestidosmuros de
gravidadepainis pr-moldadisblocos pr-fabricadosconcretoparedes
diafragmaargamassadoenrocamentocom injeo de consolidaopedra
argamassada/alvenaria de pedrasmadeiraRevestimentos(protees
contnuas)Rgidoscercasmetlicaslanadoenrocamento
enrocamentocompilaresdeconcreto ou
madeirabolsasdeconcreto,solo-cimentoe
argamassaFlexveisenrocamentosintticoblocos pr-moldadosmuros de
gravidadePROTEESDiques ouEspiges(Protees
nocontnuas)Rgidosconcretomuros de concreto armadoFIGURA2: Destruio
tpica de margem cncava de um rio por ao da correnteObras
Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de Margens62 Estabilidade dos
Canais sobaAo do Escoamento2.1.1 Causas daInstabilidade das
MargensParaaelaboraodeumprojetodeproteodemargensfundamentaloconhecimentodosfatoresqueafetamaestabilidadetaiscomoascausasetiposdeeroses,desbarrancamentoseetc.Estascausapodemdemodageralserclassificadas
emao hidrulica, devido a correntes e ondasinstabilidade geotcnica,
resultados da saturao e infiltraes de gua.As causas das
instabilidades por ao hidrulica so subdivididas em:a) Ao erosiva
das
correntesConsideram-seasforaserosivascrticassobreomaterialconstituintedoleitoedasmargens.Seaforaerosivaatuante
for superior fora
erosivacrticaoulimitedomaterial,ocorreraeroso.Osrecuosdasmargens
ocorre quando da erosodopdotalude,provocandoosolapamento dos
mesmosb) Ao das
OndasAserosescausadaspelomovimentodasondascontraasmargenspodemocorrerdevido
diferentes agentes como o vento, embarcaes ou a operao de
estruturashidrulicas do tipo comportas, usinas hidreltricas e
estaes
elevatrias.c)IrregularidadeslocalizadasnoescoamentoNestecaso,apresenadeextremidadedeespiges,pilaresdepontes,afloramentosrochososeoutrospodemgerarturbilhesnacorrentelquidaquecausamosolapamentodaparteinferiordasmargens.Obras
Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de Margens7Tabela4 : Principais
Aes Hidrulicas atuando sobre as margens (Ven Te Chow)As causas da
eroso devido instabilidade geotcnica dos taludes de margem podemser
identificadas por:a) Diminuio do angulo natural de
equilbrioAsaturaodoterrenotemporconseqnciaumareduodoangulonaturaldeequilbrio
relativo ao material, diminuindo sua resistncia.b) rompimento
generalizado da
margemAdescidaousubidarpidadonveldguaouaelevaodolenolfreticopodemprovocar
o escorregamento do talude da margemc) piping ou retro
erosoEstefenmeno,causadopelaexistnciadeescoamentoatravsdecaminhospreferenciais,
em pontos fracos do terreno, permite que as partculas do talude
sejamtransportadas pelo fluxo provocando assim a eroso progressiva
rtrgrada.Figura3 : Ilustrao das principais causas da instabilidade
geotcnicaAverificaodaestabilidadedoscanaissobaaodoescoamentoconsideradaaps
a anlise da estabilidade geotcnica. Em muitos casos o revestimento,
que temcomo finalidade principal a proteo contra a ao hidrulica,
acaba por contribuir comObras Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de
Margens8aestabilidadegeotcnica,comonocasodoempregodosgabiestipocaixaemmuitos
de
gabies.Ainclinaodasmargensantesdetudodefinidaapsoscritriosdeestabilidadeque
levam em conta aspectos como as caractersticas geotcnicas do solo,
saturaodo material, esforos e carregamentos decorrentes de trfego
ou construes, efeitosssmicos e etc.Tabela5 : Inclinao de Margem
recomendada (Lencastre, 1972)Horizontal / VerticalInclinao
Recomandapara os Taludes dosCanais (Lencastre,1924)Tabela6:
Inclinao dos Taludes (Conf. CHOW, 1959)MaterialInclinao dos
TaludesH:VRocha 0:1Solos pedregosos 0.25:1Canais em terra
revestidos de concreto 0.5:1 a 1:1Argila resistente e compacta
1.5:1Solos argilo-arenosos 2:1Solos arenosos ou argilosos de alta
porosidade 3:12.2 Ao das
CorrentesOprojetoeapreservaodasmargensdoscanaissobaaodoescoamentoestdiretamenterelacionadocomadistribuiodevelocidadesaolongodaseotransversal.Osmtodosusuaisdeanliselevamemcontaavelocidademximaadmissvel
e a tenso de arraste.2.2.1 Velocidade Mdia Mxima
AdmissvelAvelocidademximaadmissvelamximavelocidademdiaquenocausareroso
no corpo do canal. Esta velocidade limite est relacionada ao tipo
de materialdo leito e margens, profundidade do escoamento e traado
do leito.CHOW[1]
sugerequeestavelocidadedependetambmdaidadedocanal,indicandoquecanaiscommais
tempo de utilizao so mais estveis que os novos em funo da
sedimentaode partculas coloidais.Tabela7: Velocidades Mximas
Admissveis (CHOW,1959)Obras Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de
Margens9Velocidades Admissveis recomendadas pelaASCE, em
1926Tabela8: Velocidades Mximas Admissveis Segundo a Bibliografia
Russa (Lencastre, 1972)Materiais no CoesivosMateriais
CoesivosVelocidades Mximas Admissveis (m/s)Profundidade Y= 1,00
mProfundidades Y 1,00 mGrau de SinuosidadeFatores CorretivosObras
Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de Margens10A velocidade mxima
admissvel para as margens pode ainda ser estimada em
funodascaractersticasdomaterialcomponente(Neills,1967).SendoVavelocidadedoescoamento
e S respectivamente o peso especfico do material e o peso
especficodagua,Dodimetromdiocaractersticodomaterial(D50)eyaprofundidadedoescoamento,
tem-se que na iminncia de incio de arrastamento:20 , 025 , 21
,_
,_
yDgdVS.....Eq.
1Aexpressoabaixopermiteadeterminaododimetromnimodomaterialdeproteo
a ser utilizado em canais com escoamento a uma velocidade mdia
V:222112sensengVD .....Eq. 2onde 0,7 1,4 um fator corretivo devido
irregularidade das margens, indicao ngulo do talude e o angulo de
repouso do material submerso. O termo = ( s - )/ a relao entreos
pesos especficos do sedimento e da gua.2.2.2 Tenso de
ArrasteAestabilidadedasmargensdeumcanaldepodeseranalisadapelomtododaTenso
de Arraste (Lane, 1955) e considera que as tenses de cizalhamento
mximasnofundoenostaludesnodevemexcederaosvaloresadmissveisparaotipodematerial
do leito.Para um canal muito largo tem-se que a tenso de arraste
mdiapor unidade de reamolhada, ou tenso trativa unitria maxfgRS 0
.....Eq. 3Nesta equao, e g so propriedades fsicas, Ry o raio
hidrulico da seo e S0 adeclividade do fundo. Embora muitas
tentativas tenham sido feitas para se
determinaraforatrativaunitriaaolongodopermetromolhadodeumaseoqualquer,odesconhecimento
dos perfis reais de velocidade tem impedido que resultados
prticossejam atingidos.Obras Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de
Margens11Figura4 :Distribuio de velocidade em sees tpicas nos
canais (Chow,
1973)Ascurvasdasfigurasabaixo,obtidasatravsdeestudosemmodelosmatemticosindicam
a fora trativa unitria mxima para canais trapezoidais em funo da
relaob/y.Observa-sequeemcanaismuitolargos,aforatrativanasmargenstendeaovalor
0,760.DistribuiodasTensesdeArraste no fundo e taludes de
umcanalTenso de Arraste Unitria nos Taludes Tenso de Arraste
Unitria no fundoObras Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de
Margens12Quando uma partcula no fundo de um canal est na iminncia
de movimento, existeum equilbrio entre a fora trativa e a fora de
resistncia dada pelo peso submerso dapartcula (Ws) multiplicado por
um coeficiente de atrito, que aproximado por tan(),onde o angulo de
repouso do material. Esta a tenso trativa limite para o fundo: l
fsWA,tan( ) .....Eq.
4Seapartculaestivernamargem,atensotrativamajoradapelaforapesonadireodainclinaodotalude.Aforaderesistnciaserdadapelopesosubmerso
multiplicado pelo coeficiente de atrito na direo da inclinao do
talude: l tsWA,cos tantantan 122 .....Eq. 5Relacionando-se as duas
foras obtm-se o fator K:22,,tantan1 cos f lt lK .....Eq. 6que
representa a relao entre a tenso trativa unitria limite no fundo do
canal e nasmargens.2022242628303234363840420.01 0.1 1 10D i me tro
d a s p a rtc ul as ( mm)Muito AngularModeradamente AngulosoPouco
AngulosoPouco ArredondadoModeradamente ArredondadoMuito
ArredondadoFigura5 :Angulo de Repouso das partculas para materiais
no coesivosObras Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de
Margens1300.20.40.60.810 10 20 30 40I ncl i nao dos Lados
(graus)K20 25 30 35 40 45Angul odeR e p o u s oFigura6 :Relao entre
a tenso trativa no fundo e taludesem funo do Angulo deRepouso do
Material em graus e da Inclinao dos TaludesPara partculas em geral,
a estimativa da fora trativa unitria limite pode ser
efetuadaapartirdacurvadeShields,querelacionaavelocidadedeinciodemovimento,jque:l
fgRS V,* 0 .....Eq. 7Os parmetros adimensionais empregados
so:50,2*) ( D gDVSf l Re* * V D .....Eq. 8onde V* a velocidade de
atrito, R o raio hidrulico, S0adeclividadelongitudinaldocanal, D o
dimetro caracterstico do gro e a viscosidade cinemtica.0.010.110.1
1 10 100 1000YR e *Figura7:Curva de ShieldsObras
Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de
Margens14Osvaloresdefinidosnasequaes(2)e(3)paraatensotrativaunitrialimitesoafetadospelograudecompacidadedomaterial,pelasinuosidadedotrechoepeloencouraamentodoleito.Emfunodasinuosidade,Lane(inFrench,1980)recomenda
reduzir a tenso trativa limite de acordo com os valores da tabela
abaixo:Tabela9 :Reduo na Tenso Trativa Limite em funo do Grau de
Sinuosidade(Lane, 1955)Grau de Sinuosidade Fator Multiplicativo da
Fora Trativa UnitriaCanais Retilneos 1.00Canais pouco sinuosos
0.90Canais moderadamente sinuosos 0.75Canais muito sinuosos
0.60Figura8 :Valores Recomendados para aTenso Trativa Mxima em
canais commaterial no coesivo (U.S.B.R, in CHOW,1959)Figura9
:Valores Recomendados para aTenso Trativa Mxima em canais emfuno do
ndice de vazios(CHOW, 1959)Obras Fluviais/2001Estabilizao e Proteo
de Margens15Tabela10 : Tenso de Arraste Limite em Diferentes
Materiais (Lencastre, 1972)MateriaisNoCoesivosGrosseiros(kgf/m)758
, 0 Df onde D75 (cm) o dimetro que corresponde, na curva decomposio
granulomtrica a 75% em peso, de materials de
dimetroinfeiriorMateriaisno
coesivosfinos(kgf/m)Materiaiscoesivos(kgf/m)Tabela11:
Dimensionamento eVerificao da Estabilidade de um CanalPasso
Atividade1determinar os valores de n (rugosidade), declividade,
ngulo de repouso domaterial,vazo de dimensionamento e angulo de
inclinao dos talude2estimar a sinuosidade a partir da topografia
para correo da tenso trativaunitria (tabela
6)3Calcularatensotrativaunitriaatuandonofundoatravsde0 max75 . 0 S
yf 4Admitir um dimetro caracterstico para o material da margem.
Determinar atenso trativa limite para o fundo a partir das eq. 2 e
3. Corrigir em funoda sinuosidade e da forma da seo. Determinar a
tenso trativa limite nostaludes calculando o coeficiente
K.5Determinar o dimetro caracterstico atravs da expresso de Shields
parao fundo e talude 50,2*) ( D gDVSf l
5Compararcomodimetrodematerialadmitidoinicialmenteerepetiroprocedimento
caso necessrio.2.2.3 Proteo contra ao das
correntesOdimensionamentodasproteescontraerosocausadapelavelocidadeacimadaquela
limite de resistncia do material exige, inicialmente, a definio do
material
debasedosrevestimentosumavezqueoprocessodedesestabilizaoseiniciapelalavagemoudesagregaodomaterialdabase.Estesmateriaispodemserclassificados
como:Obras Fluviais/2001Estabilizao e Proteo de Margens16material
grosseiro, no coesivos D50 > 1 mmmaterial fino, no coesivos D50
< 1 mmmaterial
coesivoParamateriaisgrosseirosnocoesivos,namaioriadoscasosprticospodeserutilizada
a frmula desenvolvida por Pilarczik (Delft, 1984):5 , 2150
,_
h g k BuhDcrcr n.....Eq. 933 , 050 50) / (S nW D .....Eq.
10onde:Dn50 o dimetro nominal do
materialdefinidopelacurvadecomposio granulomtricah a profundidade
do escoamentoucravelocidadecrticadeinciodearrasteB1 o coeficiente
da tabela a seguirK o fator de reduo em funo daestabilidade do
talude (eq..cr o parmetro de Shields
crticoarelaoentreospesosespecficos do material e da guaTabela12 :
Valores do Parmetro de ShieldsEstado de Movimento das Partculas
crRepouso absoluto 0.03Incio da Instabilidade 0.04Movimento
0.06Tabela13 : Valores do Parmetro de ShieldsCondies do Escoamento
B1GrandeTurbulncia,extravasamento,perturbaeslocaiserestries de
seo5-6Turbulncia Normal em rios e canais
7-8Pequenaturbulncia,escoamentouniforme,condiesdeleitoliso,
escoamentos de
laboratrio8-10Odimetronominaldaproteodemargenscontraoataquedascorrentesfoiproposto
por Isbash (1970), atravs da frmula:Obras Fluviais/2001Estabilizao
e Proteo de Margens17k g uDcrn 2507 , 0) .....Eq. 11onde o peso
especfico relativo do material de proteo, cr a mxima
velocidadedascorrentesderetorno(verondas)oudoescoamento,aquelaqueformaioreKofator
de reduo devido inclinao do talude.2.3 Ao de
OndasAinstabilidadedasmargenscausadaspelomovimentodasondascontraostaludespodem
ocorrer devido a diferentes agentes, como:ondas geradas pelo
ventoondas de translao originadas pela variao brusca de vazoondas
geradas pela passagem ou movimento de embarcaes.2.3.1 Ondas de
VentoAaodoventosobreassuperfcieslivresprovocaondascujaaltura,perodoevelocidadedepropagaosorelacionadasprofundidadedoescoamentoeavelocidadedovento.Paraguasprofundas,aalturasignificativadasondasproporcional
profundidade y, velocidade do vento V e comprimento do fetch L,
quepode ser interpretado como sendo a pista de atuao do vento no
sentido da
formaodeondas.Emguasrasas,oefeitodoatritocomoleitocompetecomaenergiatransferidapelo
vento limitando a altura das ondas.guas profundas intermedirio guas
rasas25 . 00>Lh25 , 0 05 , 00
