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DRENAGEM

DE

RODOVIAS

Estudos Hidrológicos e

Projeto de Drenagem

Engº Marcos Augusto Jabôr

mjabor@terra.com.br

tel: 31 92 82 14 80

SUMÁRIO

I - ESTUDOS HIDROLÓGICOS

• Apresentação----------------------------------------------------------------------------------------- 4
• Introdução-------------------------------------------------------------------------------------------- 6
• Ciclo Hidrológico--------------------------------------------------------------------------------------
• Pluviometria------------------------------------------------------------------------------------------ 8
• Tempo de Recorrência-------------------------------------------------------------------------------
• Estudo das Bacias de Contribuição--------------------------------------------------------------------
• Tempo de Concentração--------------------------------------------------------------------
• Coeficiente de Deflúvio--------------------------------------------------------------------------------
• Cálculo das Vazões das Bacias Hidrográficas----------------------------------------
• Exemplos de Cálculos das Vazões-------------------------------------------------------
• Planilhas de Cálculo de Vazões------------------------------------------------------

II - PROJETO DE DRENAGEM

• Introdução------------------------------------------------------------------------------------------
• Obras de Arte Correntes---------------------------------------------------------------------
• Obras de Arte Especiais--------------------------------------------------------------------
• Drenagem Superficial

(Valeta, Sarjeta, Saída e Descida D’água...)--------------------------------------------------------------

• Drenagem Profunda

(Drenos Profundo e de Pavimento, Colchão...)---------------------------------------------------

III - CONSTRUÇÃO E MANUTENÇÃO DOS

DISPOSITIVOS DE DRENAGEM

• Construção-------------------------------------------------------------------------------------------------------
• Manutenção------------------------------------------------------------------------------------------------------

Apresentação

Pretende-se com esta apostila fornecer de forma resumida, clara e objetiva as principais informações técnicas de forma a possibilitar ao profissional da área de drenagem, além de melhor entendimento do assunto, calcu- lar as vazões das bacias hidrográficas bem como dimensionar as obras de arte correntes, obras de arte especiais, dispositivos de drenagem superficial e dispositivos de drenagem profunda.

Esta apostila foi elaborada reunindo, às vezes, na sua íntegra frases, textos e quadros de diversos autores, com a intenção apenas de retratar o que de melhor havia, dentro de nosso conceito, para repassarmos aos participantes do Curso de Drenagem de Rodovias. São os seguintes livros, publicações técnicas e autores utilizados na sua elaboração:

1- Livro: Engenharia de Drenagem Superficial Autor: Paulo Sampaio Wilken

2- Livro: Hidrologia Autor: Lucas Nogueira Garcez

3- Livro: Hidrologia Aplicada Autores: Swami Marcondes Villela Arthur Mattos

4- Livro: Hidrologia Básica Autores: Nelson L. de Sousa Pinto Antonio Carlos Tatit Holtz José Augusto Martins Francisco Luiz Sibut Gomide

5- Publicação do IPR-Instituto de Pesquisas Rodoviárias do Ministério dos Transportes Título: Vazão de Dimensionamento de Bueiros Autores: Nelson L. de Sousa Pinto Antonio Carlos Tatit Holtz Carlos J. J. Massucci

6- Publicação Técnica de nº 16 – DER/MG Título: Hidrologia Aplicada a Projetos rodoviários Autor: José Paulo Ferrari Pinheiro

7- Manual de Projeto de Engenharia do DNER- capítulo III- Hidrologia

8- Rapport Sur Une Mission em Afrique Noire Autores: J. L. Bonnenfant e R. Peltier

9- Livro: Drenagem Superficial e Subterrânea de Estradas Autor: Renato G. Michelin

10- Livro: Drenagem Urbana- Manual de Projeto Autor: CETESB/SP- 1980

11- Publicação Técnica de nº 17 – DER/MG Título: Escoamento de Águas Pluviais nas Sarjetas Autor: José Paulo Ferrari Pinheiro

12- Publicação: Princípios Básicos e Sistemas Drenantes Autor: RHODIA S.A- 1978

13- Livro: Drenagem dos Pavimentos e Aeródromos Autor: Harry R. Cedergren

14- Livro: Manual Prático de Drenagem Autor: Paulo Roberto Dias Morales

15- Publicação: Drenagem Profunda em Estradas de Rodagem Autores: Fernando Márcio G. Santana e Marcos Marques M. Rocha

16- Livro: Águas de Chuvas Autor: Manoel Henrique Campos Botelho

17- Livro: Cálculos Hidrológicos e Hidráulicos para Obras Municipais Autor: Plínio Tomaz

18- Livro: Manual Prático de Drenagem Autor: Paulo Roberto Dias Morales

19- Livro: Hidrologia Autores: Chester O. Wisler e Ernest F. Brater

20- Livro: Hidrologia de Águas Subterrâneas Autor: David K. Todo

21- Manual de Hidráulica Autores: Azevedo Neto, Miguel Fernandez y Fernandez, Roberto de Araújo e Acácio Eiji Ito

mecanismo do ciclo parou completamente e com ele a precipitação e o escoamento superficial.

E são precisamente estes extremos de enchente e de seca que mais interessa aos engenheiros, pois muitos projetos de Engenharia Hidráulica são feitos com a finalidade de proteção contra estes mesmos extremos e mesmo que o projeto não tenha esta finalidade é muito importante conhecer e levar em consideração os extremos.

Exemplos de Aplicações da Hidrologia à Engenharia

A) – Estimativa dos recursos hídricos de uma região Análise da capacidade de mananciais, previsão e interpretação de variações na quantidade e qualidade das águas naturais.

B) – Projeto e Construção de Obras Hidráulicas. Fixação de seções de vazão em pontes, bueiros, galerias, dimensionamento de condutos e sistemas de recalque, projeto e construção de barragens, dimensionamento de extravasores.

C) – Drenagem.

D) – Irrigação.

E) – Controle de Poluição.

F) – Controle de Erosão.

G) – Navegação.

H) – Aproveitamento Hidroelétrico. Previsão das vazões máximas, mínimas e médias dos cursos d’água para o estudo econômico-financeiro do aproveitamento; verificação da necessidade de reservatório de acumulação e, existindo este, determinação dos elementos necessários ao projeto e construção do mesmo; bacias hidrográficas, volumes armazenáveis, perdas por evaporação e infiltração, etc...

III - Pluviometria

Pluviometria é o ramo da climatologia que se ocupa da distribuição das chuvas em diferentes épocas e regiões.

1- Medida das Precipitações

Exprime-se a quantidade de chuva pela altura de água caída e acumulada sobre uma superfície plana e impermeável. Ela é avaliada por meio de medidas executadas em pontos previamente escolhidos, utilizando- se aparelhos chamados pluviômetros ou pluviógrafos , conforme sejam simples receptáculos da água precipitada ou registrem essas alturas no decorrer do tempo. Tanto um como outro colhem uma pequena amostra, pois têm uma superfície horizontal de exposição de 500 cm^2 e 200 cm^2 , respectivamente, colocados a 1,50 m do solo.

Naturalmente, existem diferenças entre a água colhida a essa altura e a que atinge o solo, sobre uma área igual, e muitos estudos têm sido realizados para verifica-las e determinar suas causas. As leituras feitas pelo observador do pluviômetro(FIGURA 1), normalmente, em intervalos de 24 horas, em provetas graduadas, são anotadas em cadernetas próprias que são enviadas à agência responsável pela rede pluviométrica, todo fim de mês. Elas se referem quase sempre ao total precipitado das 7 horas da manhã do dia anterior até às 7 horas do dia em que se fez a leitura.

Os pluviogramas obtidos no pluviógrafo (FIGURA 2) fornecem o total de precipitação acumulado no decorrer do tempo e apresentam grandes vantagens sobre os medidores sem registro, sendo indispensáveis para o estudo de chuvas de curta duração.

Por definição podemos dizer que:

• Pluviômetro é o instrumento usado para medir a quantidade de chuva caída em determinado lugar e em determinado tempo;
• Pluviógrafo é o instrumento que registra a quantidade, duração e intensidade da chuva caída em determinado lugar.

Figura 1

Figura 2

2 - Freqüência de Totais Precipitados

Em Engenharia, nem sempre interessa construir uma obra que seja adequada par escoar qualquer vazão possível de ocorrer. No caso normal, pode-se correr o risco, assumido após considerações de ordem econô- mica, de que a estrutura venha a falhar durante a sua vida útil, sendo necessário, então, conhece-lo. Para isso analisam-se estatisticamente as observações realizadas nos postos hidrométricos, verificando-se com que freqüência elas assumiram dada magnitude. Em seguida, pode-se avaliar as probabilidades teóricas de ocorrência das mesmas.

Os dados observados podem ser considerados em sua totalidade, o que constitui uma série total, ou apenas os superiores a um certo limite inferior ( série parcial ),ou, ainda, só o máximo de cada ano ( série anual ).

Eles são ordenados em ordem decrescente e a cada um é atribuído o seu número de ordem m (m variando de 1 a n , sendo n = numero de anos de observação).

A freqüência com que foi igualado ou superado um evento de ordem m e:

Método da Califórnia:

n

m F = ,

Método de Kimbal:

• 1

= n

m F (^).

Considerando-a como uma boa estimativa da probabilidade teórica ( P ) e definindo o tempo de recorrência (período de recorrência, tempo de retorno) como sendo o intervalo médio de anos em que pode ocorrer ou ser superado um dado evento, tem se a seguinte relação:

F

Tr

1 =. De maneira geral, P

Tr

1 =.

Para períodos de recorrência bem menores que o número de anos de observação, o valor encontrado acima para F pode dar uma boa idéia no valor real de P ,mas, para os menos freqüentes deve ser ajustada a uma lei probabilística teórica de modo a possibilitar um cálculo mais correto da probabilidade.

As precipitações são tanto mais raras quanto mais intensas. Para considerar a variação da intensidade com a freqüência, será necessário fixar, a cada vez, a duração a ser considerada.

3 - Tipos de chuvas

Precipitação é a queda de água na superfície do solo, não somente no estado líquido – chuva – como também no estado sólido – neve e granizo.

A chuva é resultado do resfriamento que sofre uma massa de ar ao expandir-se, quando se eleva a tempera- tura, aumentando gradativamente a umidade relativa dessa massa de ar. Atingida a saturação, poderá iniciar- se a condensação e a formação das nuvens ou mesmo a precipitação, que se apresenta tanto mais intensa quanto maior for resfriamento e a quantidade de água contida no ar ascendente.

A ascensão do ar úmido é o processo que produz condensação e precipitações consideráveis; deste modo, as chuvas são classificadas segundo as causas do movimento ascendente, a saber:

• Chuva orográfica – É causada pela elevação do ar ao galgar e transpor cadeias de montanhas, produ zindo precipitações locais, mais elevadas e freqüentes no lado dos ventos dominantes.
• Chuva ciclônica – É causada por ciclones com depressões centrais provocando movimentos atmosfé- ricos ascendentes.
• Chuva de convecção – Resulta dos movimentos ascendentes do ar quente mais leve do que o ar mais denso e frio que o rodeia.

4 - Coleta de Dados

Os dados de chuvas (leituras pluviométricas e pluviográficas) podem ser obtidos através da Agencia Nacional de Águas – ANA no endereço http://hidroweb.ana.gov.br.

No estado de Minas Gerais podem ser obtidos na CEMIG e na COPASA.

IV - Tempo de Recorrência

Tempo de Recorrência (período de recorrência, tempo de retorno)- é o intervalo médio de anos em que pode ocorrer ou ser superado um dado evento.

• Considerações gerais

A escolha e justificativa de um determinado período de retorno,para determinada obra, prende-se a uma análise de economia e da segurança da obra. Quanto maior for o período de retorno, maiores serão os valores das vazões de pico encontrados e, conseqüentemente, mais segura e cara será a obra. Para um extravasor de barragem, por exemplo, adotam-se períodos de retorno de 1.000 a 10.000 anos, posto que, acidentes neste tipo de obra, além de ocasionarem prejuízos incalculáveis, geralmente acarretam elevado número de vítimas.

Em se tratando de obras de canalização de cursos d’água de pequenas bacias de drenagem para controle de inundação, como é o caso comum, os problemas são obviamente atenuados e, portanto, o período de retorno a ser adotado será menor. Em geral, de acordo com a importância da obra, este período varia de 5 a 50 anos.

Infelizmente, é quase sempre impossível fazer a comparação realista entre os custos das obras e os prejuízos previsíveis, de modo a se obter a solução economicamente mais conveniente. Apesar de haver uma tendência generalizada de se declarar prejuízos maiores que os realmente ocorridos, os danos causados por uma inundação são grandes, podendo ocasionar perdas de vidas humanas, além de prejuízos materiais e perda de prestígio de administradores municipais. Nessas condições, a fixação do período de retorno terá que ser baseada em obras existentes, em sua própria experiência e, sobretudo, no bom senso.

No caso de córregos que atravessam zonas urbanas e suburbanas, deve-se, ainda, levar em conta o tipo de canalização a ser feita: um canal em terra sem revestimento ou um canal revestido. Escolhendo-se um canal sem revestimento, para uma mesma vazão, ou seja, para um mesmo período de retorno, ter-se-á uma seção transversal maior que a de um canal revestido. O canal sem revestimento, provavelmente custará menos; exigirá, todavia, maiores desapropriações ou redução das faixas laterais destinadas ao tráfego.

Pode-se sugerir a escolha, para período de retorno, o intervalo de 10 anos, tendo em vista o dimensionamento de um canal em terra. Caso se verifique, no futuro, a insuficiência do canal, poder-se-á revesti-lo, duplicando assim sua capacidade de vazão, com aproveitamento integral das obras já executadas.

Parece um procedimento lógico, pois, sem alterar o status quo existente, a previsão de obras, com menor investimento inicial, permitindo, contudo, sua ampliação e melhoria no futuro, após uma criteriosa análise do comportamento do canal.

Para o dimensionamento hidráulico das obras de arte – pontes e bueiros – que são estruturas localizadas que dificilmente permitem melhorias posteriores e que podem constituir um ponto de estrangulamento, é mais conveniente a adoção de um período de retorno maior.

• Escolha de período de retorno para o projeto. Risco calculado

O período de retorno estabelecido por análise de freqüência indica simplesmente o intervalo médio entre eventos iguais ou maiores que uma dada grandeza ou a probabilidade de que tal evento ocorra em um ano qualquer. Não obstante, há uma evidente possibilidade de que os períodos de retorno reais possam ser substancialmente menores que a média para um dado evento.

Se, para um longo período de tempo - 1.000 anos, por exemplo – foi registrado o número de eventos anuais que igualaram ou excederam um certo valor especificado e este número for dividido pelos 1.000 anos, o quociente seria a freqüência média de tais eventos. A recíproca da freqüência média de tais eventos. A recíproca da freqüência média é o período de retorno médio. Assim, se uma chuva intensa de 2 mm por minuto ocorre com uma freqüência de 1 vez em 10 anos, o total de ocorrências em 1.000 anos será de 1.000/ 10 = 100. A freqüência é o número de ocorrências divido pelo período de tempo, isto é, 100/1.000 = 0,10. Não obstante, nos primeiros 10 anos poderiam ter caído 3 chuvas iguais ou superiores a 2 mm/min; os seguintes 10 anos poderiam passar sem nenhuma chuva de tal intensidade, etc. Do mesmo modo, as 3 chuvas caídas

nos primeiros 10 anos podem ter sido chuvas intensas com períodos de retorno, por exemplo, 50, 100 e 500 anos. Assim, pois, caso se deseje determinar uma intensidade de chuva para o projeto que provavelmente não ocorrerá durante a vida da estrutura, é necessário empregar um período de retorno maior do que o prazo estipulado.

O emprego de um período de retorno maior, qualquer que seja o seu valor, significa que o engenheiro quer adotar um risco calculado. Todavia, há uma possibilidade de que aquele período de retorno da chuva será excedido ao menos uma vez em N anos. A probabilidade de uma chuva que tem um período de retorno ocorrendo uma vez em N anos é dada pela equação:

N P = 1 − q

na qual:

q = probabilidade de não ocorrência em um ano especificado. Se o evento tem uma probabilidade de 1/5 para cada tentativa (período de retorno de 5 anos), tem-se:

P = 1 − 0 , 2 = 0 , 8.

Exemplo: Com uma probabilidade de não ocorrência q = 0,8. Qual é a probabilidade de que um evento ocorra pelo menos uma vez em 3 anos?

Tem-se:

0 , 488

1 0 , 83 1 0 , 512

= − = − P

P

Isto significa que há, aproximadamente, uma possibilidade em duas que o valor de intensidade de chuva de 5 anos dada pela equação de chuvas ser excedido uma vez nos próximos 3 anos. A Tab. 1 indica probabilidades de ocorrência para vários períodos de retorno e para vários períodos de tempo, calculadas a partir da equação acima.

O risco que o engenheiro deseja assumir no projeto de uma estrutura de drenagem, variará com a importância da via em que ela será construída e a consideração dessa importância deverá levar em conta os aspectos anteriormente expostos.

2.2 Rodovias com baixo volume de tráfego: Drenagem superficial - 10 anos Drenagem profunda - 1 ano Drenagem grota, Bueiros tubulares - 15 anos (como orifício, admitindo-se carga hidráulica) Drenagem grota, Bueiros celulares - 25 anos (como orifício, admitindo-se carga hidráulica) Pontes - 50 anos

3. AGETOP - GO Bueiros de grota e drenagem superficial - 5 anos Bueiros em bacias até 1 km²- 10 anos (como orifício - 25 anos) Bueiros em bacias entre 1 km² e 5 km²- 25 anos (como orifício - 50 anos) Bueiros ou galerias em que 5 km² < A ≤ 10 km²- 50 anos Pontes até 100 m - 50 anos Pontes maiores que 100 m - 100 anos 4. DER - SC Obras de drenagem superficial - 10 anos Bueiros – 25 anos Pontes - 100 anos

V - Estudo das Bacias de Contribuição ou Bacias Hidrográficas

Segundo Paulo Sampaio Wilken, “A bacia contribuinte de um curso de água ou bacia de drenagem é a área receptora da precipitação que alimenta parte ou todo o escoamento do curso de água e de seus afluentes”.

Segundo a definição de José Augusto Martins, “Bacia hidrográfica ou bacia de contribuição de uma seção de um curso d’água é a área geográfica coletora de água de chuva que, escoando pela superfície do solo atinge a seção considerada”.

Os limites de uma bacia contribuinte são definidos pelos divisores de água ou espigões que a separam das bacias adjacentes.

Uma bacia contribuinte tem um único despejo, que é um ponto no qual o curso d’água corta o eixo da rodovia. É objeto de estudos hidrológicos, compreendendo a sua fisiografia, geomorfologia, geologia e hidrometria.

Os estudos hidrológicos mostram que há uma diferença marcante entre a pequena e a grande bacia de drenagem, que não depende exclusivamente do seu tamanho. Para uma pequena bacia de drenagem, os caudais são principalmente influenciados pelas condições climáticas da localidade, físicas do solo e da cobertura sobre a qual o homem tem algum controle; assim, no seu estudo hidrológico é dada maior atenção à própria bacia. Para uma bacia grande, o efeito do armazenamento no leito do curso d’água torna-se muito pronunciado, de tal modo que nela predomina o estudo hidrológico do curso d’água efetuando-se medidas diretas dos caudais em pontos predeterminados e estudos estatísticos das vazões, os quais são muitas vezes estendidos e extrapolados. No caso de bacias pequenas, ao contrário das bacias grandes, as medidas diretas não têm valor significante porque o homem, alterando no tempo as condições físicas da cobertura do solo, por onde a água se escoa, modifica as condições de escoamento independentemente de variações dos fatores climáticos locais.

Usando unicamente o tamanho da bacia como critério para classifica-la como grande ou pequena, pode o projetista incorrer em erros, pois, freqüentemente, duas bacias do mesmo tamanho podem se comportar de modo inteiramente diverso sob o ponto de vista hidrológico. Uma característica distinta da pequena bacia é o fato de que o efeito do escoamento superficial na bacia afeta muito mais o valor do caudal máximo do que o efeito do armazenamento no curso de água. Tal efeito é, todavia, muito pronunciado nas grandes bacias. Atendendo a estas considerações, Ven Te Chow, classifica as bacias de drenagem de conformidade com a seguinte definição: “Uma pequena bacia de drenagem é aquela cuja sensibilidade às chuvas de alta intensidade e curta duração e ao uso da terra, não é suprimida pelas características do leito do curso de água.”

Por esta definição, Ven Te Chow admite que uma pequena bacia pode ter a área de alguns hectares até 130 km^2. O limite superior da extensão da bacia pequena depende da condição em que a sensibilidade mencionada se torna praticamente perdida devido ao preponderante efeito do armazenamento no leito do curso d’água.

1. Estudo das características físicas

Do ponto de vista hidrológico, o escoamento de um curso de água ou deflúvio, pode ser considerado como um produto do ciclo hidrológico, influenciado por dois grupos de fatores, a saber:

• Fatores climáticos: incluem os efeitos da chuva e da evapotranspiração, os quais apresentam variações ao longo do ano, de acordo com a climatologia local;
• Fatores fisiográficos; relativos às características da bacia contribuinte e do leito dos cursos de água.

O estudo dos fatores climáticos é necessário para a obtenção das bases pluviométricas do projeto, em função das quais se determinam as vazões de projeto. E, entre os fatores fisiográficos, o estudo das características do curso de água considera mais as propriedades hidráulicas dos condutos que promovem o deflúvio dos caudais.

Serão apresentadas a seguir, fórmulas para o cálculo do tempo de concentração , correlacionando com a área da Bacia:

1. Tempo de Concentração para o Método Racional em bacias com Área < 4km 2

1.1 R. Peltier / J.L. Bonnenfant

O tempo de concentração é calculado pela expressão:

Tc = T 1 + T (^2) onde:

T 1 = tempo de escoamento em minutos, tabelados em função da cobertura vegetal e declividade do talvegue. (Quadro n. º 2).

T 2 = ß x T’ (^2)

ß =(Quadro n. º 2)

T’ 2 = (Quadros n. os^ 3, 4, 5, 6, 7 e 8 )

A

L α =

onde:

α = coeficiente de forma da bacia L = comprimento do talvegue em hm.(hectometro) A = área da bacia em ha.(hectare)

• QUADRO Nº