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PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS
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Luiza Castelhano Abreu
1 PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS EDUARDO RIBEIRO DE SOUSA
2 ÍNDICE DO TEXTO 1. INTRODUÇÃO ELEMENTOS DE BASE Cadastro dos sistemas de drenagem Trabalhos de campo Preparação das plantas de trabalho e dos perfis do terreno Caudais de projecto CRITÉRIOS DE PROJECTO Aspectos associados ao escoamento hidráulico Considerações gerais Fórmulas do escoamento Condições de auto-limpeza Altura de escoamento e velocidade máxima Aspectos associados ao traçado da rede de drenagem, em planta e em perfil longitudinal DIMENSIONAMENTO HIDRÁULICO-SANITÁRIO DE COLECTORES Procedimentos orientados para o cálculo convencional Procedimentos orientados para a cálculo automático Exemplo de aplicação PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS i
3 1. INTRODUÇÃO O objectivo deste Documento, que compreende mais três capítulos, para além deste, é a apresentação da prática corrente de projecto de sistemas de drenagem de águas residuais comunitárias. No Capítulo 2 - Elementos de Base, discutem-se os aspectos relacionados com a disponibilidade de informação existente (cadastro), a necessidade da realização de trabalhos de campo para o projecto do empreendimento e a avaliação dos caudais de projecto. São, ainda, tecidas algumas considerações sobre a preparação dos traçados, em planta e em perfil longitudinal, das redes de drenagem de águas residuais comunitárias. O Capítulo 3 - Critérios de Projecto, inicia-se com uma apresentação sumária das fórmulas de escoamento para o cálculo hidráulico-sanitário dos colectores com secção circular, em regime uniforme, e os critérios de projecto usualmente utilizados no dimensionamento deste tipo de sistemas, como sejam inclinações mínimas (auto-limpeza) e máximas, alturas máximas de escoamento, diâmetros regulamentares, profundidades de assentamento mínimas, entre outros. No Capítulo 4 - Dimensionamento Hidráulico Sanitário, descrevem-se os procedimentos de cálculo dos colectores (diâmetros, inclinações, condições hidráulicas de escoamento e cotas de soleira). Neste caso, a apresentação é feita sob duas perspectivas: a primeira orientada para os procedimentos de cálculo manual, que será designada por convencional, e a segunda na perspectiva da programação dos procedimentos em computador. 2. ELEMENTOS DE BASE 2.1 Cadastro dos sistemas de drenagem Na concepção e dimensionamento de sistemas de drenagem de águas residuais comunitárias, a recolha e avaliação dos elementos de cadastro das infra-estruturas constituem actividades de grande relevância, quer para o projecto de novas infra-estruturas, quer para a ampliação e/ou remodelação de infra-estruturas já existentes. PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 1
4 O Decreto Regulamentar nº 23/95, de 23 de Agosto - Regulamento Geral dos Sistemas Públicos e Prediais de Distribuição de Água e de Drenagem de Águas Residuais, estipula, no seu artigo 121.º, que: 1 - As entidades gestoras dos sistemas de drenagem pública de águas residuais devem manter actualizados os respectivos cadastros. 2 - Os cadastros devem conter, no mínimo: a) A localização em planta dos colectores, acessórios e instalações complementares, sobre carta topográfica em escala compreendida entre 1:500 e 1:2000, onde estejam implantadas todas as edificações e pontos importantes; b) As cotas de pavimento e de soleira das câmaras de visita; c) As secções, materiais e tipos de juntas dos colectores; d) A natureza do terreno e condições de assentamento; e) A informação relativa às condições de funcionamento dos colectores; f) A ficha individual para os ramais de ligação e instalações complementares. 3 - Os cadastros podem existir sob a forma gráfica tradicional ou informatizados. 4 - A entidade gestora deve manter actualizada informação relativa à flutuação de caudais nas secções mais importantes da rede de colectores, bem como a indicadores físicos, químicos, biológicos e bacteriológicos das águas residuais. Apesar desta imposição legal, o panorama nacional nesta matéria não é, salvo algumas excepções, muito brilhante, estando longe do estipulado regulamentarmente. Aqui há que distinguir entre as entidades gestoras ao nível das autarquias locais e as empresas concessionárias multimunicipais, de direito privado, pertencentes à holding empresarial AdP Águas de Portugal, SGPS. No caso da Águas de Portugal, tratam-se, na maior parte dos casos (excepção feita à EPAL Empresa Portuguesa das Águas Livres, S.A.), de empresas de formação recente que têm vindo a realizar um número significativo de empreendimentos, em que tem havido a preocupação de produzir as telas finais das obras executadas. Estas telas finais estão, na maior parte dos casos, disponíveis em formato digital. Pelo contrário, nas entidades gestoras ao nível das autarquias locais, a disponibilidade de PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 2
5 elementos de cadastro é muito reduzida ou, quando existe, muito desactualizada. 2.2 Trabalhos de campo Para a realização do projecto de um sistema de drenagem de águas residuais é indispensável, para além do discutido no parágrafo anterior, um reconhecimento completo da área em estudo, para que se obtenham os elementos de base para a sua elaboração e para a correcta execução da obra. As plantas topográficas, à escala adequada, constituem um elemento fundamental no projecto de sistemas de drenagem. No caso de não existirem, é indispensável a realização de trabalhos de campo (nomeadamente levantamentos topográficos), sendo o seu nível de rigor função do tipo de projecto em análise. Nestes trabalhos de campo deve ser recolhida informação relativa à localização de arruamentos (principais e secundários), de edifícios, de parques públicos, de linhas de água, entre outra, e de outras estruturas que possam influenciar ou ser influenciadas pelo sistema de drenagem. Quando se tornar necessário, devem ser consideradas as áreas adjacentes à zona a drenar, onde, no futuro, venham a ser requeridas redes de drenagem. Para o desenvolvimento do projecto de infra-estruturas deste tipo, constituem elementos fundamentais as cotas do terreno nos arruamentos principais e secundários, nos cruzamentos, nos pontos altos e baixos e de mudança de inclinação, não sendo estritamente necessário o conhecimento das linhas de nível. Para além disso, deve ser recolhida informação mais pormenorizada, da qual se destaca a que a seguir se indica. infra-estruturas existentes, salientando-se as cotas da soleira dos edifícios e as profundidades das respectivas caves, características, idade e condições de pavimentação dos arruamentos ou passeios nos quais se prevê a implantação de colectores, localização das condutas de água e de gás e de outras estruturas enterradas; quando o tipo de informação disponível sobre estas estruturas for inadequado, pode ser recomendada a realização de trabalhos de sondagem. natureza do terreno, de modo a conseguir-se obter uma estimativa de custo da obra o mais rigorosa possível; se a dimensão e a importância do projecto assim o exigirem, devem ser PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 3
6 feitas sondagens no local, com intervalos a definir consoante os casos e sempre que haja mudança na natureza do terreno; a profundidade de sondagem pode ir até 1 a 1,5 m abaixo da cota do fundo da vala de implantação prevista para os colectores; sondagens mais detalhadas devem ser feitas nos locais onde esteja prevista a localização de estações elevatórias ou outras estruturas de maior importância; modo de atravessamento de linhas de água, de vias férreas ou de outros pontos nevrálgicos para o projecto e construção do sistema; traçado mais adequado para o emissário ou emissários do sistema, tendo em conta o destino da água drenada (outro emissário existente ou uma estação de tratamento); cotas do nível freático, uma vez que este aspecto pode condicionar as cotas de implantação dos colectores e de estações elevatórias, as técnicas construtivas a utilizar e a estimativa dos caudais de infiltração no sistema. 2.3 Preparação das plantas de trabalho e dos perfis do terreno A partir das plantas topográficas do aglomerado populacional em estudo, é possível proceder ao traçado preliminar da rede de drenagem, em planta, e ao levantamento dos correspondentes perfis longitudinais do terreno. Esta actividade, no âmbito do projecto, deve iniciar-se o mais cedo possível, de forma a que sejam detectadas falhas de informação, as quais devem ser esclarecidas com uma visita ao local e, se necessário, com trabalhos de campo específicos. No que respeita às escalas das plantas topográficas, as mais convenientes são, para efeitos de projecto de execução, as 1/1 000 e 1/2 000, salvo nos pontos nevrálgicos do sistema, como sejam os locais onde existam estruturas enterradas, onde seja necessário o atravessamento de linhas de água, etc.; nestes casos, deve ser utilizada uma escala de 1/500. Quando se trate de estudos de planeamento, é admissível a utilização da escala de 1/5 000 ou, em certos casos, 1/ Para efeitos do traçado do perfil longitudinal do terreno, as respectivas cotas devem ser conhecidas, com aproximação ao centímetro, de preferência de 20 em 20 m e nos pontos onde se verifique uma variação de inclinação acentuada. Os pontos altos e baixos do perfil devem ser igualmente assinalados. No traçado em perfil longitudinal, a escala horizontal é, em geral, a mesma da planta topográfica, sendo a escala vertical sobrelevada 10 vezes. PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 4
7 2.4 Caudais de projecto A determinação dos caudais de projecto de sistemas de drenagem de águas residuais comunitárias (de origem doméstica, comercial, industrial e de infiltração) constitui uma actividade vital para efeitos do dimensionamento de infra-estruturas deste tipo. Caudais de águas residuais domésticas Para a avaliação dos caudais de águas residuais domésticas, é indispensável conhecer, por um lado, a situação demográfica actualizada da zona a servir, em termos de população residente e flutuante, e avaliar a sua evolução previsível, e, por outro, dos consumos de água domésticos. Para o efeitos da situação demográfica, devem ser consultados os dados de estudos existentes e os registos disponíveis, nomeadamente os recenseamentos populacionais, os recenseamentos eleitorais, a ocupação turística e os planos de desenvolvimento urbanístico. Os consumos de água domésticos devem ser obtidos, preferencialmente, com base em dados existentes que sejam representativos, os quais podem ser obtidos a partir dos registos dos serviços de exploração dos sistemas existentes. Quando não se disponha de informação correcta dos consumos, estes devem ser avaliados a partir de valores da capitação estimados, atendendo à dimensão e às características do aglomerado, ao nível de vida da população e seus hábitos higiénicos e às condições climáticas locais. O Decreto Regulamentar nº 23/95, estipula, nos seus artigos 13.º, que: As capitações na distribuição exclusivamente domiciliária não devem, qualquer que seja o horizonte de projecto, ser inferiores aos seguintes valores: a) 80 l/habitante/dia até 1000 habitantes; b) 100 l/habitante/dia de 1000 a habitantes; c) 125 l/habitante/dia de a habitantes; d) 150 l/habitante/dia de a habitantes; e) 175 l/habitante/dia acima de habitantes. Os caudais de águas residuais domésticas determinam-se a partir da capitação de água de PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 5
8 consumo (normalmente expressa em L/[(hab.dia)], tendo presente que só uma parte desta aflui à rede de drenagem. Para o efeito, define-se um factor de afluência à rede como sendo o valor, sempre inferior à unidade, pelo qual se deve multiplicar a capitação de consumo de água para se obter a capitação de afluência à rede de águas residuais domésticas. Conforme se refere no Decreto Regulamentar nº 23/95, no ponto 2 do seu artigo 123.º, os factores de afluência à rede devem ser discriminados por zonas de características idênticas, que são função da extensão de zonas verdes ajardinadas ou agrícolas e dos hábitos de vida da população, variando geralmente entre 0,70 e 0,90. Nestas condições, o caudal médio diário de águas residuais domésticas é dado por: Q = f x P x C / sendo: Q - caudal médio diário de águas residuais domésticas (L/s) f - factor de afluência à rede (-) P - população servida (hab) C - capitação [l/(hab.dia)] Para completo esclarecimento da determinação do caudal doméstico resta apenas indicar como se avalia o número de habitantes em cada troço de colector. Existem dois métodos para atingir esta finalidade: o número de habitantes por metro linear de colector e o da densidade populacional (número de habitantes por hectare de área drenante). A utilização do primeiro método é recomendável quando a rede de drenagem serve uma área muito uniforme em termos de densidade de população e de utilização do solo, sendo a ocupação por edifícios (em planta e em altura) feita por forma a garantir uma constância de caudal por metro linear do colector. São exemplos típicos os de bairros em novas urbanizações e os quarteirões de cidades antigas, com edifícios muito semelhantes. O método da densidade populacional é bastante utilizado, embora implique um conhecimento PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 6
9 mais pormenorizado das características urbanísticas da zona em estudo. Este método é, sem dúvida, o mais adequado para a estimativa dos caudais de projecto em zonas onde, à priori, se conhecem as características de ocupação urbanística. Caudais de águas residuais industriais e comerciais No que respeita aos caudais de águas residuais industriais e comerciais, podem-se verificar, num aglomerado urbano, duas situações distintas: a) as unidades industriais e comerciais são de pequena dimensão e encontram-se nele disseminadas; b) ou a componente industrial e comercial é apreciável e concentrada. No primeiro caso, os caudais respectivos são normalmente englobados nos caudais de águas residuais domésticas. No segundo, torna-se indispensável proceder a uma inventariação e a uma localização das unidades industriais e comerciais, de modo a serem conhecidos os caudais rejeitados e estimados os futuros caudais; para as unidades industriais é, ainda, relevante determinar as características físicas, químicas, biológicas e bacteriológicas dos seus efluentes e os períodos de laboração industrial. Neste ponto, interessa, ainda, referir o que o Decreto Regulamentar nº 23/95, estipula, nos seus artigos 14.º e 15.º, sobre esta matéria: Artigo 14.º - Consumos comerciais 1 - As capitações correspondentes aos consumos comerciais e de serviços podem, na generalidade dos casos, ser incorporadas nos valores médios da capitação global. 2 - Em zonas com actividade comercial intensa pode admitir-se uma capitação da ordem dos 50 l/habitante/dia ou considerarem-se consumos localizados. Artigo 15.º - Consumos industriais e similares 1 - Os consumos industriais caracterizam-se por grande aleatoriedade nas solicitações dos sistemas, devendo ser avaliados caso a caso e adicionados aos consumos domésticos. 2 - Consideram-se consumos assimiláveis aos industriais os correspondentes, entre outros, às unidades turísticas e hoteleiras e aos matadouros. PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 7
10 Caudais de infiltração Os caudais de infiltração dependem, fundamentalmente, da extensão da rede de drenagem, em particular nos troços em ela possa estar implantada abaixo do nível freático, da natureza da hidrogeologia do terreno, e do tipo e estado de conservação do material dos colectores, das juntas e das câmaras de visita. Estes caudais devem ser cuidadosamente ponderados no projecto de novos sistemas de drenagem, através de procedimentos adequados, selecção de materiais e juntas e disposições construtivas. O Decreto Regulamentar nº 23/95, estipula, no ponto 4, do seu artigo 126.º, que: 4 - Desde que não se disponha de dados experimentais locais ou de informações similares, o valor do caudal de infiltração pode considerar-se: a) Igual ao caudal médio anual, nas redes de pequenos aglomerados com colectores a jusante até 300 mm; b) Proporcional ao comprimento e diâmetro dos colectores, nas redes de médios e grandes aglomerados; neste último caso, quando se trate de colectores recentes ou a construir, podem estimar-se valores de caudais de infiltração da ordem de 0,500 m 3 /dia, por centímetro de diâmetro e por quilómetro de comprimento da rede pública, podendo atingir-se valores de 4 m 3 /dia, por centímetro e por quilómetro, em colectores de precária construção e conservação. c) Os valores referidos nas alíneas a) e b) podem ser inferiores sempre que estiver assegurada uma melhor estanquidade da rede, nomeadamente no que respeita aos colectores, juntas e câmaras de visita. Caudais de ponta O caudal de ponta, para efeitos de dimensionamento de uma rede de drenagem de águas residuais comunitárias, obtém-se pela soma das parcelas dos caudais de ponta de cada uma das componentes: caudal doméstico, industrial, comercial e de infiltração, que afluem numa dada secção da rede de drenagem. Nestas condições, o caudal de ponta é dado pela seguinte expressão: Q p = f p x Q dom + Q inf + Q ind + Q com PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 8
11 sendo: Q - caudal de ponta instantâneo (L/s) f p - factor de ponta instantâneo (-) Q dom Q inf Q ind Q com - caudal médio diário de águas residuais domésticas (L/s) - caudal de infiltração (L/s) - caudal de ponta instantâneo de águas residuais industriais (L/s) - caudal de ponta instantâneo de águas residuais comerciais (L/s) O factor de ponta instantâneo é o quociente entre o caudal máximo instantâneo do ano e o caudal médio anual das águas residuais domésticas, sendo influenciado pelo consumo de água, pelo número de ligações (consequentemente, pelos número de habitantes servidos) e pelo tempo de permanência dos efluentes na rede de drenagem. O factor de ponta (f p ) deve ser determinado com base na análise de registos locais e, na ausência de elementos que permitam a sua determinação, pode ser estimado pela expressão (Decreto Regulamentar nº 23/95, artigo 125.º): f p = 1, / P em que P é a população que gera os caudais afluentes a uma dada secção da rede de drenagem. 3. CRITÉRIOS DE PROJECTO 3.1 Aspectos associados ao escoamento hidráulico Considerações gerais Numa rede de drenagem de águas residuais verificam-se, sob o ponto de vista hidráulicosanitário, as três características seguintes: o escoamento faz-se com superfície livre, excepto em condições muito especiais; o regime de escoamento é variável; as águas residuais transportam quantidades significativas de sólidos em suspensão e em PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 9
12 solução (de natureza orgânica e inorgânica). Embora o regime seja variável, e apesar da aproximação que essa hipótese representa, é prática corrente admitir-se, para efeitos de dimensionamento hidráulico dos colectores duma rede de drenagem separativa de águas residuais, que o escoamento se dá com superfície livre, na maior parte dos casos, a secção parcialmente cheia, em regime permanente e uniforme, isto é, com a velocidade e altura de escoamento constantes ao longo dos colectores. Constituem excepção o escoamento em grandes transições, em exutores (de saída livre ou submersa) ou noutras situações em que se justifique, por razões de economia ou de condições muito exigentes de projecto. Nestes casos, calcula-se pormenorizadamente o escoamento em regime permanente, mas não uniforme. A condição de permanência tem de ser admitida, obviamente, tanto no dimensionamento dos colectores como na maior parte dos órgãos do sistema. Embora esta simplificação seja razoável na maioria das situações, já o não é em casos excepcionais, tais como em grandes redes de drenagem de águas pluviais, nas quais pode justificar-se a análise do escoamento em regime variável. Também no estudo de estações elevatórias e de condutas elevatórias, não se pode deixar de considerar a variação dos caudais com o tempo. Em qualquer das hipóteses de cálculo mencionadas anteriormente, as condições de escoamento devem ser tais que não dêem origem, por um lado, à deposição dos sólidos em suspensão (autolimpeza) e, por outro, à erosão dos colectores Fórmulas do escoamento Em 1889, o engenheiro irlandês Robert Manning apresentou uma fórmula que relacionava a inclinação da linha de energia, o caudal, a área da secção transversal e a rugosidade. A expressão matemática para a fórmula de Manning-Strickler, em unidades do sistema internacional, é a seguinte: 1 Q = S R 2/3 J 1/2 [1] n ou PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 10
13 1 n V = R 2/3 J 1/2 [1a] sendo: Q - caudal (m 3 /s) V - velocidade média (m/s) n - coeficiente de rugosidade de Manning-Strickler (m -1/3 s) S - área da secção transversal do escoamento (m 2 ) R - raio hidráulico (m) J - inclinação da linha de energia (m/m). Nas expressões anteriores, se o escoamento se der com secção cheia, a área da secção transversal S e o raio hidráulico R podem ser expressos em termos do diâmetro do colector D. Substituindo as respectivas expressões nas equações [1] e [1a] estas tomam a seguinte forma: f 8/3 1/2 ( 0,312/n ) D J Q = [2] f ou f 2/3 1/2 ( 0,397/n ) D J V = [2a] f O índice f, nas equações anteriores, refere-se ao escoamento com secção cheia. Para o escoamento em regime permanente e uniforme, as inclinações da linha de energia e do colector são iguais. Assim, a equação [2] indica que o diâmetro necessário para escoar um dado caudal Q f varia na razão inversa da inclinação do colector que, no caso, coincide com J. Um aumento de inclinação reduz o diâmetro necessário, e vice-versa. Verifica-se, ainda, que a cada diâmetro D corresponde, para um dado caudal Q f, uma única inclinação do colector. Na Figura 1, apresenta-se um ábaco para a resolução das equações [2] e [2a] para n f igual a 0,013, uma vez que este valor do coeficiente de rugosidade é o mais correntemente utilizado no dimensionamento hidráulico de colectores de águas residuais comunitárias. No caso do escoamento se dar a secção parcialmente cheia, a análise não se torna tão simples. Considere-se, para o efeito, os elementos geométricos para colectores circulares que se apresentam na Figura 2. Substituindo as expressões da área da secção transversal S e do raio PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 11
14 hidráulico R, na fórmula de Manning-Strickler expressa pelas equações [1] ou [1a], obtêm-se as seguintes equações: ou -2/3 5/3 8/3 1/2 ( 0,0496/n) θ ( θ - sen θ) D J Q = [3] -2/3 2/3 2/3 1/2 ( 0,397/n) θ ( θ - sen θ) D J V = [3a] Estas equações indicam que, mesmo que se conheçam o caudal Q ou a velocidade V e o diâmetro D, a inclinação do colector J não fica univocamente determinada, como acontecia anteriormente. De facto, existe um grande número de combinações para o ângulo ao centro θ e para a inclinação do colector, J, que satisfaz as equações anteriores. Para um mesmo diâmetro, a uma maior inclinação corresponde um ângulo ao centro e uma altura de escoamento menores, e vice-versa. Este aspecto torna ainda mais complexa a escolha dos diâmetros e das inclinações dos colectores. Por outro lado, mesmo que se fixem Q ou V, D e J, não é possível explicitamente determinar θ. Felizmente que, no caso da fórmula de Manning-Strickler, a sua generalização em termos das relações entre cada elemento hidráulico da secção parcialmente cheia e o correspondente elemento para a secção cheia é dependente exclusivamente, e em última análise, da altura de escoamento. Assim, dividindo a equação [3] ou [3a] pela equação [2] ou [2a], obtêm-se as seguintes expressões: f ( /n) θ -2/3 ( θ - sen θ) 5/3 Q/Q = 0,159 n [4] f ou f ( n /n) θ -2/3 ( θ - sen θ) 5/3 V/V = [4a] f A cada valor de y/d corresponde, pela expressão (2) da Figura 2, um valor de θ. Consequentemente, a cada valor de y/d corresponde um valor da relação Q/Q f ou V/V f. Para os PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 12
15 restantes elementos hidráulicos é possível estabelecer relações idênticas às anteriores. A Figura 3 representa um diagrama clássico dos elementos hidráulicos fundamentais para colectores de secção circular. Figura 1 - Ábaco para resolução da fórmula de Manning-Strickler PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 13
16 Figura 2 - Elementos geométricos de colectores de secção circular. Figura 3 - Elementos hidráulicos de colectores de secção circular PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 14
17 Nesta figura, as curvas correspondentes ao caudal e à velocidade apresentam valores máximos, respectivamente para 0,94 D e 0,81 D. Além disso, a velocidade e o raio hidráulico são os mesmos para o escoamento a secção cheia e a meia secção. Estas afirmações são válidas desde que se admita que o valor da rugosidade é independente da altura de escoamento. No entanto, alguns investigadores têm observado que, de facto, n varia com a altura de escoamento. Por exemplo, WILCOX e YARNELL e WOODWARD, demonstraram que o valor de n, para um colector com secção parcialmente cheia, é maior do que para a secção cheia. De acordo com os resultados referidos por estes autores, apresenta-se na Figura 3 a lei de variação de n com a altura de escoamento. Os dois conjuntos de curvas (para o caudal e a velocidade), indicadas nesta figura, reflectem a variação de n/n f. Finalmente, é importante salientar que a área e o raio hidráulico são elementos hidráulicos estáticos, enquanto que a rugosidade, a velocidade e o caudal são dinâmicos. Em complemento do ábaco da Figura 3, e para uma maior precisão de valores, apresenta-se o Quadro 1. Os valores correspondem a n variável com a altura de escoamento Condições de auto-limpeza Caso as condições hidráulicas de escoamento o permitam, os sólidos em suspensão transportados pelas águas residuais sedimentam, levando à obstrução dos colectores ao fim de um prazo mais ou menos longo. Este aspecto obriga a uma cuidada atenção, por parte do engenheiro projectista de redes de drenagem de águas residuais, das condições hidráulicas de escoamento e, em particular, das que verifiquem as condições de auto-limpeza. O dimensionamento da rede deverá ter em consideração as características dos caudais a escoar, a sua variação, os seus valores extremos e as características dos, sólidos transportados pelas águas residuais. As variações do caudal são determinadas: pelas estimativas de crescimento populacional e das actividades comerciais e industriais, se as houver; pela evolução dos respectivos consumos de água; pelas características de afluência à rede dos caudais rejeitados. PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 15
18 Um dos objectivos principais do dimensionamento hidráulico duma rede é a determinação dos diâmetros e inclinações dos colectores, de forma a evitar, na medida do possível, a deposição dos sólidos em suspensão. Dada a grande flutuação de caudal numa rede, é impossível manter condições de escoamento que verifiquem aquela condição ao longo do período de vida da obra. QUADRO 1 - ELEMENTOS HIDRÁULICOS DE COLECTORES DE SECÇÃO CIRCULAR (QUADRO COMPLEMENTAR DA FIGURA 3) No entanto, é importante que se verifiquem condições de escoamento, para o caudal de ponta, tais que os sólidos depositados nas horas mortas possam ser arrastados quando ocorrem aquelas condições. O caudal de ponta mencionado refere-se ao do início de exploração da rede. Por outro lado, os diâmetros e as inclinações dos colectores devem ter, ao mesmo tempo, capacidade para escoar os caudais de ponta no ano horizonte do projecto. Em resumo, existem dois caudais característicos no dimensionamento hidráulico duma rede de drenagem de águas residuais comunitárias: caudal de ponta no início de exploração da rede e caudal de ponta no ano horizonte do projecto. PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 16
19 No que respeita à verificação das condições de auto-limpeza, o Decreto Regulamentar nº 23/95, estipula, nas alíneas b) e c), do ponto 1, do seu artigo 133.º, que: b) A velocidade de escoamento para o caudal de ponta no início de exploração não deve ser inferior a 0,6 m/s para colectores domésticos e a 0,9 m/s para colectores unitários e separativos pluviais; c) Sendo inviáveis os limites referidos na alínea b), como sucede nos colectores de cabeceira, devem estabelecer-se declives que assegurem estes valores limites para o caudal de secção cheia; Embora não estabelecido nas disposições regulamentares do Decreto Regulamentar nº 23/95, a tendência actual no estudo das condições críticas no domínio do transporte sólido, tem sido a de, em alternativa ao critério da velocidade mínima, utilizar o poder de transporte mínimo (ou crítico), dado que é um parâmetro mais adequado. O poder de transporte (ou tensão de arrastamento) define-se como a tensão tangencial que um escoamento exerce sobre a área molhada do seu álveo. Num escoamento com superfície livre, em regime permanente e uniforme, o valor médio do poder de transporte τ, obtido da equação Duboys, deduzida do equilíbrio entre as forças gravíticas e as resistentes, é dado pela seguinte expressão: τ = γ R J [5] f sendo γ o peso volúmico do líquido e tendo os restantes símbolos o significado já anteriormente apresentado. Para colectores circulares a secção cheia, o raio hidráulico R pode ser expresso em termos do diâmetro, pelo que a expressão anterior toma a seguinte forma: τ = γ D J/4 [6] Esta equação indica que, uma vez fixados D e J, existe um único τ f, o qual, consoante for maior, igual ou menor do que o valor mínimo τ C, verifica ou não as condições de auto-limpeza. Por outro lado, uma vez fixado D e τ f = τ c é possível determinar o valor mínimo de J que verifica as condições de auto-limpeza. PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 17
20 No caso do escoamento se dar com secção parcialmente cheia, esta análise é mais complexa, dado que aparece mais um grau de liberdade: a altura de escoamento. Substituindo a equação do raio hidráulico R, constante da Figura 2, na equação [5], obtém-se a seguinte expressão: ( θ - sen θ) DJ/4-1 τ = γ θ [7] Esta equação indica que, mesmo que se conheça D e se considere τ = τ c, existe um grande número de pares de valores (θ, J) que satisfazem a equação. Por outro lado, mesmo que se fixem τ, D e J, não é possível determinar explicitamente θ. Também, neste caso, a relação entre o poder de transporte médio para a secção parcialmente cheia (τ ) e o correspondente à secção cheia ( τ f ) depende exclusivamente, em última análise, da altura de escoamento. Assim, dividindo a equação [7] pela equação [6] obtém-se a seguinte expressão: ( θ - sen θ) -1 τ / = θ [8] τ f Saliente-se que esta relação é igual à relação R/R f, pelo que a curva da Figura 3 (ou o Quadro 1) correspondente a esta última relação pode ser utilizado para determinar τ/τ f. A utilização deste critério na verificação das condições de auto-limpeza, em sistemas de drenagem de águas residuais, só recentemente começou a ter aceitação. O primeiro artigo dizendo respeito à sua aplicação no dimensionamento de túneis de drenagem de águas residuais comunitárias foi apresentado por LYSNE. PAINTAL e YAO recomendam a sua utilização no dimensionamento de redes de drenagem de águas residuais comunitárias e pluviais. Estes autores, para além de mostrarem as vantagens da utilização deste critério, sugerem uma metodologia e apresentam ábacos que podem ser utilizados no dimensionamento hidráulico dos colectores. Em Portugal, a primeira referência ao conceito de poder de transporte foi dada por MANZANARES na justificação da aplicação de colectores de secção ovóide, em redes de drenagem unitárias. No entanto, a sugestão de utilizar o poder de transporte como critério de verificação das condições de auto-limpeza foi feita, pela primeira vez, por FARIA e RIBEIRO DE SOUSA. PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS 18
PROJECTO DE SISTEMAS DE DRENAGEM DE ÁGUAS RESIDUAIS COMUNITÁRIAS EDUARDO RIBEIRO DE SOUSA ÍNDICE DO TEXTO 1. INTRODUÇÃO... 1 2. ELEMENTOS DE BASE... 1 2.1 Cadastro dos sistemas de drenagem... 1 2.2 Trabalhos