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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AMBIENTAL GABRIEL AARÃO DAVI MONTICELLI EXERCÍCIO II DIMENSIONAMENTO DE CANAL, GRADE E CAIXA DE AREIA PARA MUNICÍPIO DE VIANA VITÓRIA 2017 1 2 1. Introdução A captação em cursos de água é definida como um conjunto de estruturas e dispositivos, construídos junto a um manancial, para a retirada de água para o abastecimento (TSUTIYA, 2004). As instalações presentes em captações de água incluem: barragem, vertedor, gradeamento, desarenador, dispositivos de controle, canais e tubulações. Dada a importância dessa etapa do projeto, sobretudo pelo vínculo direto da estrutura com o manancial, especial atenção deve ser dada às atividades necessárias para escolha e proteção do manancial e do seu local de captação, assim como para a elaboração do projeto e para a construção e operação das estruturas e dispositivos que compõem a unidade de captação de água (HELLER et PÁDUA, 2010). Neste trabalho, a partir da NBR 12213:1992 “Projeto de Captação de Água de Superfície para Abastecimento Público” e de parâmetros previamentes estabelecidos, serão dimensionados o canal, a tela, a grade e o desarenador de um sistema de captação, considerando o valor de vazão de projeto obtido para a região metropolitana de Viana. 2. Objetivos I. Estabelecer os parâmetros de projeto adotados; II. Indicar o manancial capaz de atender a vazão de captação; III. Abordar o mapa de disponibilidade hídrica; IV. Dimensionar e determinar a velocidade longitudinal de vazão do canal; V. Dimensionar a grade de retenção; VI. Dimensionar a caixa de areia: velocidade de retenção e velocidade longitudinal de vazão; VII. Esquematizar o projeto: desenho da planta, corte ou perfil detalhando a linha de carga. 3 3. Metodologia A metodologia do presente trabalho será baseada na NBR 12213:1992, que se encontra descrita no Tópico 4. Adicionalmente, buscou-se na literatura disponível as demais formas de se projetar os seguintes itens: 1. Caixa de Tomada (Canal); 2. Grades e Telas; 3. Desarenador Segue na Figura 1 e 2, abaixo, a esquematização dos elementos listados acima em planta baixa e corte, respectivamente: Figura 1: Planta baixa da captação de um curso d'água com gradeamento e caixa de areia. Fonte: TSUTIYA (2004) 4 Figura 2: Corte da captação de um curso d'água com gradeamento e caixa de areia. Fonte: TSUTIYA (2004) Ao final do trabalho, em anexo, será reproduzida as mesmas figuras com as dimensões encontradas. Cabe lembrar que devem ser consideradas as condições de projeto para vazão máxima e mínima para um dimensionamento real. 4. NBR 12213: Projeto de captação de água de superfície para abastecimento público 4.1 Definições ● Grade: dispositivo constituído de barras paralelas, destinado a impedir a passagem de materiais grosseiros, flutuantes ou em suspensão; ● Tela: dispositivo constituído de fios que formam malhas destinadas a reter materiais flutuantes não retidos na grade; ● Desarenador: dispositivo destinado a remover da água partículas, com velocidade de sedimentação igual a um valor prefixado. 5 4.2 Dados básicos para desenvolvimento do projeto i. Desenvolver-se um estudo de concepção elaborado conforme a NBR 12211; ii. Realizar levantamento planialtimétrico da área de captação; iii. Realizar levantamento batimétrico atual e de épocas anteriores; iv. Abordar estudos geométricos da área de captação; v. Obter dados, informações ou estimativas acerca dos níveis d'água máximo e mínimo no local de captação, com indicação dos prováveis períodos de recorrência; vi. Realizar levantamento das características físicas e químicas da água e da medida de transporte de sólidos em épocas representativas do ano; 4.3 Condições gerais 4.3.1 Escolha do local para implantação da captação a) A captação deve ser localizada em trecho reto ou próximo à margem externa do curso de água; b) Devem ser reduzidas ao mínimo as alterações no curso de água, como consequência da implantação da obra; c) As obras de captação devem ficar protegidas da ação erosiva das águas e dos efeitos decorrentes de remanso e da variação de nível do curso de água; d) O projeto deve prever acesso permanente à captação. 6 Figura 3: ilustração das situações desejáveis, aceitáveis e incorretas para captação em curso d'água. Fonte: HELLER E PADUA (2010) 4.4 Condições específicas 4.4.1 Tomada de água a) velocidade mínima da água de 0,6 m/s, para evitar a deposição de sólidos suspensos na massa líquida; b) nos casos em que possa ocorrer vórtice, deve ser previsto um dispositivo que evite a sua formação; c) em cursos de água com transporte intenso de sólidos, deve haver, no mínimo, uma entrada de água para cada variação de 1,5m do nível de água; d) trecho entre o rio e o desarenador deve ser o mais curto possível; 4.4.2 Grades e Telas a) Grades e telas devem ser usadas obrigatoriamente em captações à superfície da água. b) As grades grosseiras devem ser colocadas no ponto de admissão de água na captação, seguidas pelas grades finas e pelas telas. c) O espaçamento entre as barras paralelas (da grade) deve ser de 7,5 cm a 15 cm para a grade grosseira e de 2 cm a 4 cm para a grade fina. As telas que seguem 7 o gradeamento devem ter de 8 a 16 fios por decímetro e, assim como nas grades, deve ser constituída por material anticorrosivo. d) Grades e telas sujeitas a limpeza manual exigem inclinação para jusante de 70° a 80° em relação a horizontal, além de um passadiço para fácil execução dos serviços de manutenção. e) Área das aberturas da grade: na seção de passagem referente ao nível mínimo de água, deve ser igual ou superior a 1,7 cm2 para cada litro por minuto de vazão captada, de modo que a velocidade resultante seja igual ou inferior a 10 cm/s. f) A perda de carga nas grades e telas é determinada por: h = k V2g2 h = perda de carga, em metros; V = velocidade média de aproximação, em m/s g = aceleração da gravidade, em m2/s k = coeficiente de perda de carga, função dos parâmetros geométricos das grades ou telas, adimensional. g) Em grades, o coeficiente k é determinado através da seguinte função: k = β (bs)1.3 sen α Onde: β = coeficiente, função da forma da barra s = espessura das barras 8 b = distância livre entre barras α = ângulo da grade em relação a horizontal Figura 4: Diferentes tipos de barras para gradeamento e seus parâmetros. Fonte: HELLER e PÁDUA (2010) Para telas, o coeficiente de perda de carga é determinado pela seguinte expressão: k = 0.55 Em que: ε = porosidade, razão entre a área livre e a área total da tela, sendo: ε = (1 − nd)2 para tela de malha quadrada ε = (1 − n1d1) * (1 − n2d2) n, n1 , n2 = número de fios por unidade de comprimento; d, d1 , d2 = diâmetro dos fios; 9 4.4.3 Desarenador O desarenador deve ser instalado entre a tomada de água e a adutora. Devem existir preferencialmente dois desarenadores dimensionados para a vazão total, considerando-se um fora de serviço. O desarenador pode ser dispensado, quando for comprovado que o transporte de sólidos sedimentáveis não é prejudicial ao sistema. O desarenador pode ser de nível constante ou variável, e dimensionado segundo os seguintes critérios: a) a velocidade crítica dasedimentação das partículas igual ou inferior a 0,021 m/s b) a velocidade de escoamento longitudinal igual ou inferior a 0,030 m/s; c) o comprimento do desarenador, obtido pela aplicação dos critérios anteriores, deve ser multiplicado por um coeficiente não inferior a 1,50. No dimensionamento do desarenador de nível variável, devem ser consideradas as condições de operação para os níveis máximo e mínimo. O desarenador com remoção por processo manual deve ter: a) depósito capaz de acumular o mínimo equivalente a 10% do volume do desarenador; b) largura mínima que permita acesso e livre movimentação do operador e do equipamento auxiliar de limpeza. Além disso, recomenda-se que o comprimento do desarenador deve ser correspondente a 4 vezes a largura do canal para nao ocorrer geração de turbulência. 10 5. Projeto 5.1 Algumas considerações: ● Dimensionamento foi realizado para a vazão de projeto do Exercício 1 (Q= 232.07 L/s) para população estimada de 108.380 habitantes para o ano de 2037. ● Conforme também indicado no Exercício 1, o Rio Jucu é capaz de atender a vazão de captação projetada para o município de Viana, no ano de 2037, estando esta vazão abaixo do valor outorgado, conforme indica a Figura 5, abaixo: Figura 5: Outorgas de captação para diferentes mananciais próximos a Viana. Fonte: PMSB-Viana. ● Segundo o Plano Municipal de Saneamento Básico e Gestão Integrada de Resíduos Sólidos de Viana não existem dados suficientes para qualidade da água do Rio Jucu. O curso d'água que abastece o município de Viana é então enquadrado como Classe II (CONAMA 357/05 - Classe II: águas que podem ser destinadas: a) ao abastecimento para consumo humano, após tratamento convencional; b) à proteção das comunidades aquáticas; c) à recreação de contato primário, tais como natação, esqui aquático e mergulho, conforme Resolução CONAMA no 274, de 2000;). Ou seja, planeja-se que as águas do Rio Jucu que abastecem o município de Viana se tornem Classe II. Para o ano de projeto (2037), espera-se o Rio Jucu se encontre neste estado, requerendo apenas o tratamento convencional (CONAMA 11 357/05 - tratamento convencional: clarificação com utilização de coagulação e floculação, seguida de desinfecção e correção de pH;). Todavia, para eventualidade de contaminantes sendo lançados indevidamente nas águas do Rio Jucu, ou, um evento hidrológico onde ocorra transporte de sedimentos, ou que a qualidade das águas do rio não alcance a Classe II estipulada pelo PMSB-Viana, será projetado a caixa de tomada, o gradeamento e o desarenador seguindo a metodologia apresentada na NBR: 12213:1992. Figura 6: Enquadramento das águas do Rio Jucu. Fonte: PMSB-Viana 12 5.2 Parâmetros de Projeto 5.2.1 Canal de derivação Os parâmetros de projeto para o canal são apresentados na Tabela 1, abaixo. Parâmetros Especificações Valor Vazão de projeto (Q) 232.07 L/s 232.07 L/s Velocidade da água no canal (V) ≥ 0.6 m/s 0.7 m/s* Largura do canal (B) ≥ 0.6 m 0.67* m Altura do canal (h) 1 m ≤ h ≤ 1,5 m 0.5 m* *os valores foram adotados ou possuem um valor adotado em sua dedução, e encontram-se de acordo com a NBR 12213. 5.2.2 Grades e Telas Admitindo-se que o curso d'água recebe materiais de maiores dimensões, neste projeto, será utilizada a grade do tipo grosseira, para reter materiais flutuantes ou em suspensão cujas dimensões são acima de 7,5 cm, seguida de uma grade fina e tela. As espessuras das barras metálicas atendem à bitola padronizada, apresentada na tabela 2. Admite-se que 50% da seção de passagem seja obstruída com o uso. Tendo em vista estes critérios, abaixo, encontra-se na Tabela 2 resumindo as especificações, valores adotados ou encontrados para os mesmos: 13 Critério Especificação Valor Tipo de Gradeamento Grossa e Fina - Forma da seção da barra (β) 2,42 2.42 Espessura da barra fina (s) 3/8” = 0.0095 m = 0,95 cm 0.0095 m* Espessura da barra grossa (s) ½” = 0.0127 m = 1,27 cm 0.0127 m* Velocidade de escoamento através das barras < 10 cm/s 0.098 Ângulo (θ) 75° 1.308 rad* Perda de carga Se hf < 10 cm adota-se 10 cm 0.71 m Espaçamento entre as barras (Grade Grossa) 0.075 m ≤ D ≤ 0.15 m 0.15 m* Espaçamento entre as barras (Grade Fina) 0.02 m ≤ D ≤ 0.04 m 0.03 m* Porosidade - 0.8464 N* de fios 8 ≤ n ≤ 16 por dm 8 Diâmetro dos fios (d) - 0.01 m* *os valores foram adotados ou possuem um valor adotado em sua dedução, e encontram-se de acordo com a NBR 12213. 14 5.3 Dimensionamento 5.3.1 Caixa de Tomada, Grades e Telas Grade a ser projetada: Figura 7: Esquematização da grade a ser projetada em corte. Para o dimensionamento das Grades e Telas, bem como da Caixa de Tomada (canal), deve-se considerar as vazões mínimas (de início de projeto) e máximas (fim de projeto). No âmbito deste exercício, irá ser considerada apenas a vazão de projeto encontrada no Exercício 1: 232.7 L/s. Adequou-se a metodologia de Heller et Pádua (2010), que segue como: Pela equação da continuidade: (Eq. 1) E, tendo a velocidade da água no canal (V) igual a 0.7 m/s*, a Área (A) do canal corresponderá a aproximadamente 0.33 m2 Adotando B=0.67 m, aplicou-se a equação 1, determinando assim a altura da lâmina d’água, equivalente a 0,499 m. Logo, 15 h= 0.5 m ● NBR 12213/1992: 5.6 - Seguranca: 5.6.1: O projeto deve prever facilidade e segurança para operação e manutenção de seus órgãos constituintes, inclusive patamares para manobra de válvulas e comportas e limpeza de grades. Os passadiços devem ter largura mínima de 0.6 m e possuir, pelo menos, um corrimão. Assim, torna-se possível calcular o número mínimo de barras da grade grossa: (Eq. 3) *os valores foram adotados encontram-se de acordo com a NBR 12213:1992. Resultados: ● n (grossa) = 5. Em função do número de barras pode-se calcular a Largura total da grade (B), para a vazão de projeto: (Eq. 4) em que s = espessura das barras grossas 0.0127 m* Resultados: ● Largura total da grade grossa (B): 0.664 m E, estimando o comprimento ótimo do canal como L ≥ 4B, tem-se que L = 2.66 m. Calculada a dimensão de largura e comprimento do canal, é necessário dimensionar a altura da grade, sendo esta dita pela seguinte expressão: (Eq. 6) Como H max = h = 0,5 m* a folga de 0.3 m*, portanto a altura de grade equivalerá a: 0.8 m. 16 Por fim, para obtenção dos valores de perda de carga, faz-se necessário descobrir a velocidade de aproximação, que corresponderá a: (Eq. 9) Adotando H min = h = 0.5 m*. Assim, tem-se que: ● Velocidade de aproximação da grade grossa: aproximadamente 1.4 m/s Torna-se possível, em posse dos valores listados acima, calcular as perdas de carga utilizando as fórmulas disponíveis para tais da NBR 12213/1992. Os resultados do equacionamento se encontram abaixo: Perda de carga total (m) 0.0086 Coeficiente "k" p/ Grade Grossa 0,08759926745 5.3.2 Desarenador Os desarenadores são geralmente projetados com seção retangular em planta, sendo o seu comprimento pelo menos três vezes maior do que a sua largura, para minimizar a possibilidade de curto circuito da água no seu interior (HÉLLER et PÁDUA, 2010). Para o dimensionamento dos desarenadores, utiliza-se os conhecimentos da cinemática, de forma a determinar o comprimento L necessário para que o grão de areia que estiver entrando na parte superior do desarenador(situação mais desfavorável) nela fique retido ao final do seu movimento descendente até o fundo do desarenador (devido à ação da gravidade), deslocamento vertical esse que ocorre simultaneamente ao movimento horizontal de que a partícula também está dotada. Dentro do desarenador, as partículas de areia estão dotadas de dois movimentos perpendiculares entre si (Figura 8): 17 ● Movimento horizontal, devido à movimentação da água nessa direção. Esse movimento se faz com velocidade constante, igual à velocidade da água, que é igual à razão entre a vazão e a seção transversal do desarenador; ● Movimento vertical, resultante da ação da força da gravidade, contraposto pelo empuxo da água e pela força de atrito do grão de areia com a água, em seu movimento descendente. Após o equilíbrio dessas três forças, a partícula de areia é dotada de movimento vertical uniforme, com velocidade que depende das dimensões do grão de areia e da viscosidade da água. Figura 8 - desenho esquemático para dimensionamento do desarenador A partir da figura 1, as equações são: ● Movimento vertical: h = V s . t → t = h/V s (1) ● Movimento horizontal: L = V h . t → t = L/V h (2) ● Equação da continuidade: Q = V h . (b.h) → V h = Q/(b.h) (3) ● (2) em (1): L = h ( V h/V s) (4) 18 ● (3) em (4): L = Q/ (b.V s) (5) ● De (1) e (5): V s = h/t e V s = Q/(b.L) (6) Pela equação (5), percebe-se que a altura da lâmina d'água h não interessa para o cálculo do comprimento do desarenador. Porém, do ponto de vista hidráulico, esse parâmetro é importante para evitar o arraste de areia depositada ou retida por sedimentação no desarenador, cujo valor mínimo possibilite que Vh não seja superior a 0,30 m/s. Para fins de praticidade na construção e limpeza, é usual a adoção dos valores de largura b contidos na Tabela 3 a seguir: Tabela 3 - Largura dos desarenadores em função de sua altura Altura (m) largura mínima (m) < 1, 00 0,60 1,00 - 2,00 0,90 2,00 - 4,00 1,20 > 4,00 2,00 Para o dimensionamento, seguindo a NBR 12.213: 19 Cálculo da altura H do desarenador Assumindo que a lâmina de água no canal é de 0.5 m, o nível de água no desarenador (h) é igual a altura da lâmina de água menos a perda de carga total (0,71 m): h = 0.5 - 0.0086 = 0.4914 m Para determinar a altura do desarenador H, deve-se somar o valor da altura h com a altura de depósito de areia (10% de h) e a altura da folga (0,30 m). H = 0,49 + 0,049 + 0,3 = 0.84 m Cálculo da largura b do desarenador Pela Tabela 3, sendo H= 0.84 m : b = 0.6 m Comprimento do desarenador (C) Pela equação (5): L = Q/ (b.V s) Sabendo-se que Q= 0,232 m3/s, b= 0.6 m e Vs=0,021 m/s (NBR 12213): L= 18.418 m Com o coeficiente de segurança de 1,5 , o comprimento C do desarenador deve ser: C = 1,5 x L C = 27.63 m Volume do desarenador O volume da do desarenador (V) é dado por: V = C.b. H 20 V = 13.93 m3 Limpeza Considerando que o tempo para esvaziamento (t) será de 6 horas, a vazão de esvaziamento (Q) é dada por: Q = V/t Q = 0,00064 m3 /s Considerando uma tubulação para a retirada de areia, o objetivo é determinar a dimensão dessa tubulação, a partir da equação de orifícios: Assumindo que Cd = 0,3 e que h é a altura média do desarenador (H/2), determina-se a área da tubulação: A = 0,000748 m2 Pela fórmula da área circular, o diâmetro da tubulação será então: D= 0,0308 m D = 3,08 cm 21 5. Conclusão As estruturas necessárias no projeto de captação, em virtude de uma demanda considerada para abastecimento da Região de Viana e, sabendo-se da importância do dimensionamento para o melhor funcionamento das estruturas, bem como para a segurança e a geração de menores impactos, devem estar de acordo com as suas respectivas normas. Além disso, as análises técnicas para a escolha do local que apresente espaço para a instalação desses dispositivos, bem como a viabilidade financeira para as construções desse projeto devem ser cautelosamente avaliadas. 22 6. Referências ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12213: Projeto de captação de água de superfície para abastecimento público. HELLER; PÁDUA. Abastecimento de Água para Consumo Humano. 2ª edição revista e atualizada. 2010. TSUTIYA, M.T. Abastecimento de Água, 2004, EPUSP, 643p.