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Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA E SANITÁRIA Estabilização e Proteção de Margens PHD 5023 – Obras Fluviais Prof. Dr. Giorgio Brighetti José Rodolfo Scarati Martins Junho/2001 Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 2 SUMARIO 1 INTRODUÇÃO 3 2 ESTABILIDADE DOS CANAIS SOB A AÇÃO DO ESCOAMENTO 6 2.1.1 CAUSAS DA INSTABILIDADE DAS MARGENS 6 2.2 AÇÃO DAS CORRENTES 8 2.2.1 VELOCIDADE MÉDIA MÁXIMA ADMISSÍVEL 8 2.2.2 TENSÃO DE ARRASTE 10 2.2.3 PROTEÇÃO CONTRA AÇÃO DAS CORRENTES 15 2.3 AÇÃO DE ONDAS 17 2.3.1 ONDAS DE VENTO 17 2.3.2 ONDAS DEVIDO À PASSAGEM DE EMBARCAÇÕES 20 2.3.3 DIMENSIONAMENTO DE PROTEÇÕES CONTRA A AÇÃO DE ONDAS 23 3 PROTEÇÕES CONTÍNUAS 27 3.1 REVESTIMENTOS FLEXÍVEIS 27 3.1.1 PROTEÇÃO COM ENROCAMENTO 27 3.1.2 PROTEÇÃO COM COLCHÕES 34 3.1.3 ENROCAMENTOS SINTÉTICOS 48 3.1.4 GABIÕES CAIXA 52 3.2 PROTEÇÕES RÍGIDAS 55 3.2.1 PAINÉIS DE CONCRETO ARMADO 55 3.2.2 CORTINAS ATIRANTADAS 56 3.2.3 MUROS DE GRAVIDADE 56 3.2.4 PLACAS PRÉ-MOLDADAS DE CONCRETO 57 4 PROTEÇÕES DESCONTÍNUAS 55 4.1 CARACTERÍSTICAS GERAIS 55 4.2 ESPIGÕES 55 4.2.1 CLASSIFICAÇÃO DOS ESPIGÕES E EXEMPLOS 56 4.2.2 DIMENSIONAMENTO DOS ESPIGÕES DE PROTEÇÃO 60 4.2.3 MATERIAIS EMPREGADOS NA CONSTRUÇÃO DOS ESPIGÕES E EXEMPLOS 65 4.3 DIQUES 71 4.3.1 CERCAS DE MADEIRA 71 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 73 Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 1 Introdução O propósito fundamental da estabilização e proteção de margens, sob o ponto de vista hidráulico, é manter a seção do curso d’água estável e dentro dos limites estabelecidos para sua utilização, seja como via de navegação, componente de um sistema de drenagem, aproveitamento hidrelétrico ou abastecimento de água. Objetivos Principais Exemplos Específicos evitar a erosão das margens com perda de material e dados aos terrenos adjacentes proteção de portos, ancoradouros e acesso à eclusas melhorar o alinhamento do fluxo, manter a forma da seção transversal proteção de pistas de tráfego junto às margens, pontes, encontros e acessos contribuir com a estabilidade geotécnica proteção de tomadas d’água e estruturas de descarga contribuir com a manutenção, aspectos visuais e paisagísticos, limpeza e etc. proteção de propriedades às margens do curso d’água Figura 1: Exemplos de Proteção de Margens para diferentes finalidades A ação hidráulica sobre as margens se da na forma de correntes, que arrastam o material constituinte e na forma de ondas, provocadas pelo próprio escoamento, vento, operação de estruturas hidráulicas ou pelo movimento das embarcações. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 4 As formas de proteção usualmente empregadas contra a ação hidráulica, são classificadas em dois grupos, os revestimentos ou proteções diretas ou contínuas e os diques e espigões, também considerados como proteções indiretas ou descontínuas. Tabela 1: Classificação das Proteções P R O T E Ç Ã O DIRETAS OU CONTÍNUAS INDIRETA OU DESCONTÍNUA M ét od o apoiadas ou executadas diretamente no talude das margens obras construídas a uma certa distância da margem para desviar as correntes e provocar a decantação de material sólido transportado pela água P rin ci pa i s O br as redução do ângulo de talude, revestimento das margens com pedregulhos, cascalhos, pedras britadas vegetação, revestimento asfáltico, enrocamento com pedras lançadas, gabiões, cortinas continuas e muros espigões e diques As proteções do tipo ‘revestimentos’ são usualmente paralelas ao eixo do canal enquanto os espigões apresentam algum angulo com o escoamento. Tabela 2: COMPARAÇAO ENTRE AS OBRAS DE PROTEÇAO DIRETA E INDIRETA O br as PROTEÇAO DIRETA PROTEÇÃO INDIRETA V an ta ge ns não há diminuição da área hidráulica do rio normalmente mais eficientes maior garantia da fixação definitiva das margens normalmente mais econômicas custos da manutenção diminuem no tempo destruição em um trecho da obra não põe em perigo todo o resto podem ser construídas por etapas a retenção de sedimentos proporciona uma proteção adicional D es va nt ag en s construção mais complicada e precisa encarecendo a obra necessidade de manutenção cuidadosa para não se colocar em perigo toda proteção menos eficazes e de menor garantia diminuem a área hidráulica aumentam a rugosidade das margens produzem perdas de carga adicionais não são aconselhadas para raios menores ou iguais a duas vezes a largura do curso d'água Podem não fixar a margem entre elas Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 5 Tabela 3: Principais Tipos de Proteção lançado enrocamento arrumado gabião manta elementos de concreto articulados elementos de madeira colchões elementos plásticos bolsas de concreto bolsas de solocimento bolsas de argamassa enrocamento sintético blocos pré-fabricados gramíneasvegetação plantas semi-aquáticas caixagabiões saco pneus usados Flexíveis outras troncos de árvore lançados painéis armados gabiões revestidos muros de gravidade painéis pré-moldadis blocos pré-fabricados concreto paredes diafragma argamassadoenrocamento com injeção de consolidação pedra argamassada/alvenaria de pedras madeira Revestimentos (proteções contínuas) Rígidos cercas metálicas lançado enrocamento enrocamento com pilares de concreto ou madeira bolsas de concreto, solo-cimento e argamassa Flexíveis enrocamento sintético blocos pré-moldados muros de gravidade P R O T E Ç Õ E S Diques ou Espigões (Proteções não contínuas) Rígidos concreto muros de concreto armado FIGURA 2: Destruição típica de margem côncava de um rio por ação da corrente Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 6 2 Estabilidade dos Canais sob a Ação do Escoamento 2.1.1 Causas da Instabilidade das Margens Para a elaboração de um projeto de proteção de margens é fundamental o conhecimento dos fatores que afetam a estabilidade tais como as causas e tipos de erosões, desbarrancamentos e etc. Estas causa podem de moda geral ser classificadas em · ação hidráulica, devido a correntes e ondas · instabilidade geotécnica, resultados da saturação e infiltrações de água. As causas das instabilidades por ação hidráulica são subdivididas em: a) Ação erosiva das correntes Consideram-se as forças erosivas críticas sobre o material constituinte do leito e das margens. Se a força erosiva atuante for superior à força erosiva crítica ou limite do material, ocorrerá a erosão. Os recuos das margens ocorre quando da erosão do pé do talude, provocando o solapamento dos mesmos b) Ação das Ondas As erosões causadas pelo movimento das ondas contra as margens podem ocorrer devido à diferentes agentes como o vento, embarcações ou a operação de estruturas hidráulicas do tipo comportas, usinas hidrelétricas e estações elevatórias. c) Irregularidades localizadas no escoamento Neste caso, a presença de extremidade de espigões, pilares de pontes, afloramentos rochosos e outros podem gerar turbilhões na corrente líquida que causam o solapamento da parte inferior das margens. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 7 Tabela 4 : Principais Ações Hidráulicas atuando sobreas margens (Ven Te Chow) As causas da erosão devido à instabilidade geotécnica dos taludes de margem podem ser identificadas por: a) Diminuição do angulo natural de equilíbrio A saturação do terreno tem por conseqüência uma redução do angulo natural de equilíbrio relativo ao material, diminuindo sua resistência. b) rompimento generalizado da margem A descida ou subida rápida do nível d’água ou a elevação do lençol freático podem provocar o escorregamento do talude da margem c) ‘piping’ ou retro erosão Este fenômeno, causado pela existência de escoamento através de caminhos preferenciais, em pontos fracos do terreno, permite que as partículas do talude sejam transportadas pelo fluxo provocando assim a erosão progressiva rtrógrada. Figura 3 : Ilustraçào das principais causas da instabilidade geotécnica A verificação da estabilidade dos canais sob a ação do escoamento é considerada após a análise da estabilidade geotécnica. Em muitos casos o revestimento, que tem como finalidade principal a proteção contra a ação hidráulica, acaba por contribuir com Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 8 a estabilidade geotécnica, como no caso do emprego dos gabiões tipo caixa em muitos de gabiões. A inclinação das margens é antes de tudo definida após os critérios de estabilidade que levam em conta aspectos como as características geotécnicas do solo, saturação do material, esforços e carregamentos decorrentes de tráfego ou construções, efeitos sísmicos e etc. Tabela 5 : Inclinação de Margem recomendada (Lencastre, 1972) Horizontal / Vertical In cl in aç ão R ec om an da pa ra o s T al ud es d os C an ai s (L en ca st re , 19 24 ) Tabela 6: Inclinação dos Taludes (Conf. CHOW, 1959) Material Inclinação dos TaludesH:V Rocha 0:1 Solos pedregosos 0.25:1 Canais em terra revestidos de concreto 0.5:1 a 1:1 Argila resistente e compacta 1.5:1 Solos argilo-arenosos 2:1 Solos arenosos ou argilosos de alta porosidade 3:1 2.2 Ação das Correntes O projeto e a preservação das margens dos canais sob a ação do escoamento está diretamente relacionado com a distribuição de velocidades ao longo da seção transversal. Os métodos usuais de análise levam em conta a velocidade máxima admissível e a tensão de arraste. 2.2.1 Velocidade Média Máxima Admissível A velocidade máxima admissível é a máxima velocidade média que não causará erosão no corpo do canal. Esta velocidade limite está relacionada ao tipo de material do leito e margens, profundidade do escoamento e traçado do leito. CHOW[1] sugere que esta velocidade depende também da idade do canal, indicando que canais com mais tempo de utilização são mais estáveis que os novos em função da sedimentação de partículas coloidais. Tabela 7: Velocidades Máximas Admissíveis (CHOW,1959) Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 9 V el oc id ad es A dm is sí ve is r ec om en da da s pe la A S C E , e m 1 92 6 Tabela 8: Velocidades Máximas Admissíveis Segundo a Bibliografia Russa (Lencastre, 1972) Materiais não Coesivos Materiais Coesivos V el oc id ad es M áx im as A dm is sí ve is ( m /s ) P ro fu nd id ad e Y = 1 ,0 0 m Profundidades Y ¹ 1,00 m Grau de Sinuosidade F at or es C or re tiv os Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 10 A velocidade máxima admissível para as margens pode ainda ser estimada em função das características do material componente (Neills,1967). Sendo V a velocidade do escoamento gg e ggS respectivamente o peso específico do material e o peso específico da água, D o diâmetro médio característico do material (D50) e y a profundidade do escoamento, tem-se que na iminência de início de arrastamento: 20,02 5,2 1 - ÷÷ ø ö çç è æ = ÷÷ ø ö çç è æ - y D gd V S g g .....Eq. 1 A expressão abaixo permite a determinação do diâmetro mínimo do material de proteção a ser utilizado em canais com escoamento a uma velocidade média V: a q b 2 2 2 1 1 2 sen seng V D - D ³ .....Eq. 2 onde 0,7 £ b £ 1,4 é um fator corretivo devido à irregularidade das margens, f indica o ângulo do talude e a o angulo de repouso do material submerso. O termo D = ( gs - g )/ g a relação entre os pesos específicos do sedimento e da água. 2.2.2 Tensão de Arraste A estabilidade das margens de um canal de pode ser analisada pelo método da Tensão de Arraste (Lane, 1955) e considera que as tensões de cizalhamento máximas no fundo e nos taludes não devem exceder aos valores admissíveis para o tipo de material do leito. Para um canal muito largo tem-se que a tensão de arraste média por unidade de área molhada, ou tensão trativa unitária é t rmax f gRS= 0 .....Eq. 3 Nesta equação, r e g são propriedades físicas, R»y é o raio hidráulico da seção e S0 a declividade do fundo. Embora muitas tentativas tenham sido feitas para se determinar a força trativa unitária ao longo do perímetro molhado de uma seção qualquer, o desconhecimento dos perfis reais de velocidade tem impedido que resultados práticos sejam atingidos. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 11 Figura 4 :Distribuição de velocidade em seções típicas nos canais (Chow, 1973) As curvas das figuras abaixo, obtidas através de estudos em modelos matemáticos indicam a força trativa unitária máxima para canais trapezoidais em função da relação b/y. Observa-se que em canais muito largos, a força trativa nas margens tende ao valor 0,76t0. Distribuição das Tensões de Arraste no fundo e taludes de um canal Tensão de Arraste Unitária nos Taludes Tensão de Arraste Unitária no fundo Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 12 Quando uma partícula no fundo de um canal está na iminência de movimento, existe um equilíbrio entre a força trativa e a força de resistência dada pelo peso submerso da partícula (Ws) multiplicado por um coeficiente de atrito, que é aproximado por tan(a), onde a é o angulo de repouso do material. Esta é a tensão trativa limite para o fundo: t al f sW A, tan( )= .....Eq. 4 Se a partícula estiver na margem, a tensão trativa é majorada pela força peso na direção da inclinação q do talude. A força de resistência será dada pelo peso submerso multiplicado pelo coeficiente de atrito na direção da inclinação do talude: t q a q al t sW A, cos tan tan tan = -1 2 2 .....Eq. 5 Relacionando-se as duas forças obtém-se o fator K: a q q t t 2 2 , , tan tan 1cos -== fl tlK .....Eq. 6 que representa a relação entre a tensão trativa unitária limite no fundo do canal e nas margens. 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 0.01 0.1 1 10 D iâ m e tro d a s p a rtíc u l a s (mm) Muito Angular Moderadamente Anguloso Pouco Anguloso Pouco Arredondado Moderadamente Arredondado Muito Arredondado Figura 5 :Angulo de Repouso das partículas para materiais não coesivos Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 13 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 30 40 Inclinação dos Lados (graus) K 20 25 30 35 40 45 A n g u l o d e R e p o u s o Figura 6 :Relação entre a tensão trativa no fundo e taludes em função do Angulo de Repouso do Material em graus e da Inclinação dos Taludes Para partículas em geral, a estimativa da força trativa unitária limite pode ser efetuada a partir da curva de Shields, que relaciona a velocidade de início de movimento, já que: t r l f gRS V, *= =0 .....Eq. 7 Os parâmetros adimensionais empregados são: 50 , 2 * )( DgD V Sfl gg t - ==Y Re* *= V D n .....Eq. 8 onde V* é a velocidade de atrito, R o raio hidráulico, S0 a declividade longitudinal do canal, D o diâmetro característico do grão e n a viscosidade cinemática. 0.01 0.1 1 0.1 1 10 100 1000 Y R e * Figura 7:Curva de Shields Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 14 Os valores definidos nas equações (2) e (3) para a tensão trativa unitária limite são afetados pelo grau de compacidade do material, pela sinuosidade do trecho e pelo encouraçamento do leito. Em função da sinuosidade, Lane (in French,1980) recomenda reduzir a tensão trativa limite de acordo com os valores da tabela abaixo: Tabela 9 :Redução na Tensão Trativa Limite em função do Grau de Sinuosidade (Lane, 1955) Grau de Sinuosidade Fator Multiplicativo da Força Trativa Unitária Canais Retilíneos 1.00 Canais pouco sinuosos 0.90 Canais moderadamente sinuosos 0.75 Canais muito sinuosos 0.60 Figura 8 :Valores Recomendados para a Tensão Trativa Máxima em canais com material não coesivo (U.S.B.R, in CHOW, 1959) Figura 9 :Valores Recomendados para a Tensão Trativa Máxima em canais em função do índice de vazios (CHOW, 1959) Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 15 Tabela 10 : Tensão de Arraste Limite em Diferentes Materiais (Lencastre, 1972) Materiais Não Coesivos Grosseiros (kgf/m²) 758,0 Df ×=t onde D75 (cm) é o diâmetro que corresponde, na curva de composição granulométrica a 75% em peso, de materials de diâmetro infeirior Materiais não coesivos finos (kgf/m²) Materiais coesivos (kgf/m²) Tabela 11: Dimensionamento e Verificação da Estabilidade de um Canal Passo Atividade 1 determinar os valores de n (rugosidade), declividade, ângulo de repouso do material, vazão de dimensionamento e angulo de inclinação dos talude 2 estimar a sinuosidade a partir da topografia para correção da tensão trativa unitária (tabela 6) 3 Calcular a tensão trativa unitária atuando no fundo através de 0max 75.0 Syf ×××= gt 4 Admitir um diâmetro característico para o material da margem. Determinar a tensão trativa limite para o fundo a partir das eq. 2 e 3. Corrigir em função da sinuosidade e da forma da seção. Determinar a tensão trativa limite nos taludes calculando o coeficiente K. 5 Determinar o diâmetro característico através da expressão de Shields para o fundo e talude 50 , 2 * )( DgD V S fl gg t - ==Y 5 Comparar com o diâmetro de material admitido inicialmente e repetir o procedimento caso necessário. 2.2.3 Proteção contra ação das correntes O dimensionamento das proteções contra erosão causada pela velocidade acima daquela limite de resistência do material exige, inicialmente, a definição do material de base dos revestimentos uma vez que o processo de desestabilização se inicia pela lavagem ou desagregação do material da base. Estes materiais podem ser classificados como: Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 16 material grosseiro, não coesivos D50 > 1 mm material fino, não coesivos D50 < 1 mm material coesivo Para materiais grosseiros não coesivos, na maioria dos casos práticos pode ser utilizada a fórmula desenvolvida por Pilarczik (Delft, 1984): 5,2 1 50 ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ×D×¢ = hgkB u h D cr crn y .....Eq. 9 33,0 5050 )/( Sn WD g= .....Eq. 10 onde: Dn50 é o diâmetro nominal do material definido pela curva de composição granulométrica h é a profundidade do escoamento ucr é a velocidade crítica de início de arraste B1 é o coeficiente da tabela a seguir K’ é o fator de redução em função da estabilidade do talude (eq.. Ycr é o parâmetro de Shields crítico D é a relação entre os pesos específicos do material e da água Tabela 12 : Valores do Parâmetro de Shields Estado de Movimento das Partículas YYcr Repouso absoluto 0.03 Início da Instabilidade 0.04 Movimento 0.06 Tabela 13 : Valores do Parâmetro de Shields Condições do Escoamento B1 Grande Turbulência, extravasamento, perturbações locais e restrições de seção 5-6 Turbulência Normal em rios e canais 7-8 Pequena turbulência, escoamento uniforme, condições de leito liso, escoamentos de laboratório 8-10 O diâmetro nominal da proteção de margens contra o ataque das correntes foi proposto por Isbash (1970), através da fórmula: Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 17 kg u D crn ×D× ³ 2 50 7,0 ) .....Eq. 11 onde D é o peso específico relativo do material de proteção, ûcr é a máxima velocidade das correntes de retorno (ver ondas) ou do escoamento, aquela que for maior e K o fator de redução devido à inclinação do talude. 2.3 Ação de Ondas A instabilidade das margens causadas pelo movimento das ondas contra os taludes podem ocorrer devido a diferentes agentes, como: ondas geradas pelo vento ondas de translação originadas pela variação brusca de vazão ondas geradas pela passagem ou movimento de embarcações. 2.3.1 Ondas de Vento A ação do vento sobre as superfícies livres provoca ondas cuja altura, período e velocidade de propagação são relacionadas à profundidade do escoamento e a velocidade do vento. Para águas profundas, a altura significativa das ondas é proporcional à profundidade y, velocidade do vento V e comprimento do fetch L, que pode ser interpretado como sendo a pista de atuação do vento no sentido da formação de ondas. Em águas rasas, o efeito do atrito com o leito compete com a energia transferida pelo vento limitando a altura das ondas. águas profundas intermediário águas rasas 25.0 0 > L h 25,005,0 0 << L h 05,0 0 < L h sendo h a profundidade e p2 2 0 gT L = o comprimento de onda em águas profundas para um período T em segundos. A máxima altura das ondas, em águas rasas pode ser estimada por hH s 5,0= , onde Hs é a altura da onda significativa (média do terço superior da distribuição de alturas do trem de ondas) e h a profundidade do escoamento no pé do talude de margem. Outro importante parâmetro a ser considerado é a arrebentação da onda no talude revestido, que pode ser estimada por: ss H T LH 25,1 )( tan 2 1 0 == a x .....Eq. 12 onde a é o ângulo em graus da inclinação dos taludes. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 18 Talude Liso Talude com proteção de rip-rap Figura 10: Ondas com arrebentação sobre o talude da margem Figura 11: Altura das Ondas devido ao Vento em função do fetch, velocidade e duração do vento, para águas profundas. A amplitude das ondas causadas pelo vento pode ser estimada também através de relações do tipo da USSR Standard: Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 19 )(008,0 4 1 2 1 6 5 LLVH +×= .....Eq. 13 onde H resulta em metros, V em Km/s e L em Km. Deve ser levado em conta que há um fetch e uma duração de vento limites, acima dos quais as características das ondas deixam de ser influenciadas por estes parâmetros. Segundo o U.S. Corps of Engineers, o cálculo da onde de projeto num canal devido à ação do vento pode ser feito analogamente ao caso das grandes massa de água, desde que se considere o efeito da redução de largura do fetch na geração da onda. F et ch E fe tiv o Relação Largura/Comprimento do Fetch Figura 12: Relação Largura/Comprimento do Fetch e Fetch efetivo do vento Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 20 Período da Onda T (s) Fetch (Milhas Nauticas) A ltu ra d a O nd a H ( pé s) V el oc id ad e do V en to V ( nó s) V el oc id ad e do V en to V ( nó s) V el oc id ad e do V en to V( nó s) Fetch (Milhas Náuticas) Figura 13: Ábacos para Cálculo do Fetch e Altura da Onda de Projeto 2.3.2 Ondas devido à Passagem de embarcações O movimento de embarcações provoca ondas geradas pelo abaixamento da superfície líquida e ondas secundárias, provocadas pelo cruzamento dos picos de diferentes frentes de onda. As ondas provocadas pelo abaixamento da superfície líquida podem ser estimadas segundo o enfoque da equação da energia de Schijf, aplicável para embarcações movendo-se pelo eixo do Figura 14: Nível d’água ao longo do tempo em relação à passagem de uma embarcação Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 21 canal, na faixa 1 < bw/Bs < 12, sendo bw a largura da base do canal e Bs a boca da embarcação. ÷ ÷ ø ö ç ç è æ -÷÷ ø ö çç è æ =D 1 2 2 1 2 w cs A A g V h a .....Eq. 14 )( rswsc uVAVA += .....Eq. 15 mbw AhhmhhbA -D-+D-= 2)()( .....Eq. 16 L s V V*4,04,11 -=a .....Eq. 17 5,125,1 2 1 3 2 ÷÷ ø ö çç è æ ¢ +-÷ ø ö ç è æ= ¢ hg V A A hg V L c mL .....Eq. 18 onde hD é o rebaixamento médio da superfície livre Vs é a velocidade efetiva da embarcação VL é a velocidade limite da embarcação ru é a velocidade da corrente de retorno Am a área da seção transversal ao meio da embarcação Ac a área da seção transversal do canal bw a largura na superfície livre w c b A h =¢ a profundidade imaginária do canal a1 é o coeficiente de velocidade A figura a seguir resolve diretamente as relações acima: Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 22 Figura 15:Diagrama de Schijf para determinação do rebaixamento do nível d’água e velocidade da corrente de retorno A equação abaixo (Delft, 1989) permite o cálculo da altura da altura das ondas secundárias onda produzida pela passagem de uma embarcação com velocidade Vs , para uma profundidade y, junto ao revestimento da margem: 333,0 1 )( aa SFy S y H -= .....Eq. 19 gy V F SS = .....Eq. 20 g V L 2 267,0 2 p×= .....Eq. 21 p2 3gT L = .....Eq. 22 sendo s a distância à margem (m), a1 igual à 1 para lanchas, 0,5 para comboios europeus e 0,35 para outros tipos de embarcação autopropelida. O coeficiente a3 é adotado experimentalmente igual à 4. Segundo Gelencser(1977), a partir de resultados de modelo físico, a onda de projeto para o cálculo da proteção das margens pode ser estimada por: 8,2 2 6102 PH d -´= .....Eq. 23 Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 23 3,5 1 9104 PH d -´= .....Eq. 24 ( )31/21 vb AVP = .....Eq. 25 3 1 2 1 2 02 2 ú û ù ê ë é = c vb xA L AVP .....Eq. 26 onde Hd é o rebaixamento do nível d’água x a distância do barco à margem L0 o comprimento do barco Av a área da seção transversal molhada do barco Ac a área da seção transversal do canal 2.3.3 Dimensionamento de Proteções contra a ação de ondas Para leitos com base impermeável aplica-se a formula genérica do tipo )sin(cos aa b -D ¢ ³ H D .....Eq. 27 onde D é o diâmetro característico do material (D50), b’ é característico do material do talude, variando entre 0,25 £ b’£ 0,45, H é a altura da onda, a é o angulo de inclinação da margem ou talude e D = ( gs - g )/ g a relação entre o peso específico submerso do material e da água. Para ondas secundárias, originadas pelo movimento das embarcações Verhey e Pilarczyk (Delft, 1986) propõe: ( ) D ³ 8,1 cos 2 1 50 bs n H D .....Eq. 28 sendo b o ângulo de propagação das ondas normal à margem (usualmente 55º) E D n50, diâmetro nominal, dado por 33,0 5050 )/( Sn WD g= onde W50 é valor correspondente à 50% da curva de distribuição em massa do enrocamento de proteção, dado pela curva ao lado. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 24 Para ondas de vento, Pilarczyk (Delft, 1987) propõe: D ³ 25,250 xs n H D .....Eq. 29 2 1 )(tan L Hax = válido para 5,0)tan05,0( -£ ax c .....Eq. 30 Para leitos com base permeável, a fórmula de Hudson, desenvolvida pelo USBR no Lab. de Vicksburg, com base nos trabalhos de Iribarren de 1960, permite a estimativa do peso do material granular para proteção da margem em função da altura H da onda e da inclinação da margem a: ag g g cot1 3 3 ÷ ø öç è æ - = s d S K H P .....Eq. 31 S P D pg 6 3= .....Eq. 32 onde Tipo de ação da onda Kd com arrebentação 1,2 a 2,0 onda sem arrebentação 2,0 a 4,0 talude com enrocamento graduado rip-rap 2,2 a 2,5 Tabela 14: Valores Sugeridos de Kd pelo USBR Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 25 Para considerar a influência do período da onda, tipo de onda, duração da tempestade, permeabilidade da estrutura e intensidade dos estragos admitidos na camada de revestimento, alguns especialistas aplicam a fórmula de Van der Meer (1980), com a seguinte estrutura: 2 1 2,0 18,0 50 2,6 m n S N S P D H x÷ ø ö ç è æ= D .....Eq. 33 para ondas com arrebentação, onde xm < xmc P m n S N S P D H xa 5,0 2,0 13,0 50 cot0,1 ÷ ø ö ç è æ= D - .....Eq. 34 para ondas sem arrebentação, onde xm > xmc sendo 5,0 1 31,0 )2,6( += Pmc tgP ax .....Eq. 35 onde P é um parâmetro que depende do arranjo do material de revestimento 2 50ne DAS = expressa o nível de estragos admitidos no revestimento, sendo Ae a área afetada pelos danos N é o número de ondas de projeto (usualmente admitido entre 3000 e 5000 pelo British Standards) x é o parâmetro de arrebentação de Iribarrem a é o angulo de inclinação dos taludes. Para proteção com blocos de concreto, uma aproximação mais sofisticada, que a fórmula de Hudson foi desenvolvida em Delft também por Pilarczyk(1986) e utiliza: x a j cos = DD H S .....Eq. 36 onde D = espessura do bloco j = coeficiente de forma do bloco x = parâmetros de arrebentação da onda Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 26 V al or es d e P , s eg un do V an d er M ee r (1 98 0) Figura 16 : VAlores de P (Van der Meer, 1980) Á re a de E ro sã o, s eg un do V an d er M ee r (1 98 0) Figura 17: Área de Erosão (Van deer Meer, 1980) Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 27 3 Proteções Contínuas Também denominadas de proteções diretas ou revestimentos, são aplicadas paralelamente à direção do fluxo, ficando em contato direto com o material da margem propriamente dito. As proteções contínuas podem flexíveis, quando acompanham as deformações do material base componente dos leitos, sem perder seu aspecto de integridade. Os exemplos deste tipo são as proteções de enrocamento naturais e sintéticos, colchões, revestimentos vegetais naturais ou consolidados, gabiões não revestidos, elementos tipo sacos de areia, solocimento e argamassa arrumados. Por sua vez os revestimentos rígidos não admitem deformação sem a perda de alguma de suas características, como a impermeabilidade, rugosidade, aspecto visual e etc. Entre estes revestimentos destacam-se os painéis de concreto moldados e pré- moldados, muros de alvenaria, gabiões e elementos revestidos de concreto ou argmassa. Deve ser observado que embora classificados como revestimentos, alguns tipos muitas vezes são empregados com função estrutural, para consolidação das margens e sustentação de estruturas, como é o caso de gabiões, enrocamento natural e sintético, elementos tipo saco e muros de modo geral. 3.1 Revestimentos Flexíveis A característica básica dos revestimentos flexíveis é a de admitir deformaçõessem a perda de suas características. Especial atenção deve ser dada para: · taludamento das margens quando o revestimento não tem função estrutural, para inclinações da ordem de 1V:2H ou 1V:4H, garantindo a estabilidade em função das características geotécnicas do material componente; · revestimento deve ser poroso e drenante de forma a permitir o alívio de pressões oriundas do fluxo d’água através do maciço componente das margens; · uso obrigatório de filtros no contato entre o revestimento e o material original, composto de material granu7lar ou sintético, impedindo a perda de material tanto por ação da velocidade como por retro erosão; · como a erosão no pé dos taludes de margens é a causa principal da instabilização, atenção especial deve ser tomada quanto à proteção destes pontos, com o prolongamento dos revestimentos para o interior do escoamento ou aplicação de material de proteção do revestimento. 3.1.1 Proteção com Enrocamento A proteção com enrocamento lançado é forma padrão de revestimento desde que haja material disponível em dimensões (diâmetro) e quantidade para aplicação no projeto. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 28 Por enrocamento entende-se material granular de origem natural tais o como produzido em pedreiras e aqueles provenientes de desmonte natural de rochas como os seixos rolados. O enrocamento arrumado apresenta economia de material, tanto de proteção como filtro e tem a vantagem de resultar numa rugosidade final menor. Exige melhor mão de obra e deve ser feito a seco. Figura 18: Tipos de Proteção com enrocamento 3.1.1.1 Dimensionamento A verificação da necessidade de proteção é feita através dos critérios de tensão de arraste, ou velocidade admissível e altura das ondas. Velocidade admissível Eq. 2 Tensão de Arraste Eqs. 3 a 8 Altura de Onda – Critérios Pilarczyk Eq.25 e 26 Critério de Hudson ou Van der Meer Eq. 33 Figura 19: Angulo de Repouso de Material Granular para Enrocamento Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 29 3.1.1.2 Disposição e Detalhes Construtivos A graduação e os detalhes construtivos devem obedecer: Item Fonte Critério D<25%Dmaior D>2,5 a 3 Dmenor D50@2D20 Dmax@2D50 USBR nenhum bloco com Dmaior³ 3Dmenor Dmax = 2 a 5 D50U.S Corp of Engineers Dmax < 16 D15 3 D50 ® 100% 2 D50 ® 80% Graduação dos Blocos Depart. Estradas USA 0,1 D50 ® não exceder 10% mínima 2 D50Espessura da Camada base do talude 3 D50 Proteção do pé do talude avaliar a evolução do fundo 5 < D15 filtro / D15 base < 40 D15 filtro / D85 base £ 5Transição ou Filtro U.S Corp of Engineers D50 filtro / D50 base £ 25 e ³ 10 cmEspessura das camadas Para D50 ³ 5 cm ® 2 D50 Escoamento 0,50 a 1,00 mBorda Livre da Proteção Ondas 1,5 H 3.1.1.3 Transição e Filtros Nos revestimentos com enrocamento lançado e arrumado, da mesma forma que nos do tipo colchão de gabião, como será visto adiante, a espessura do revestimento e as dimensões das pedras devem ser tais que resistam ao movimento causado pela correnteza e evitem a erosão do solo da base. A velocidade da água entre a camada de pedras e o solo deve ser então suficientemente pequena para evitar o movimento das partículas. Para tal utilizam-se filtros naturais granulares ou sintéticos, como os geotexteis. A velocidade logo abaixo do revestimento pode ser estimada pela equação de Manning. 2 1 3 2 2 1 S D n V m f b ÷ ø ö ç è æ= .....Eq. 37 onde Vb é a velocidade na interface da proteção e nf é o coeficiente de Manning da interface. Os valores recomendados para nf são 0,02 para geotexteis e 0,025 para Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 30 material granular tipo cascalho ou areia. Se Dm é o diâmetro médio das pedras, o raio hidráulico do escoamento no contato é admitido como sendo Dm/2. Para solos não coesivos, a velocidade admissível é dada pela relação baseDVe 1,16= .....Eq. 38 onde Dbase é o diâmetro das partículas da base. Para solos coesivos, as velocidades admissíveis podem ser estimadas pela figura abaixo. Figura 20: Velocidade Admissível no Contato Enrocamento-Solo Para transições de material granular cascalho recomenda-se a adoção de uma camada de espessura mínima 0,15 a 0,20 m e nunca inferior ao valor ú ú û ù ê ê ë é ÷÷ ø ö çç è æ -³ 2 1 b ev V V f D e .....Eq. 39 onde f é o coeficiente de Darcy- Weisbach e Dv o diâmetro equivalente dos vazios, adotado como sendo: 5 50 filtro v D D = .....Eq. 40 A granulometria do filtro obedece à: 5 < D15 filtro / D15 base < 40 D15 filtro / D85 base £ 5 D50 filtro / D50 base £ 25 Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 31 Figura 21: Critério de Transição para enrocamento lançado (rip-rap) Simons(1973) 3.1.1.4 Uso de Geotexteis O emprego de geotextil permite a redução da velocidade no contato entre a camada de revestimento e o solo de base, para valores da ordem de 1/4 a 1/2 de Vb. O geotextil é uma membrana sintética (Bidim ou similar) filtrante, com resistência mecânica à compactação. Admite grandes deformações longitudinais, apresentando o inconveniente de ter seus vazios colmatados por material fino coloidal. Nestas situações, existem referências a casos onde o contato do geotextil com o solo de base perde o atrito devido à lubrificação causada por camada coloidal retida, ocasionando o escorregamento do material de proteção (pedras ou gabiões tipo colchão). No emprego sobre camada de base composta por material granular, tipo areia, pode- se aplicar o enrocamento diretamente sobre o geotextil. Para bases de material fino como silte ou argila, exige-se ainda uma camada de transição. Figura 22: Emprego de geotextil em revestimento de margens Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 32 Aplicação Típica de geotextil com enrocamento e transição Aplicação do enrocamento sobre o getextil submerso 3.1.1.5 Proteção de Pé A proteção de pé é indicada para manter as características estruturais da capa de revestimento. Figura 23: Exemplos de Proteção de Pé em taludes revestidos de enrocamento Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 33 Enrocamento granítico utilizado como proteção de margem de canal de adução de água. Sistema Alto Tietê Enrocamento arrumado utilizado como proteção contra a ação de ondas Aplicação de enrocamento de proteção a partir da balsa com drag-line Enrocamento de proteção com vegetação incorporada Proteção de margem com escoria de enrocamento no Rio Arkansas Aplicação mecanizada de enrocamento de proteção Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 34 3.1.2 Proteção com Colchões Colchões são conjuntos de elementos de revestimento, articulados ou não, que apresentam uma grande resistência à ação de ondas e correntes em função de seu funcionamento em conjunto. Compostos de materiais diversos apresentam facilidade executiva, excelente acabamento e economia de material. Geralmente sua resistência é muito superior aos esforços hidráulicos a que estão submetidos, devendo-se entretanto das especial atenção à transição entre o material de base da margem e o elemento. Os colchões podem ser de diferentes tipos, conforme os exemplos citados a seguir: 3.1.2.1 Elementos Articulados de Concreto Em geral blocos de concreto com ligação entre sí, oferecendo grande flexibilidade e resistência principalmente contra a ação de ondas. Colchões articulados de concreto em proteção contra a ação de ondas Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 35 Aplicação e acabamento de colchões articulados de concreto Ruptura de proteções com elementos articulados de concreto Bloco de concreto utilizado como revestimento em descarga decanalização Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 36 Colchão com blocos articulados de concreto como proteçao portuária Movimentação de colchão de concreto na obra Movimentação de colchão de concreto com equipamento de grande porte 3.1.2.2 Elementos Articulados de Madeira São montados colchões com elementos articulados de madeira, unidos por barras metálicas, posteriormente preenchidos com enrocamento, aumentando assim a resistência do conjunto. Exigem os mesmos cuidados com a transição solo-proteção que os demais tipos de colchão. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 37 Figura 24: Colchão de proteção com elementos articulados de madeira 3.1.2.3 Colchões de Gabião Os colchões de gabião são os elementos de revestimento flexível mais empregados em obras fluviais devido à suas vantagens técnicas em relação aos revestimentos lançados. Os gabiões tipo colchão, constituídos de caixa formada por tela metálica, revestida ou não, e enchimento de pedra, quando comparados ao revestimento tradicional de enrocamento lançado, tem a vantagem exigirem espessura menor, pedras de menores dimensões e menor consumo de material. Sua segurança, no entanto, fica condicionada à durabilidade das malhas metálicas que compõe as caixas. Tabela 15: Revestimento de Colchões de Gabião – Dimensões Típicas Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 38 Figura 25 :Aplicação Típica de Gabiões tipo Colchão Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 39 Figura 26:Aplicações de gabiões tipo colchão A verificação do revestimento em gabião tipo colchão é usualmente feito em termos de tensão de arraste, velocidade crítica e ação de ondas e deformações. O quadro a seguir permite a verificação passo a passo do comportamento do colchão de gabião: Figura 27: Deformações no colchão de gabião Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 40 Passo Verificação Fórmulas 1 Seleção do Tipo de Colchão determinar D90 e Dm (tabela) determinar rugosidade 26 6/1 90Dn = 2 Verificação da Tensão de Arraste Tensão de arraste no fundo 0SRhb gt = Tensão crítica de arraste msc D)(10,0 ggt -= Condição Limite: cb tt £ Tensão de arraste nas margens: 075,0 SRhm gt = Tensão crítica de arraste nas margens: º41sin sin 1 2 2 q tt -= cs Condição Limite: sm tt £ 3 Velocidade Admissível No. de Froude : gRhVF /= Determinar Vc em função de F e V da figura: 4 Velocidade no Contato Colchão Solo Velocidade admissível do material de base 2/11,16 dVe = Velocidade no contato colchão-solo: 2/1 3/2 2 1 i D n V m f b ÷ ø ö ç è æ= Adotar nf=0.02 se houver geotextil ou nenhum filtro e nf=0.025 se houver filtro de cascalho Verificar se Vb < Ve Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 41 Passo Verificação Fórmulas 5 Controle das Deformações Determinar os parâmetros ms cb D C )(* gg tt - - =¢ e ms sm D C )(* gg tt - - =¢ para fundo e margens Verificar o parâmetro Dz/Dm na figura abaixo Verificar )1(2/ -£D m m D tDz 6 Verificação da ação de ondas Determinar a espessura mínima do colchão em função da ação de ondas: q g g cot)1)(1(3 -- = s D V H t para taludes com inclinação superior à 1V:3,5H q g g 3 1 cot)1)(1(7 -- = s D V H t para taludes com inclinação inferior à 1V:3,5H v sendo que Vé a porcentagem de vazios no material de enchimento. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 42 Figura 28: Aplicação de Gabiões tipo Colchão Figura 29: Revestimento de Margem par proteção contra ondas Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 43 3.1.2.4 Mantas Mantas são elementos contínuos, aplicados aos taludes dos canais com a finalidade da aumentar a resistência. Geralmente são associadas à consolidação com vegetação, predrisco asfáltico e solocimento. A seguir apresentam-se exempos deste tipo de revestimento: GeoWEB Manta formada de elementos losangulares de material geosintético que aumenta a resistência do solo natural à ação do escoamento através do confinamento de material de preenchimento. A resistência pode ser aumentada com a associação do confinamento à fixação da vegetação. Figura 30 : Manta de Proteção tipo GeoWEB Tabela 16: Dimensões do GEOWEB Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 44 A resistência à ação da corrente e das ondas pode ser estimada pelas figura a seguir Figura 31: Velocidade x Diâmetros das Pedras de Enchimento para o GeoWEB Figura 32: Recomendações de Enchimento do GeoWEB em função da Velocidade Figura 33 : Exemplo de Aplicação do GeoWEB Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 45 Figura 34 : Exemplo de Aplicação do GeoWEB com concreto Geomanta Enkamat Manta geosintética destinada à proteção do solo fino contra a ação da água através da criação de condições para a fixação da vegetação. A manta é formada por filamentos de poliamida aleatoriamente dispostos, formando um colchão tridimensional que inicialmente protege o solo contra a erosão e num segundo estágio, atua de forma permanente como reforço da camada vegetal. Figura 35: Funcionamento da Geomanta Enkamat Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 46 A seguir são apresentadas algumas características deste tipo de revestimento. Tabela 17: Run-Up sobre o Talude revestido com Enkamat em função da Altura Significativa da Onda e Inclinação do Talude Figura 36: Relação De Shields e Campo de Aplicação do Enkamat Figura 37: Velocidades críticas para aplicação do Enkamat sem vegetação Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 47 Figura 38: Velocidades críticas para aplicação do Enkamat com vegetação Figura 39: Exemplo de Aplicação do Enkamat Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 48 3.1.2.5 Mantas de Pneus Esta solução, citada por Petersen (1981), evidentemente depende da disponibilidade do material de revestimento, que são pneus usados de caminhão, amarrados e fixados por barras de aço no talude do canal. Revestimento com pneus usados amarrados 3.1.3 Enrocamentos Sintéticos Enquadram-se nesta categoria de revestimentos as proteções feitas de bolsas preenchidas com materiais diversos, como areia, concreto, argamassa e solocimento 3.1.3.1 Bolsacreto A proteção é obtida a partir da montagem de sacos plásticos preenchidos com concreto. Apresenta a vantagem de poder ser executado submerso. A resistência é obtida após a cura do concreto, sendo que o material plástico se desfaz com o tempo. Este revestimento está na interface entre os flexíveis e os rígidos sendo também aproveitado para obras transversais como os espigões. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 49 Figura 40: Revestimento de Margem com Bolsacreto Figura 41: Revestimento de Margem com Bolsacreto revestida de argamassa Figura 42: Revestimento de Margem Côncava com Bolsacreto 3.1.3.2 Solocimento Sacos de material plástico ou textil preenchidos com argamassa de solocimento. Os sacos de solo cimento são dispostos junto a margem de forma inclinada, acompanhando o talude. Este revestimento, da mesma forma que o bolsacreto, também situa-se na interface entre os rígidos e flexíveis pois confere certa resistência estrutural ao talude. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 50 Figura 43: Revestimento de Talude com Solo Cimento Figura 44: Arranjo dos sacos de solocimento Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 51 Figura 45: Revestimento Típico feito em sacos de solo cimento Figura 46: Aplicação de revestimento com solocimento Obras Fluviais/2001Estabilização e Proteção de Margens 52 3.1.4 Gabiões Caixa Os gabiões tipo caixa são constituídos de tela de arame revestido ou não preenchidos com pedras. São muito empregados, na forma de muros, para a associação entre a resistência hidráulica e a estabilidade geotécnica das margens. Os critérios de dimensionamento são os mesmos apresentados para os colchões de gabiões, especiamente quanto ao critério de tensões de arraste, velocidade crítica e velocidade junto ao contado solo – gabião. Toda a segurança do gabião reside na integridade da tela, que para tal pode ser revestida de plástico. Os gabiões tipo caixa são disponíveis em caixas de 1 a 2 m de comprimento, com altura de 0,50 a 1 m. Figura 47: Formato dos Gabiões tipo Caixa Tabela 18 : Disponibilidade de Gabiões tipo Caixa Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 53 Os gabiões exigem cuidados especiais com a fundação, especialmente junto ao pé. Recomenda-se sempre a adoção de proteção com gabião manta, avançando para dentro do curso d’água para acompanhar a movimentação do fundo. Figura 48: Deformação da proteção junto ao pé com a evolução do leito Uma das grandes desvantagens do revestimento em gabião é a manutenção, que deve ser manual em função do grande risco de rompimento da tela em atividades mecanizadas. Quando a manutenção é importante, torna-se necessária a adoção de revestimento sobre o gabião, que melhora muito o coeficiente de rugosidade das seções. Figura 49 : GAbiões Revestidos de pedra ou argamassa Figura 50: Gabiões Revestidos com Argamassa Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 54 Revestimento de contenção em margem com gabião manta no pé Revestimento combinado de gabião caixa e colchão Proteção de gabião no encontro de pontes Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 55 Proteção de gabião em canalização de drenagem 3.2 Proteções Rígidas As proteções rígidas são normalmente painéis, muros e paredes que perdem suas características quando sofrem deformações. Enquandram-se nesta categoria os revestimentos em placas de concreto pré-moldados e moldados em loco, os muros de concreto em gravidade e armado, as paredes de alvenaria de pedra. Da mesma forma que os gabiões, estas proteções devem ter sua estabilidade geotécnica garantida, devendo-se atentar para a drenagem de sub-pressões e a proteção contra erosão de pé, além da possibilidade de escorregamento devido à diminuição do atrito no contado entre o solo e o revestimento. O dimensionamento destas estruturas deve seguir os critérios estruturais e geotécnicos do partido adotado. As principais proteções rígidas encontradas na prática são: 3.2.1 Painéis de Concreto Armado Apoiados sobre o terreno, estas placas são impermeáveis, devendo para tanto ser previstos drenos horizontais para alívio das pressões de água. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 56 Figura 51: Painéis em Concreto Armado 3.2.2 Cortinas Atirantadas Elementos estruturais para contenção, geralmente de margens verticais, que funcionam também como revestimento. Figura 52: Revestimento de Margem e Conformação Estrutural com Cortina Atirantada 3.2.3 Muros de Gravidade Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 57 Se assemelham às cortinas atirantadas em termos de revestimento, sendo que sua resistência é função do peso próprio. 3.2.4 Placas Pré-Moldadas de concreto São empregadas como revestimento devido à sua resistência e durabilidade. Especial atenção deve ser dada à fundação e estabilidade ao escorregamento, no contato entre o revestimento e o solo. Também deve ser dada atenção à drenagem de sub pressões da parte anterior do muro. Figura 53: Painéis pré-moldados de concreto apoiados sobre estacas Painéis de concreto pré-moldados utilizados como revestimento, com drenagem facilitada Paniéis de concreto rígidos com elementos drenantes Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 58 painéis de concreto rígidos montagem dos painéis de concreto rígidos com elementos drenantes Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 55 4 Proteções Descontínuas 4.1 Características Gerais Estas obras destinam-se a afastar a corrente das margens a serem protegidas, criando inclusive condições para a formação de depósitos de sedimentos que tendem a aumentar a proteção com o tempo e reduzir a necessidade de manutenção. O exemplo mais clássico de aplicação de proteções descontínuas está no uso de espigões para proteção das margens côncavas dos cursos d’água naturais, que apresentam erosões devido ao efeito das correntes rotacionais. As proteções descontínuas podem ser do tipo espigões, quando transversais à margem, ou diques, quando paralela ao alinhamento do canal. Figura 54: Proteção Clássica com espigões de repulsão e sedimentação nas margens côncavas de um rio (Petersen, 1981) 4.2 Espigões São obras transversais que avançam desde a margem em direção ao eixo do escoamento, até o limite adequado para exercer sua proteção, ou até a nova linha da margem desejada. Um espigão pode ser caracterizado da seguinte forma: Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 56 Ancoragem ou enraizamento Parte do espigão que se une a margem e que deve ser perfeitamente ancorada à antiga margem a fim de evitar sua destruição caso seja contornada pelas águas durante a enchente Frente Parte do espigão voltada para montante do rio, com um talude que varia de 1:1 a 1:3 Costa Parte do espigão voltada para jusante do rio, que deve ter uma declividade suave senão a inclinação produz um desgaste no pé da face de jusante. 0 talude varia, de acordo com o material empregado e as condições locais, em torno de 1:3 Cabeça É a ponta do espigão, com um talude que vai de 1:4 a 1:5, até 1:10 ou 1:20. É uma parte muito sujeita a ação das correntes, e por isso deve ser construída a prova de erosões. Se a cabeça do espigão permanece por debaixo do nível de estiagem, chama-se "banhado". Crista E uma espécie de plataforma na parte superior do espigão, com largura variando de 1 a 3,5 m. Se a crista está abaixo do nível de estiagem se diz que o espigão é submerso 4.2.1 Classificação dos espigões e exemplos 4.2.1.1 Quanto a finalidade Quanto à sua finalidade, os espigões podem ser classificados como: E sp ig ão Is ol ad o Um espigão isolado ou banco, é na realidade um escarpamento artificial destinado a empurrar a corrente liquida para longe da margem. Ele cria assim, uma recirculação e um turbilhonamento acima da face de jusante do espigão, e se esta recirculação se estender muito mais para baixo, a margem irá erodir mais do que se não existisse o espigão. Para estas condições. o espigão isolado atrai a corrente em vez de empurrá-la. Em casos especiais como proteção de encontro de pontes, proteção de talude de ensecadeiras, direcionamento da corrente líquida para vertedores de barragens e etc é necessário e vantajoso o uso do espigão isolado E sp ig õe s de r ep ul sã o Com a finalidade de se evitar os efeitos erosivos que ocorrem no espigão isolado, constroi-se uma série de espigões, de tal forma que eles se protegem mutuamente e criam entre eles, a margem e a corrente do rio, um colchão liquido estático que desvia a corrente da margem. Para se obter uma concordância adequada e um bom funcionamento dos espiões de repulsão, deve-se estudar com cuidado itens como localização em planta, comprimento de cada espigão, separação entre eles, orientação em relação a corrente, para cada caso particular de aplicação, pois como são muitas as variáveis que afetam os espigões de repulsão, teremos para cada caso uma solução própria de projeto. De um modo geral os comprimentos dos espigões de repulsão vão crescendode montante para jusante, sendo que o primeiro espigão de montante deve ser o menor possível e construído com cuidados especiais para resistir a violenta ação da corrente. Os espigões de repulsão são portanto de tipo impermeável. A desvantagem dessa forma de proteção à quanto ao aspecto econômico, pois muitas vezes se torna mais cara de que a proteção direta da margem. E sp ig õe s de S ed im en ta çã o A finalidade desses espigões é formar um depósito de material sólido no espaço entre eles, através da diminuição da velocidade da corrente líquida nestes intervalos, o que causa a sedimentação do material em suspensão, protegendo-se assim a margem da ação erosiva da corrente. Esses espiões são portanto do tipo permeáveis e para se evitar a formação de turbilhões, devem ser curtos e nivelados abaixo da superfície livre. Conforme vai se formando o depósito de material sólido junto da margem protegida, vão se prolongando os espigões a fim de se ampliar a área de depósito, permitindo assim realizar grandes economias nas primeiras obras. Claro fica que estes espigões somente podem ser utilizados nos rios com grande transporte de sedimentos. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 57 Figura 55: Espigões de repulsão para estabilização de margem côncava Figura 56: Conjunto de espigões de repulsão Figura 57: Espigões de Sedimentação e estabilização de trecho retificado 4.2.1.2 Orientação em relação ao fluxo Já quanto à sua orientação em relação à corrente líquida, os espigões podem estar orientados para montante, para jusante ou podem ser normais à corrente. A orientação do espigão se mede pelo ângulo que forma o eixo longitudinal do mesmo com a direção, para jusante, da tangente à margem, no ponto de ancoragem ou enraizamento. A eficácia de cada tipo é bem diferente existindo grandes controvérsias sobre as vantagens e inconveniências de se orientar os espigões para montante, jusante ou perpendicularmente às linhas de vazão e muitas vezes a orientação é determinada pela experiência ou preferência do projetista. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 58 N or m ai s São os que formam um ãnqulo de 90º com a tangente à margem no ponto de ancoragem. São geralmente curtos e executados nas margens côncavas e são muito usados em rios com maré, onde a inversão da corrente conduz a adoção de um traçado normal às margens. In cl in an te o u pa ra m on ta nt e São os espiões que formam um ângulo maior que 90º com a tangente à margem no ponto de ancoragem. Atualmente, os espigões são quase sempre dirigidos para montante. A corrente que submerge tende a pegar uma direção perpendicular aos espigões, que tem por efeito conduzir as águas em direção ao meio do rio. Além disso, tal orientação favorece o desvio de sedimentos do canal navegável para as zonas entre os espiões na época de águas altas, exigindo menos proteção nessa face do espigão. Entretanto, espigões inclinantes obrigam a menores espaçamentos e portanto um maior número deles, para um mesmo comprimento de proteção. D ec lin an te o u pa ra ju sa nt e São os espigões que formam um ângulo menor que 90º com a tangente à margem no ponto de ancoragem. De um modo geral, são pouco utilizados, pois nos espigões dirigidos para jusante a tendência de erosão que se observa na extremidade destes, devido aos turbilhões é dirigida numa direção perpendicular aos espigões, podendo atingir a margem, exigindo então obras de proteção ou outro espigão próximo que afaste a erosão das margens. Mesmo assim, segundo alguns autores, os espigões para jusante podem ter certas vantagens, quais sejam: · quanto maior a orientação para jusante mais a cavidade de erosão se afasta do espigão. · espigões para .jusante causam menores turbulências e profundidade de erosão nas suas extremidades. · espigões para jusante acumulam menos entulhos e outros materiais flutuantes. Figura 58: Espigão inclinado para montante Figura 59: Espigão inclinado para jusante Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 59 Figura 60: Espigão normal 4.2.1.3 Quanto à Permeabilidade Quanto a possibilidade de escoamento pelo interior do espigão, temos: Im pe rm eá ve is o u pl en os Os espiogões são impermeáveis ou plenos são destinados principalmente à modificar a direção da corrente, desviando-a da margem e são utilizados em rios que transportam mais areias e seixos que sedimentos em suspensão. Estes espiões suportam cargas menores que os diques, mas suas duas faces são submetidas a ação da corrente e elas devem resistir ao desvio da água sobre sua crista. Os espigões podem ser compactos (ou maciços) ou maleáveis. Os compactos resistem aos esforços aos quais são submetidos pelo conjunto de seu peso. Os deformáveis dissipam energia pelas deformações do perfil e atritos entre elementos construtivos, sendo necessário uma grande compacidade e evitar-se deformações excessivas, através da utilização de elementos resistentes. Os espigões impermeáveis estão sujeitos a fortes esforços na extremidade, exigindo por isso cuidados especiais de manutenção. Podem formar contra correntes que atingem a margem antes de se formarem os depósitos protetores. P er m eá ve is Destinam-se a reduzir velocidade da corrente na região que se deseja preencher com material arrastado pelo rio. O fluxo, ao atravessar o espigão tem sua velocidade reduzida, o que permite a sedimentação do material. Estes espigões são menos resistentes que os permeáveis e exigem mais manutenção geral 4.2.1.4 Quanto à Declividade Longitudinal Quanto a declividade e elevação da crista, tem-se construído espigões sem declividade longitudinal (i=0) em direção ao centro do canal e com declividades de 0,02 a 0,25 m/m. Experimentalmente se tem testado espigões com crista horizontal e com declividade de 0,1 a 0,5 m/m. Os espigões devem ser construídos com Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 60 declividade para dentro do rio. Devem ter como elevação inicial a altura da margem ou a altura da superfície livre para a vazão característica do rio. 0 extremo dentro do rio deverá ter alturas máximas de 50 cm sobre o fundo atual. Com isso se consegue declividades de 0, 0,5 a 0,25 m/m, que tem funcionado satisfatoriamente. Ao se construir espigões com declividades grandes até dentro do rio, temos algumas vantagens: · Não existe praticamente solapamento local no extremo do espigão. · Cada espigão inclinado necessita para ser construído entre 40% a 70% do material requerido para construir um espigão de crista horizontal. · Se o espigão é construído com paredes verticais, há apenas uma ligeira erosão na sua face de montante. Figura 61: Espigões Inclinados Longitudinalmente 4.2.2 Dimensionamento dos Espigões de Proteção 4.2.2.1 Posicionamento em Planta Ao se projetar uma obra de proteção, seja respeitando a margem atual, ou então em uma nova margem (caso de retificação), é necessário traçar em planta o eixo do rio e nas margens delinear uma linha paralela ao eixo, à qual chegarão os extremos dos espigões. Figura 62: Traçado dos espigões em planta Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 61 Figura 63: Posicionamento dos espigões numa curva O comprimento de cada espigão será dado pela distância da margem real a esta linha. A separação entre as novas margens (B) será dada pelo estudo da estabilidade da seção que deve ser feito a priori, em função da finalidade da obra, como navegação, retificação e etc. Quando se trata de uma retificação em canais formados por areias e limos, convém dentro do possível, que os raios das curvas, medidos até o eixo do rio, tenham os seguintes comprimentos: BRB 82 ££ onde B é a largura média do canal. Se a curvaé curva uniforme todos os espigões tem o mesmo comprimento, ângulo de orientação e portanto uma separação uniforme. Se o raio de curvatura diminui para jusante a separação entre os espigões diminui e é economicamente preferível construir uma proteção direta apoiada na margem. Se o raio de curvatura aumenta nem todos os espiões trabalham de forma uniforme. Quando só se deseja proteger as margens atuais de um rio e é possível fazer trabalhos de retificação, a linha que une extremos dos espigões deverá ser a mais uniforme possível, tendo necessariamente um único raio. A linha que une os extremos dos espigões influi no comprimento, separação e orientação destes. Ao se proteger uma curva ou um trecho, os primeiros três espigões de montante devem ter comprimentos variáveis. 0 primeiro deverá ser do menor comprimento possível e os outros aumentam uniformemente, de tal maneira que o quarto já tenha o comprimento de projeto, porém a declividade da crista deverá ser uniforme em todos eles. Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 62 Figura 64: Posicionamento dos espigões numa curva 4.2.2.2 Posicionamento na Margem Em função da altura da margem, o posicionamento pode ser feito segundo o critério proposto por Maza Alvares (1990), conforme indicado na figura abaixo Figura 65: Posicionamento do espigão em relação à margem Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 63 4.2.2.3 Comprimento dos espigões O comprimento total de um espigão se divide em comprimento de enraizamento ou cravação e comprimento de trabalho. A primeira parte é a que está dentro da margem e a segunda a que está dentro da corrente. Comprimento de trabalho: 0 comprimento de trabalho, medido sobre a crista, se seleciona independentemente, porém deve estar dentro do seguinte limite: 4 B TLh ££ onde: B é a largura média do canal e h a altura média, ambos referidos a vazão predominante. Comprimento de enraizamento Os espiões podem ser construídos sem ter comprimento de enraizamento, por medida de economia, porém quando não se pode correr o risco de um espigão falhar, este comprimento será de no máximo LT/4. 4.2.2.4 Espaçamento entre espigões Vários fatores estão relacionados com o espaçamento entre os espigões, tais como a curvatura da margem, a velocidade de escoamento, o ângulo de ataque e principalmente o comprimento efetivo (projeção na direção perpendicular a corrente) do espigão. Como regra geral, emprega-se o espaçamento da ordem de 1 a 2 vezes o comprimento do espigão. Deve-se notar que a finalidade a que se destina a obra também é um fator que pode alterar a relação comprimento - espaçamento dos espigões, pois esta relação será menor para a proteção de margens do que a necessária para canais navegáveis, pois nestes canais a finalidade é afastar as correntes erodíveis para longe das margens e criar uma profundidade definida para o canal. A tabela a seguir, fornece alguns critérios para espaçamento de espigões, para proteção de margens, Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 64 Maza Alvarez (1990) propõe o critério relacionando o comprimento e o raio de curvatura do canal em função do ângulo de expansão do escoamento, que é a deflexão da corrente ao passar na frente do espigão. Esta deflexão, observada em modelos hidráulicos varia entre º14º9 ££ b Quando a margem é paralela à linha externa que liga os espigões o espaçamento varia entre os limites TrT LSL 64 ££ Para margens em curva vale a relação TcT LSL 45.2 ££ A inclinação do espigão também influi, conforme indicado na figura a seguir: Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 65 Figura 66: Espaçamento entre os espigões segundo Maza Alvares 4.2.3 Materiais Empregados na construção dos espigões e exemplos Os espigões são construídos aos mais diversos materiais, como por exemplo madeira, troncos e ramos de árvores, enrocamento, elementos pré fabricados de concreto e etc. Os espigões impermeáveis podem ser construídos em terra, protegidos por enrocamento ou outro revestimento, bolsas e sacos preenchidos com solo cimento, argamassa e concreto. Os espigões permeáveis são geralmente construídos com em enrocamento de blocos granulometria variada, em gabiões, estruturas de madeira com pilares e estacas preenchidos com enrocamento e outros tipos especiais, como gaiolas metálicas. Especial atenção deve ser dada à erosão junto ao pé dos espigões. Maza alvares recomenda o emprego de uma camada de 30 cm de enrocamento tipo rip-rap sob a base na qual será lançado o espigão, sempre que a velocidade da corrente for maior que 1 m/s. Espigões com inclinação longitudinal produzem menor erosão junto ao pé do que aqueles que com crista horizontal. Maza Alvares propôs a seguinte expressão para estimativa da erosão no pé de um espigão, baseado em outros autores: )24,00028,0exp()ln17,4(855,0 0 1 0 kQ Q dde -+= a onde Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 66 de® erosão no fundo ao final do espigão, medida desde a superfície da água, em m; d0® profundidade da corrente na face do espigão não afetada pela erosão, em m; a ® ângulo formado pelo eido longitudinal do espigão e a direção do fluxo, medida desde jusante, em graus; k ® inclinação do talude extremo do espigão, K= cot(f). Se o espigão é inclinado longitudinalmente e a crista chega quase até o fundo, deve ser considerada esta inclinação; Q1® vazão que passaria através da área ocupada pelo espigão, em m³/s; Q0® vazão total pelo rio, em m³/s; f ® angulo que forma o talude a ponta do espigão com a horizontal. 4.2.3.1 Espigões de enrocamento Figura 67: Seções típicas de espigões de enrocamento Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 67 4.2.3.2 Espigões com pilares de madeira preenchidos ou não com enrocamento Figura 68:Esquema de espigão feito com pilares de madeira, cravados no leito do rio em linhas simples ou duplas (Petersen, 1981) Figura 69: Espigão de enrocamento com pilares de madeira, Rio Arkansas Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 68 Figura 70: Enchimento de espigão de enrocamento com pilares de madeira, Rio Arkansas Figura 71: Retenção de debris-flow em espigão de madeira, Rio Arkansas Figura 72: Espigão de Proteção, com retenção de material flutuante, Rio Arkansas Figura 73: Espigão em pilares de madeira, Rio Missouri Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 69 4.2.3.3 Espigões de Gabião Figura 74:Espigões de proteção da margem côncava de rio em gabião tipo saco Figura 75: Espigões em gabião tipo caixa Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 70 4.2.3.4 Espigões com enrocamento sintético Figura 76: Espigões com bolsacreto, Rio Mogi-Guaçu, SP Figura 77: Detalhe dos espigões com bolsacreto, Rio Mogi-Guaçu, SP Figura 78: Vista da costa do espigão com bolsacreto e zona de deposição Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 71 4.3 Diques Os diques são estruturas paralelas ao sentido do escoamento, destinadas à proteção das margens porém sem ser aplicados sobre elas. Os diques desviam o fluxo de forma contínua, protegendo a margem ao mesmo tempo que definem um melhor traçado ao canal, geralmente visando a navegação do trecho. Tabela 19: Vantagens e desvantagens dos diques comparando-se com os espigões Vantagens Desvantagens fixação definitiva do novo traçado já na implantação pode sofrer destruição total no caso de uma falha pontual menores perdas de carga exige maiores cuidados para definição das proteções proteção contra ondas independente da resistência do talude da margem consomem maior volume de material exigem maior manutenção 4.3.1 Cercas de Madeira Figura 79: Diques laterais em cerca de madeira (Petersen,1981) Figura80: Diques de madeira (Petersen, 1981) Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 72 Figura 81: Dique misto em madeira e enrocamento Obras Fluviais/2001 Estabilização e Proteção de Margens 73 5 Referências Bibliográficas [1] Maza Alvares, J.A., - Contribuicion al diseño de espigones – in XIV Congresso Lation Americano de Hidráulica, Montevideo, 1990. [2] Petersen, M; - River Engineering, Prentice Haall, 1981. [3] Chang, Howard H.; - Fluvial Prcesses I River Engineering, John Wiley & Sons, 1986. [4] Palermo, Marco A. – PHD-824 Obras Fluviais, Ataque de Margens por Ondas, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 1983 [5] Nations Unies – Commission Economique pour l’Asie er lÉxtreme-Oprient; - Regularisation du Lit et Protection des Berges, New Yourk, 1954. [6] Almeida, C. E; Oliveira Jr, Alírio C. – PHD-824 Obras Fluviais, Diferentes Tipos de Espigões – Vantagens e Inconvenientes, 1984
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