Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua REGULARIZAO E PROTECO CONTNUA DE CURSOS DE GUA MANUEL TRIGUEIROS RAFAEL FERREIRA LEMOS Projecto submetido para satisfao parcial dos requisitos do grau de MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL ESPECIALIZAO EM HIDRULICA Orientador: Professor Doutor Jos Manuel Ferreira Lemos JULHO DE 2008Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA CIVIL2007/2008 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL Tel. +351-22-508 1901 Fax +351-22-508 1446 miec@fe.up.pt Editado por FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Rua Dr. Roberto Frias 4200-465 PORTO Portugal Tel. +351-22-508 1400 Fax +351-22-508 1440 feup@fe.up.pt http://www.fe.up.pt Reproduesparciaisdestedocumentoseroautorizadasnacondioqueseja mencionadooAutorefeitarefernciaaMestradoIntegradoemEngenhariaCivil- 2007/2008 - Departamento de Engenharia Civil, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal, 2008. As opinies e informaes includas neste documento representam unicamente o ponto de vista do respectivo autor, no podendo o editor aceitar qualquer responsabilidade legal ou outra, em relao a erros ou omisses que possam existir. Este documento foi produzido a partir de verso electrnica fornecida pelo respectivo Autor. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua A todos os amigos! "Se tens que lidar com gua, consulta primeiro a experincia, depois a razo." Leonardo da Vinci Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua i AGRADECIMETOS Desejoagradeceratodasaspessoasque,directaouindirectamente,contriburamparaarealizao destaTesedeMestrado,especialmenteaomeuorientadorProfessorDoutorJosManuelFerreira Lemos,portodooapoio anveldeconhecimentos bemcomotoda asuadisponibilidade. Tambm minha famlia, e amigos que sempre me apoiaram. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua ii RESUMO Asmargensefundosderiosoucanaisestoconstantementeexpostossaceserosivasdo escoamento,sobaforma,decorrenteseturbulncia.Consequentementepodemoriginar-se margens instveis e o desenvolvimento de eroses localizadas no fundo, permitindo por em risco as reas envolventes. Nestas situaes a instalao de um sistema de revestimento ir fornecer a linha da frente contra o ataque do escoamento. Este trabalho apresenta extensa informao acerca dos tipos de proteces contnuas disponveis e fornece orientaes sobre a escolha e concepo destes sistemas. So referidas consideraes para a concepodaproteco,noquedizrespeitoacursosdeguanaturaiseartificiais,incluindo informao acerca de revestimentos que incorporam outros tipos de estruturas, e proteces que se conjugam com vegetao para aumentar a qualidade ambiental dos sistemas. Ousointensivodefotografias,grficosediagramaspermitemaoengenheiroadoptarotipode revestimento mais apropriado e a concepo com melhor relao custo-benefcio.

PALAVRAS-CHAVE: PROTECO, REVESTIMENTO, REGULARIZAO, EROSO, ESCOAMENTO FLUVIAL. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua iii ABSTRACT Thebanksandbedsofriversandchannelsaresubjecterosioncausedbycurrentsandturbulence. This can lead to unstable banks and development of scour holes in the bed which may endanger the involvingarea.Inthesesituationstheinstallationofrevetmentsystemswillprovidethefrontline against flow attack. Thisworkisastudyofvarioustypesofcontinuousrevetmentsystemsapplicableasriverbank protectionandprovidesguidanceonthechoiceanddesignofthesesystems.Considerationsare given regarding the design of protections systems, applied in natural and artificial watercourses, and informationisincludedonrevetmentsthatincorporatesomeformofstructuralprotectionand revetmentswhichcombinethisprotectionwithvegetationtoincreasethesustainabilityofthese solutions. After a detailed analysis of all the studied options, it was possible to establish which kind of riverbank protection system is the most appropriate and cost-effective for each situation. KEYWORDS: protection, revetment, regularization, erosion, river flow. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua iv NDICE GERAL AGRADECIMETOS .................................................................................................................................. i RESUMO ................................................................................................................................................. iii ABSTRACT ............................................................................................................................................... v 1 INTRODUO ....................................................................... 1 2 CONSIDERAES HIDRODINMICAS DE BASE .............. 3 2.1CONSIDERAES GERAIS SOBRE MORFOLOGIA DE RIOS ............................................................. 3 2.2ESCOAMENTOS COM SUPERFCIE LIVRE ...................................................................................... 8 2.2.1. Classificao dos Escoamentos com Superfcie Livre. ......................................................... 8 2.2.2. Tipologia de canais ................................................................................................................ 9 2.2.3. Geometria dos Canais ........................................................................................................... 9 2.2.4. Equao de Continuidade ................................................................................................... 14 2.3TEOREMA DE BERNOULLI EM ESCOAMENTOS COM SUPERFCIE LIVRE. ....................................... 15 2.3.1. Teorema de Bernoulli .......................................................................................................... 15 2.3.2. Distribuio de presses na seco transversal ................................................................. 16 2.3.3. - Distribuio de velocidades na seco transversal .......................................................... 18 2.3.4. - Energia do Escoamento .................................................................................................... 20 2.4RESISTNCIA AO ESCOAMENTO ................................................................................................ 22 2.4.1. Generalidades ..................................................................................................................... 22 2.4.2. Frmula de Chezy ............................................................................................................... 23 2.4.3. Frmula de Manning-Strickler ............................................................................................. 24 2.4.4. Seces Compostas e Heterogneas ................................................................................. 26 3 FACTORES DE HIDRODINMICA FLUVIAL ..................... 31 3.1ANLISE DO ESCOAMENTO NUM CANAL FLUVIAL ........................................................................ 31 3.2HIDRODINMICA FLUVIAL ASSOCIADA AOS PROCESSOS EROSIVOS ............................................ 33 3.2.1. Introduo ............................................................................................................................ 33 3.2.2. Avaliao da instabilidade de uma seco ......................................................................... 33 3.2.3. Anlise da evoluo dinmica de uma seco ................................................................... 41 4 PROTECO FLUVIAL....................................................... 51 4.1CONSOLIDAO DE MARGENS; ................................................................................................ 51 4.2TIPOS DE PROTECO; ............................................................................................................ 52 Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua v 4.3PROCEDIMENTOS DE CONCEPO DO PROJECTO ..................................................................... 55 4.3.1. Introduo ............................................................................................................................ 55 4.3.2. Parmetros de projecto ....................................................................................................... 55 4.3.3. Etapas da concepo do projecto ....................................................................................... 57 4.4TIPOS DE REVESTIMENTO ......................................................................................................... 62 4.4.1. Utilizao de Enrocamento ................................................................................................. 62 4.4.2. Utilizao de Gabies ......................................................................................................... 71 4.4.3. Utilizao de Colches Reno .............................................................................................. 82 4.4.4. Utilizao de Blocos Pr fabricados .................................................................................... 86 4.4.5. Utilizao de Betume .......................................................................................................... 94 4.4.6. Utilizao de Geomantas .................................................................................................... 98 4.4.7. Utilizao de Tcnicas de Bioengenharia ......................................................................... 101 4.5PARMETROS DE DECISO ..................................................................................................... 114 4.6MINIMIZAO DOS IMPACTOS ................................................................................................. 114 5 UTILIZAO DE FILTROS GRANULARES E GEOSSINTTICOS ............................................................... 117 5.1NECESSIDADE DE FILTROS ..................................................................................................... 117 5.2TIPOS DE FILTRO ................................................................................................................... 118 5.2.1.Introduo ........................................................................................................................... 118 5.2.2. Filtros Granulares .............................................................................................................. 119 5.2.3. Geossintticos ................................................................................................................... 120 5.3DIMENSIONAMENTO DE FILTROS ............................................................................................. 123 5.3.1.Verificao da Velocidade .................................................................................................. 123 5.3.2. Dimensionamento da estrutura filtrante ............................................................................ 124 6 DIMENSIONAMENTO HIDRULICO DE PROTECES 127 6.1PRINCPIOS DE DIMENSIONAMENTO HIDRULICO DE PROTECES .......................................... 127 6.2ESTABILIDADE DA SECO .................................................................................................... 128 6.3ENROCAMENTO ANLISE DE ESTABILIDADE .......................................................................... 128 6.4COLCHES RENO / GABIES ANLISE DE ESTABILIDADE ...................................................... 131 6.4.1. Tenso Crtica ................................................................................................................... 131 6.4.2. Velocidade Crtica ............................................................................................................. 137 6.4.3. Deformaes ..................................................................................................................... 139 6.5GEOMANTAS ......................................................................................................................... 142 6.5.1. Introduo .......................................................................................................................... 142 6.5.2. Velocidade Crtica ............................................................................................................. 142 6.5.3. Tenso Crtica de Arrastamento ....................................................................................... 146 Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua vi 6.6SEQUNCIA DE CLCULO ....................................................................................................... 152 6.6.1. Enrocamento ..................................................................................................................... 152 6.6.2. Colches Reno / Gabies .................................................................................................. 152 6.6.3. Geomantas ........................................................................................................................ 157 7 ............................................................................................. 161 MONITORIZAO E MANUTENO ................................. 161 7.1PROGRAMA DE MONITORIZAO E MANUTENO ................................................................... 161 7.1.1. Base de dados do curso de gua e caractersticas do revestimento ................................ 163 7.1.2. Estabelecimento de Normas ............................................................................................. 163 7.1.3. Avaliao do estado do revestimento ................................................................................ 163 7.1.4. Planeamento e execuo .................................................................................................. 164 8 ............................................................................................. 165 BIBLIOGRAFIA ..................................................................... 165 Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua vii Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua viii NDICE DE FIGURAS Figura 1.1 - Diferentes tipos de canais fluviais [20]. ................................................................................ 1 Figura 2.1 - Principais tipos de padres de traado fluvial [13]. ............................................................. 4 Figura 2.2 - Desenvolvimento de um curso de gua [20]. ....................................................................... 5 Figura 2.3 a) Esquema em planta de um curso de gua, desde a zona de cabeceira at zona de deposio do material slido. b) Traado de um rio, pelo que a sinuosidade determinada porLRLV.5 Figura 2.4 - Perfil Transversal Tipo de linha de gua [20]. ..................................................................... 6 Figura 2.5 - Vista geral sobre a configurao do canal fluvial [20]. ........................................................ 6 Figura 2.6 - Caudal Modelador [13]. ........................................................................................................ 7 Figura 2.7 - Representao grfica da relao entre o caudal e a profundidade numa dada seco de um canal fluvial [20] ................................................................................................................................. 7 Figura 2.8 - Perfil longitudinal de um canal [15]. ................................................................................... 10 Figura 2.9 - Caractersticas geomtricas da seco de um canal [15]. ................................................ 11 Figura 2.10 - Perfil transversal Tipo de um canal fluvial. ...................................................................... 11 Figura2.11-Parmetrosgeomtricosehidrulicosquecaracterizamoescoamentonumcursode gua em regime permanente e uniforme. ............................................................................................. 12 Figura 2.12 - Relao grfica entre parmetros caractersticos de uma seco [15]. .......................... 14 Figura2.13-Parmetrosgeomtricosehidrulicosquecaracterizamoescoamentonumcursode gua em regime permanente e uniforme [15]. ...................................................................................... 17 Figura 2.14 - Distribuio de presses em seces verticais de canais [15]. ....................................... 17 Figura 2.15 - Perfis de velocidades em canais [15]. ............................................................................. 18 Figura 2.16 - Velocidade do escoamento na seco transversal do canal [10]. ................................... 19 Figura 2.17 - Distribuio de velocidades num canal de seco trapezoidal [10]. ............................... 19 Figura 2.18 - Diagrama de isotquicas [15]........................................................................................... 20 Figura 2.19 - Parmetros geomtricos e hidrulicos que caracterizam o escoamento. ....................... 21 Figura 2.20 - Escoamento dificultado pela presena de uma barreira de material [20]. ....................... 26 Figura 2.21 - Constrio do fluxo [2.20]. ............................................................................................... 26 Figura 2.22 - Fluxo do escoamento com obstrues [2.20]. ................................................................. 26 Figura 2.23 - Canal com seco transversal irregular [15]. ................................................................... 26 Figura 2.24 - Seco composta [15]. ..................................................................................................... 27 Figura 3.1 Variao Velocidade / Dimenso mdia das partculas ao longo do curso de gua [18]. 33 Figura 3.2 - Aco do escoamento nas partculas que constituem o fundo do canal fluvial. O processo de transporte de sedimentos, depende das velocidades do escoamento, dimenso das partculas e de princpios de hidrodinmica [18]. ........................................................................................................... 34 Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua ix Figura 3.3 - Variao do ngulo de atrito interno em funo da granulometria e da forma dos materiais constituintes do talude das margens [3]. ................................................................................................ 36 Figura3.4-Quadroresumoderelaoentreatipologiaepadresdecanaiseasuaestabilidade relativa [20]. ............................................................................................................................................ 36 Figura 3.5 - Coeficiente de Lane (KL), em funo do ngulo de repouso do material e da inclinao do talude da margem [5]. ............................................................................................................................ 38 Figura 3.6 - Curva de Shields [15].......................................................................................................... 39 Figura 3.7- Esquema de foras actuantes sobre uma margem [5]. ....................................................... 39 Figura 3.8 - Curva de Hjulstrom [17]. ..................................................................................................... 40 Figura3.9-ndicedeestabilidadeem funodongulodamargemcomahorizontaleongulode repouso dos materiais [5]. ...................................................................................................................... 41 Figura 3.10 - Variao longitudinal da velocidade do escoamento num troo de rio [16]. .................... 42 Figura3.11-Distribuiodasvelocidadesdoescoamentonumcursodegua,paradiferentes seces dispostas num dado trecho [20]. .............................................................................................. 42 Figura 3.12 - Anlise das correntes numa seco transversal do canal [16]. ....................................... 43 Figura3.13-Representaoesquemticadascorrentessecundrias(helicoidais)emcanais rectilneos [12]. ....................................................................................................................................... 43 Figura3.14-Contornosdavelocidade,correntessecundriasedistribuiodastensesde arrastamentos no canal trapezoidal [7]. ................................................................................................. 44 Figura3.15-Circulaosecundria(representadapelassetas)numasecointermdiadumtroo curvilneo e tensode arrastamento aolongo dessa seco. Na parte superior da figura representa-se a curva terica referente variao relativa da tenso de arrastamento no leito [4]. ...................... 44 Figura 3.16 - Dinmica do canal fluvial em situaes de desgaste e de sedimentao [7]. ................. 45 Figura 3.17 - Processos de eroso e deposio num curso de gua natural [16]. ............................... 46 Figura 3.18 - Processo de rotura de uma margem. O talude passa de estvel para instvel, em funo da altura do talude da margem, inclinao da margem e condies do solo [20]. ................................ 49 Figura 4.1 - Declive das margens como factor essencial na escolha do tipo de interveno [5]. ......... 52 Figura 4.2 - Tipos de proteces fluviais. .............................................................................................. 53 Figura 4.3 - Esquema simplificativo das etapas do estudo prvio [7]. ................................................... 58 Figura 4.4 - Esquema simplificativo das etapas do Ante Projecto [7]. ................................................... 59 Figura 4.5 - Esquema simplificativo das etapas do projecto de execuo [7]. ...................................... 61 Figura 4.6 - Corte transversal esquemtico de uma estrutura de Riprap [7]. ........................................ 65 Figura 4.7 - Exemplo de uma proteco com blocos de pedra. ............................................................ 66 Figura 4.8 - Corte transversal esquemtico de uma estrutura de blocos de pedra [7]. ......................... 66 Figura 4.9 - Planta geral esquemtica de uma estrutura de blocos de pedra [7]. ................................. 67 Figura 4.10 - Exemplos de revestimento com enrocamento ligeiro arrumado. ..................................... 68 Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua x Figura 4.11 Perfis transversais tpicos de um revestimento com enrocamento ligeiro arrumado [21].68 Figura 4.12 - Estrutura de gabies, edificada como muro de conteno de terras e proteco fluvial. 71 Figura 4.13 - Estrutura de gabies. ....................................................................................................... 72 Figura 4.14 - Corte transversal esquemtico de uma proteco com gabies [18]. ............................. 72 Figura 4.15 - Aplicao de gabies em proteces longitudinais. ........................................................ 74 Figura 4.16 -Aplicao de gabies em proteces longitudinais [17]. .................................................. 74 Figura 4.17 - Esquema (esquerda) e dimenses usuais dos gabies caixa (direita) [17]. ................... 76 Figura 4.18 - Distribuio dos tirantes num gabio caixa [14]. ............................................................. 76 Figura 4.19 - Reforo do revestimento de gabies, atravs da colocao de colches Reno no seu p [2]. .......................................................................................................................................................... 77 Figura 4.20 Exemplos de aplicao de gabies caixa em canais fluviais [17]................................... 78 Figura 4.21 - Gabies caixa aplicados numa estrutura de proteco fluvial (Alemanha) [17]. ............. 79 Figura 4.22 - Gabies caixa aplicados numa estrutura de proteco fluvial (Brasil) [17]. .................... 79 Figura 4.23 - Gabies caixa aplicados numa estrutura de proteco fluvial (EUA) [17]. ...................... 79 Figura 4.24 - Esquema (esquerda) e dimenses usuais dos gabies saco (direita) [17]. .................... 80 Figura 4.25 - Esquema de aplicao de gabies saco paralelamente ao sentido do escoamento, com uma camada filtro de geotextil, ancorada no topo da margem [7]. ....................................................... 81 Figura 4.26 - Aplicao do gabio saco numa estrutura de proteco (Brasil) [17]. ............................ 81 Figura 4.27 - Dimenses usuais de colcho Reno. [17]. ....................................................................... 82 Figura 4.28 - Colches Reno aplicados numa estrutura de proteco fluvial (Brasil) [17].. ................. 83 Figura 4.29 - Colches Reno aplicados numa estrutura de proteco fluvial (Brasil) [17]. .................. 83 Figura 4.30 - Colches Reno aplicados numa estrutura de proteco fluvial (Bolvia) [17]. ................ 84 Figura 4.31 - Processo de enchimento dos colches Reno (Frana) [17]. ........................................... 84 Figura 4.32 - Canal fluvial revestido com colches Reno (Brasil) [17]. ................................................. 85 Figura 4.33 - Canal fluvial na Bolvia, revestido com colches Reno (Paraguai) [17]. ......................... 85 Figura 4.34 - Exemplos de revestimentos com blocos pr-fabricados unidos. ..................................... 88 Figura 4.35 - Exemplos de aplicao de blocos pr-fabricados unidos (EUA) [18]. ............................. 91 Figura 4.36 - Revestimentos com blocos de beto pr fabricados unidos (EUA) [18]. ........................ 91 Figura4.37-AplicaosubaquticadeumamantaOSApr-fabricada(esquerda)(ReinoUnido)e execuoasecodeumrevestimentoOSA,nafasedepreparaodomastic(direita)(Alemanha) [11]. ........................................................................................................................................................ 95 Figura 4.38 Exemplos de geomanta [7].............................................................................................. 99 Figura4.39-Geomantacomcoberturavegetal(esquerda)ecoberturacomareiaasfltica(direita) [18] ....................................................................................................................................................... 100 Figura 4.40 - Instalao de geomantas [17]. ....................................................................................... 100 Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua xi Figura 4.41 - Correco do declive da margem e revegetao. .......................................................... 103 Figura4.42-Correcododeclivedasmargenserevegetaocomestabilizaofsicadabase. Note-se a aplicao de geotextil. ......................................................................................................... 104 Figura 4.43 - Coeficiente de Manning em funo do tipo de revestimento vegetal [8]. ....................... 105 Figura 4.44 - Exemplos de revestimentos com relva armada, utilizando blocos de beto pr-fabricados (esquerda) e geossinttico (direita) [19]. .............................................................................................. 107 Figura4.45-Algumasconfiguraesdeblocosdebetopr-fabricadosusadospararevestimentos de Relva Armada [8]. ............................................................................................................................ 108 Figura 4.46 - Colocao da estacaria ao longo das margens [5]. ....................................................... 109 Figura 4.47 - Detalhe de colocao da estacaria [14]. ........................................................................ 109 Figura 4.48 - Detalhe de colocao da estacaria [14]. ........................................................................ 109 Figura4.49 - Vista esquemtica da aplicao de fachinas nabase da margem junto linhadegua (esquerda)ecortelongitudinaldaaplicaodefachinasnabasedamargemjuntolinhadegua (direita) [10]. ......................................................................................................................................... 110 Figura 4.50 - Construo de uma proteco com fachinas [10]. ......................................................... 110 Figura 4.51 - Aplicao da proteco com fachinas [14] ..................................................................... 111 Figura 4.52 - Esquema da constituio de uma proteco fluvial do tipo fachinas [9]. ....................... 111 Figura4.53-Fasessucessivasdecolocaodefachinasemmargens.Dereferir,queafachina comea a ser colocada a partir da base [14]. ...................................................................................... 112 Figura4.54-Preparaodoterrenoaolongodamargemparaainstalaodatcnicade bioengenhariaadequada(esquerda).Colocaodasfachinasemdiversasfaixasdevidamente distanciadas, ao longo das margens (centro). Margem protegida com vegetao (direita) [18]. ........ 112 Figura 4.55 - Desenho em que se ilustra um corte transversal e uma simples planta geral, do sistema de empacotamento [14]. ....................................................................................................................... 113 Figura 5.1 - Exemplo de um revestimento Riprap, sem camada filtro [7]. ........................................... 117 Figura 5.2 - Exemplo esquemtico de um filtro granular (esquerda) e de um geotxtil (direita) [7]. ... 118 Figura 5.3 - Exemplos de geotextil "no tecido" (esquerda) e "tecido" (direita) [17]. .......................... 122 Figura 6.1 - Tenso mxima de arrastamento em canais de seco trapezoidal [8]. ......................... 130 Figura 6.2 - Tenso tangencial crtica em funo da dimenso da pedra [17]. ................................... 133 Figura6.3-CoeficienteKemfunodarelaoentreoraiodacurvaealargurasuperficialdo escoamento [17]. .................................................................................................................................. 137 Figura 6.4 - Velocidade crtica em funo das dimenses das pedras [17]. ....................................... 138 Figura 6.5 - Velocidade crtica em funo da espessura do colcho Reno [17]. ................................. 138 Figura 6.6 - Esquema do movimento das pedras no interior do colcho Reno [17]. ........................... 140 Figura 6.7 - Relao entre o parmetro de deformao e o coeficiente eficaz de Shields [17]. ......... 141 Figura6.8SoluescomgeomantaMacMatrelacionadascomaacodoescoamento,sem desenvolvimento de vegetao no revestimento [17]. ......................................................................... 143 Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua xii Figura6.9-VelocidadescrticaspararevestimentosdotipogeomantaMacMat,nasituaosem desenvolvimentodevegetaonorevestimento,emfunodaduraodacheiaedomaterialde enchimento [17]. .................................................................................................................................. 144 Figura 6.10 - Tipo de revestimento MacMat em funo da aco do escoamento, para a situao de vegetao permanente [17]. ................................................................................................................ 145 Figura6.11-Tensodearrastamentocrticaemfunodoraiohidrulicoparageomantasde espessura 20 mm [17]. ........................................................................................................................ 149 Figura6.12-Tensodearrastamentocrticaem funodoraiohidrulicoparageomantascobertas com pequenas pedras e betume [17]. ................................................................................................. 149 Figura 6.13 - Rugosidade segundo Manning, considerando a superfcie com vegetao [17]. ......... 150 Figura6.14-Caractersticasgeomtricasehidrulicasdeumcanalcomsecotrapezoidalpara algumas inclinaes de margens [17]. ................................................................................................ 151 Figura 6.15 - Quadro de seleco com base na velocidade crtica, para Colches Reno [17]. ......... 156 Figura 6.16 - Quadro de seleco com base na tenso crtica, para Colches Reno [17]. ................ 156 Figura 6.17 - Quadro de seleco com base na velocidade crtica, para Geomantas da gama MacMat [17]. ...................................................................................................................................................... 159 Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua xiii NDICE DOS QUADROS Quadro4.1-Conhecimentodoestadodedegradaoedefiniodanecessidadedeinterveno numcursodeguaatravsdaanlisedevriascaractersticasdocanal.Estequadrospodeser aplicado se existir a possibilidade de comparao com uma situao de referncia [5]. ..................... 51 Quadro 4.2 - Referncias acerca de colches Reno. ............................................................................ 86 Quadro4.3-Relaoentreasespessurasdosblocospr-fabricadoseascorrespondentes velocidades limites do escoamento [7]. ................................................................................................. 90 Quadro4.4-Espessuras(mm)dosrevestimentosOSAem funodotipodecanalfluvial,ezonaa proteger [7]. ............................................................................................................................................ 95 Quadro 6.1 - Tenses tangenciais crticas de arrastamento para colches Reno e gabio caixa [17].134 Quadro 6.2 - Valores dos coeficientes correctivos Kf (relativo ao fundo) e Km (relativo s margens) em relao aos parmetros geomtricos da seco transversal [17]. ....................................................... 135 Quadro 6.3 - Velocidade crtica e velocidade limite para colches Reno e gabies caixa [17]. ......... 139 Quadro6.4-Velocidadescrticaspararevestimentodotipogeomanta,parasituaosem desenvolvimento de vegetao no revestimento [17]. ......................................................................... 144

Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua xiv Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua xv SMBOLOS E ABREVIATURAS g Acelerao da gravidade (m2/s) ngulo de atrito interno (rad) ngulo de repouso (rad) ngulo de suporte (rad) ngulo que o plano de desligamento potencial faz com a horizontal (rad) ngulo das margens com a horizontal (rad) ngulo que o perfil longitudinal do rio ou canal faz com a horizontal (rad) S rea da seco transversal do escoamento (m2) Q Caudal (m3/s) Coeficiente de Jaeger-Manzanares Coeficiente de distribuio de presses C Coeficiente de Chezy t Coeficiente de inclinao n Coeficiente de rugosidade de Manning (s.m1/3) KL Coeficiente de Lane Coeficiente de viscosidade KfCoeficiente correctivo para a tenso tangencial no fundo do canal KmCoeficiente correctivo para a tenso tangencial nas margens do canal KCoeficiente relativo relao entre o raio da curva do rio ou canal e a largura superficial do escoamento Coeficiente de cobertura vegetal L Comprimento do trecho do canal estudado (m) L Comprimento do plano de deslizamento potencial (m) n1 Correco para o efeito de superfcie irregular n2Correco para a variao da configurao da seco transversal n3 Correco para obstrues n4 Correco para a presena de vegetao e condies do escoamento m Correco para o grau de meandrizao do canal z Cota da partcula em relao a um dado plano horizontal de referencia (m) iDeclive longitudinal do fundo do canal (m/m) jDeclive da linha de energia (m/m) mDeclive dos taludes laterais (m/m) ia Declive da linha de gua (m/m) Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua xvi DDimetro da partcula (mm) Projeco do peso do bloco, segundo o plano perpendicular ao plano de deslizamento (KN) dm Dimenso mdia das partculas (mm) DnEspessura do bloco pr-fabricado (m) eEspessura do colcho Reno (m) kdFactor de inclinao do talude da margem klFactor de inclinao longitudinal do rio na direco do escoamento Ws Fora que o peso do bloco origina sobre o plano de deslizamento potencial (KN) FD Foras de arrastamento (KN) Bf Largura do fundo (m) b Largura superficial do escoamento (m) LE Linha de energia LRLongitude do Rio (m) LVLongitude do Vale (m) ReNmero de Reynolds FrNmero de Froude C* Parmetro de Shields Permetro molhado (m) WPeso do bloco instabilizado (kN) Peso volmico das partculas (kN/m3) Peso volmico da gua (kN/m3) PHR Plano horizontal de referncia nPorosidade do revestimento xProjeco do comprimento do canal L, no PHR (m) y Profundidade do escoamento (m) RH Raio hidrulico (m) SL Superfcie Livre Tenso de arrastamento desenvolvida na superfcie de deslizamento (KN/m2) CTenso critica de arrastamento (KN/m2)Tenso de arrastamento efectiva na superfcie do solo (KN/m2); Tenso tangencial resultante da aco do escoamento no fundo do canal (KN/m2) Tenso tangencial resultante da aco do escoamento nas margens do canal (kN/m2) nbValor base do coeficiente de Manning (n), para um canal rectilneo e uniforme com materiais naturais Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua xvii U Velocidade mdia do escoamento (m/s) Velocidade crtica do material (m/s) Velocidade crtica na margem (m/s) Velocidade crtica no fundo (m/s) UbVelocidade na interface do revestimento com a camada base (m/s) UeVelocidade admissvel (m/s) Viscosidade cinemtica da gua (m2/s) Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua xviii Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 1 1 INTRODUO Todos os cursos de gua naturais procuram o seu equilbrio de uma forma dinmica. Oequilbriodeumriotraduz-senoseudesenvolvimentonatural,erodindoemdeterminadaszonase depositandoemoutras,diminuindoassim,asuadeclividadelongitudinal(figura1.1).Anatureza oferece facilidades para que um curso de gua mude de direco, desde a disposio geolgica local, sedimentos, acidentes geolgicos, acidentes naturais, como: queda de rvores, deslizamento de terras, ou artificiais, com a interveno humana. A formao de um meandro compreende a capacidade em erodir, transportar e depositar o material do meio fluvial, especialmente em curvas onde o gradiente de velocidade, aliado conformao fsica e geolgicadoleito,causacorrentessecundriascommovimentorotacionalcontraasmargens, originandoprocessoserosivosededeposio(omaterialerodidodaparteconcavaexterna, transportado para jusante e depositado na parte convexa interna). A estabilidade de um curso de gua entendida como o equilbrio entre a aco do escoamento sobre oleitodorioearesistnciaaomovimento(eroso)dosmateriais(sedimentos)queoconstituem.O equilbrio descrito conseguido pela interaco entre o escoamento da gua e sedimentos provenientes dabaciahidrogrficacontribuinte,traduzidanaevoluoealteraodasseces,traadoe declividades dos cursos de gua. Esta evoluo pode ser natural, em funo da ocorrncia de grandes cheias,ouemfunodaevoluocontnuadotraado(oqueprovocarectificaesnaturaisno mesmo). Figura 1.1 - Diferentes tipos de canais fluviais [20]. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 2 Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 3 2 CONSIDERAES HIDRODINMICAS DE BASE 2.1CONSIDERAES GERAIS SOBRE MORFOLOGIA DE RIOS Os engenheiros civis, no mbito da hidrulica, podem ser requisitados para a resoluo de problemas de projecto, manuteno e melhoramento de canais fluviais. Conhecidas as caractersticas principais, como o caudal de projecto, o declive, o caudal slido afluente eagranulometriadomaterialslidoconstituintedocanalfluvial,oproblemaaresolverconsistena determinaodalarguraealturadasecotransversaldoescoamentoedodeclivedotalveguedo cursodegua,deformaqueestesemantenhaemequilbriodinmicoouemregime.Odeclivede equilbrioestlimitadopelodeclivedoterreno,nopodendoexced-lo.Pode,porm,serinferiorse forem instaladas estruturas de queda. Umcanalencontra-seemequilbriodinmicose,nosendorevestidoeestandosujeitoeroso,ou deposio generalizada, esses efeitos se anulam ao fim de um ou mais ciclos anuais, mantendo-se, em mdia, o mesmo perfil longitudinal ao longo do tempo [13].Amaiorpartedossedimentosdosistemafluvialsooriginadospeladegradaodasrochase transportadospeloscursosfluviaisatravsdavelocidadedofluxofluvial. Aquantidadeequalidade dosmateriaistransportadosporumacorrenteestorelacionadascomsuavelocidadeecoma rugosidade do fundo, os quais determinam a dinmica das partculas distribudas na massa lquida.Amorfologiadosriosdependedainteraoentreoescoamentoeosmateriaistransportados,que proporcionam alm dos diferentes padres de canais e plancies de inundao, umagrande variedade morfolgica.Daperspectivageomorfolgica,oscursosdeguasoagentesessenciaisdeerosoetransportede sedimentos que, cada ano e em funo das condies de pluviosidade na bacia hidrogrfica, transferem grandesquantidadesdematerialslidodesdeointeriordosterritriodrenantesatszonasmais baixas dos mesmos. O ecossistema fluvial varia em cada tramo do rio, desde a sua nascente at sua embocadura, podendo diferenciar-se em trs tramos: alto, mdio e baixo. O caudal lquido e slido, condicionam a morfologia de um curso de gua, de acordo com o regime de escoamento, e pendente do vale, em funo das caractersticas geolgicas e da cobertura vegetal do rio ou zona ribeirinha. Oregimedeescoamentodocursodegua,revelaaimportnciadocaudal,comocaracterstica dominante, enquanto a pendente do vale est directamente relacionada com a inclinao de equilbrio Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 4 da linha de gua. Assim, o traado de um rio descreve o seu tipo de trajectria em planta, sendo a sua sinuosidade estimada pelo coeficiente entre a longitude do rio (LR), e a longitude do vale num tramo (LV), denominado de coeficiente de sinuosidade (figura 2.3 b), que permite diferenciar trs tipos de traados: recto, meandrizado e entranado. TraadoRecto,relativoacoeficientesdesinuosidadeinferioresa1,5,peloqueotroo unicamenterecto.Ostramosrectossoinstveisnomeionatural,portanto,praticamente inexistentes, podendo observar-se ocasionalmente em pequenos rios, com baixo caudal. TraadoMeandrizado,relativoavaloresdocoeficientedesinuosidadesuperioresa1,5, resultadodabaixapendente.Orioevoluiaolongodabacia,comgrandenmerodetroosem curva. Os tramos meandrados desenvolvem-se com o aumento da magnitude do curso de gua, em pendentes suaves. TraadoEntranado,caractersticodostramosdemaiorpendente,ouquandoacargaslida elevada,sendocaracterizadopelaformaodecursosdegualargosepoucoprofundos,quese dividem em vrios braos, onde se evidenciam ilhas intercaladas, unindo-se e separando-se, como tranas. Os tramos entranados correspondem a uma ampla variao de caudais, mas sempre com elevadas pendentes, e onde a capacidade de carga de sedimentos elevada, comparativamente com os tramos meandrados e rectos. Pode dizer-se que as linhas de gua em geral possuem um perfil e uma ocupao tpica, conforme as figuras 2.1., 2.2 e 2.3 ilustram. Figura 2.1 - Principais tipos de padres de traado fluvial [13]. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 5 Um canal rectilneo no tem tendncia a desenvolver meandros, a menos que a inclinao do vale seja maiorqueumainclinaolimite,denominadadeinclinaodeequilbrio,ouseja,semprequea inclinao do terreno onde progride o curso de gua for maior que a inclinao de equilbrio, ocorre a formao de meandros, de forma a dissipar a energia do escoamento.Caso essa inclinao seja aumentada, passamos de um rio meandrado a um rio entranado, que dissipa a energia enquanto acompanha a inclinao do vale. Figura 2.2 - Desenvolvimento de um curso de gua [20]. a)b)Figura 2.3 a) Esquema em planta de um curso de gua, desde a zona de cabeceira at zona de deposio do material slido. b) Traado de um rio, pelo que a sinuosidade determinada por. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 6 Azonadecabeceira,definidanafigura2.2,comozona1,caracterizadaportramosentranados, ondepredominamelevadaspendentes,grandesvelocidades,provocandoarrastamentosintensosde materialsedimentar.Omaterialsedimentarquepredominanaszonasdecabeceirao calhau rolado, de grandes dimenses, enquanto os sedimentos menores so arrastados na totalidade para jusante, at serem atingidas velocidades suficientemente baixas que permitam a sua sedimentao.Relativamentezona2,definidacomozonaintermdiadetransfernciaoucursomdio, caracterstica de regies de passagem entre as grandes montanhas e os vales. As velocidades na linha de gua podem ser elevadas em determinados troos, sendo que o seu perfil longitudinal inicialmente entranado, passando a um perfil meandrado, medida que a pendente vai diminuindo. Azona3denomina-sedeesturio,umazonacombaixasvelocidadesdeescoamento,eporisso, grandes deposies de material slido, prprio de vales abertos, com grandes reas de inundao, onde predominam os sedimentos de granulometria fina. Aslinhasdeguapodempossuir,paraalmdoleitomenoredoleitomaior(leitodecheias),uma bancada adicional que pode ter ou no sido provocada por eroso contnua do escoamento (figura 2.4). Figura 2.4 - Perfil Transversal Tipo de linha de gua [20]. Figura 2.5 - Vista geral sobre a configurao do canal fluvial [20]. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 7 Quandooleitomaiorinexistenteoufoisucessivamenteocupado,podemocorrercheias,um fenmenoperfeitamentenaturalmasqueserevelabastantepreocupantedevidosconsequentes perdas de material sedimentar. O papel desempenhado pela regularizao fluvial torna-se pois evidente, uma vez que a sua execuo ir aumentar as garantias de uma proteco mais eficiente, em caso de cheias. Ocaudaldominantedefinidocomoocaudaldesecocheiaoucaudalmodeladordaseco transversal,noqualocorreamnimarelaoentrealarguraeprofundidadedocanalfluvial(figura 2.6). O caudal dominante desenvolve a maior aco de modelao sobre o canal fluvial, pois um canal degrandesdimensespoucofrequenteeapenasincrementaravelocidadedoescoamentooua tenso tangencial. Foi definido por alguns autores, como o caudal que ocorre 2 vezes ao ano, enquanto segundooutrosautores,estecaudaltemumperododeretornode1,4anos.ParaPortugaladopta-se um perodo de retorno entre 1,5 a 2 anos [13]. O caudal dominante determinante para a geometria hidrulica do canal fluvial (figuras 2.6 e 2.7). Figura 2.6 - Caudal Modelador [13]. Figura 2.7 - Representao grfica da relao entre o caudal e a profundidade numa dada seco de um canal fluvial [20] Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 8 Deve-seanalisarageometriadeumriooucanal,sabendoquelhepermitidotodososgrausde liberdade, pelo que um rio uma corrente de gua que tenta formar o seu canal, ajustando livremente a sua largura, profundidade, desenvolvimento longitudinal e transversal. 2.2ESCOAMENTOS COM SUPERFCIE LIVRE 2.2.1. CLASSIFICAO DOS ESCOAMENTOS COM SUPERFCIE LIVRE. A noo de escoamento com superfcie livre liga-se aos movimentos interiores em que h a considerar simultaneamente, ao longo do escoamento, uma superfcie de contacto com fronteiras slidas e outra, a superfcie livre, de contacto com um meio exterior gasoso, geralmente a atmosfera. Na superfcie livre, as presses mantm-se constantes e iguais s exercidas pelo meio gasoso (no caso maisfrequente, apresso atmosfrica).Os rios, ribeiras,canaisdeirrigao, aquedutos,entreoutros, so ptimos exemplos de escoamentos em regime de superfcie livre. No caso de canais, os problemas apresentados so de resoluo mais complexa, pois a superfcie livre podevariarnotempoenoespao,variandotambmaprofundidadedoescoamento,ainclinaodo fundo e a inclinao da superfcie livre [15]. Os Tipos de Escoamento que podem ocorrem em superfcie livre, classificam-se consoante o regime.Regime Permanente Regime Uniforme Regime Variado (gradualmente ou bruscamente) Regime No Permanente Os escoamentos so permanentes uniformes quando a altura (y), o caudal (Q), e velocidade (U), e de modo geral, qualquer varivel referencivel a uma seco transversal do escoamento constante. Nocasodeoescoamentoserpermanentevariado,avelocidademdianosemantmconstanteao longodocanal,podendoverificar-seumdosseguintescasos:caudalconstanteesecovarivelou caudal varivel e seco tambm varivel. A situao de caudal varivel e seco constante, que pode conduzir a escoamento variado, no tem realizao prtica nos escoamentos de superfcie, j que uma modificao de caudal acarreta uma modificao de seco. Oescoamentovariadoemcanaismuitomaisfrequentequeoregimeuniforme,mas,desdequeo caudalsemantenhaconstanteeocanalsejaprismtico,oescoamentotender,aumadistncia suficientementegrandedequalquersingularidade,paraumregimedeequilbrio,queremtermos energticos, quer em termos de quantidade de movimento, correspondente ao regime uniforme. Osescoamentospermanentesvariadosdistinguem-seentregradualmentevariadoserapidamente variados. No regime permanente gradualmente variado, os filetes mantm-se sensivelmente rectilneos e as velocidades so aproximadamente normais s seces rectas do escoamento, nas quais legtimo considerarqueadistribuiodepressesdo tipohidrosttico.Oescoamentogradualmentevariado verifica-senormalmenteemgrandesextensesdecanaledesignadoporregolfo.Aoperfil longitudinaldasuperfcielivreemregimegradualmentevariadod-seadesignaodecurvade regolfo. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 9 Noregimepermanenterapidamentevariado,osfileteslquidosapresentam-secomcurvatura aprecivel e, consequentemente, a distribuio de presses na seco transversal do escoamento no dotipohidrosttico.Verificam-senormalmenteemtrechosrelativamentepoucoextensosdecanal, associando-se tambm com frequncia a zonas de regime gradualmente variado [15]. Os escoamentos em regime no permanente ocorrem com variao conjunta da seco e do caudal, j que a alterao duma destas caractersticas arrasta necessariamente a variao da outra. 2.2.2. TIPOLOGIA DE CANAIS De acordo com a respectiva origem, pode distinguir-se entre canais naturais e artificiais. Oscanaisnaturaisincluemtodososcursosdeguanaturais,comotorrentes,rioseribeiros, embocaduras de esturios. Aspropriedadeshidrulicasdoscanaisnaturaisso,emregra,difceisdedefinirdadaasua irregularidade, tornando-se necessrio, em certos casos, recorrer a hipteses empricas, razoavelmente deacordocomaexperiencia,quepermitamumtratamentoanalticodestesescoamentosdeacordo com os princpios da hidrulica terica. Paraumestudocuidadodocomportamentodoescoamentoemcanaisnaturais,torna-seainda, necessriorecorreraconhecimentos deoutroscampos,comoahidrologia,geomorfologia, transporte de sedimentos. Oscanaisartificiaisresultamdaactividadedohomem.Incluem-senestasubdivisocanaisde navegao, canais de irrigao, canais de drenagem, colectores de drenagem, entre outros, bem como canais para realizao de ensaios laboratoriais. 2.2.3. GEOMETRIA DOS CANAIS 2.2.3.1. Caractersticas geomtricas em perfil longitudinal O talvegue de um canal (lugar geomtrico constitudo pelos pontos que, em cada uma das sucessivas secesdocanal,sesituamacotamaisbaixa)apsplanificaodasuperfcielugargeomtricodas rectas verticais que nele se apoiam, adquire uma configurao que se designa por perfil longitudinal do leito do canal.A superfcie livre, a linha piezomtrica e a linha de energia podero representar-se em perfil mediante a planificao. Representandoporonguloqueatangenteaoperfillongitudinaldoleitoformacomahorizontal, tem-se que a inclinao ou declive, i, do canal dada por: = (2.1) Indicandoporzacotadotalveguenumpontocaracterizadoporumacoordenadasconsideradaao longo do mesmo talvegue, tem lugar a relao: Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 10 = (2.2) Com sinal negativo por se considerar que o declive positivo quando o canal inclinado no sentido do escoamento. Outracaractersticaimportanteemperfillongitudinalainclinaoidasuperfcielivre,definidade modo anlogo. Figura 2.8 - Perfil longitudinal de um canal [15]. 2.2.3.2. Tipologia de secesAs seces dos canais naturais so, em geral, muito irregulares, variando desde uma configurao que se aproxima de uma parbola at uma configurao aproximadamente trapezoidal. Para cursos de gua sujeitosacheiaspodedistinguir-seumasecoprincipal,correspondenteaoleitomenor,paraos caudais normais e uma ou mais seces laterais, correspondentes ao leito maior, ocupadas em ocasies de cheias.Oscanaisartificiaisso,emgeral,projectadoscomsecesdeformageomtricaregular.Aseco trapezoidal a mais comum em canais abertos no terreno, visto que, diz respeito a inclinaes estveis dasmargens.Orectnguloeotringulopodemconsiderar-secasosespeciaisdasecotrapezoidal, correspondendoorectnguloamargensestveiseo tringulo apequenoscanais,comoporexemplo valetas. 2.2.3.3. Caractersticas Geomtricas da seco transversal Ascaractersticasgeomtricassoaspropriedadesdasecodeumescoamentoquepodemser completamentedefinidaspelageometriadasecodocanalepelaprofundidadedoescoamento. Referem-se desde j algumas caractersticas geomtricas importantes das seces dos canais, partindo do princpio de que se trata de seces planas. A profundidade ou altura da gua na seco (y) (figura 2.9), a distncia medida na seco do canal segundo a linha de maior declive, entre o prprio talvegue e a superfcie livre. Em vez desta dimenso, muitasvezesusadaaalturaouprofundidadedaguanocanal,queadistnciaverticalentreo ponto do talvegue na seco considerada e a superfcie livre. Para um canal com uma inclinao, correspondente ao ngulo , a profundidade na seco em regime uniforme igual profundidade no canal multiplicada pelo coseno do ngulo . Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 11 Figura 2.9 - Caractersticas geomtricas da seco de um canal [15]. A largura superficial do escoamento, que ser indicada por b, outro elemento de interesse. Areadasecotransversaldoescoamento(S),areadaseconormalaosfileteslquidos, tambm denominada de seco molhada. Representa a rea ocupada pelo escoamento, dentro do canal fluvial. Opermetromolhado()(figura2.10),ocomprimentodacurvadeintersecodasecodo escoamentocomasuperfciedecontactoentreasparedesslidaseolquido,ouseja,o desenvolvimentodacurvasegundoaqualolquidocontactacomasparedesslidasnaseco,a representaodafronteiralimitedasecodeescoamento,juntoaostaludeseleitodocanal,sem abranger a superfcie livre de contacto com a atmosfera. O raio hidrulico (RH), o quociente entre a rea da seco transversal do escoamento e o permetro molhado. = (2.3) Figura 2.10 - Perfil transversal Tipo de um canal fluvial. Aprofundidademdia(ym),oquocientedareadasecotransversaldoescoamentopelalargura superficial, ou seja a altura do rectngulo cuja base igual a b e cuja rea igual a S. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 12 = (2.4) 2.2.3.4. Relaes entre as caractersticas geomtricas das seces. Quandosetratadesecesdeformaregular,possvelescreverrelaesanalticassimplesentreas diferentescaractersticasgeomtricaseaalturadeguaououtrosparmetrosrepresentativosda seco, designados genericamente por parmetros seccionais (figura 2.11). Tal possibilidade no existe, no entanto, para configuraes complicadas ou irregulares, recorrendo-se a outros tipos de relaes, em particular expressas sob a forma grfica. Figura 2.11 - Parmetros geomtricos e hidrulicos que caracterizam o escoamento num curso de gua em regime permanente e uniforme. Onde, PHR- Plano horizontal de referncia; SL- Superfcie Livre; LE- Linha de energia; y- Profundidade mxima da gua (m); Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 13 z- Cota de fundo do canal em relao ao PHR (m); L- Comprimento do trecho do canal estudado (m); x - Projeco do comprimento do canal L, no PHR (m); i - Declive longitudinal do leito do canal (m/m); j - Declive da linha de energia (m/m); m - Declive dos taludes laterais (m/m); ia- Declive da linha de gua (m/m); . - Parcela da energia cintica total (m); U- Velocidade mdia do escoamento (m/s); S- rea da seco transversal do escoamento (m2); - Permetro molhado (m); b- Largura superficial do escoamento (m); Q- Caudal (m3/s); RH- Raio hidrulico (m). Nocasodecanaisartificiais,aformatrapezoidaltorna-seamaisutilizada.Assim,paraumcanal trapezoidal, representa-se por L, a largura do fundo do canal e por m o declive dos taludes laterais, de onde resulta [15]: Largura Superficial do Escoamento: = +2. (2.5) rea da Seco Transversal do Escoamento: = + . (2.6) Permetro Molhado: = + 2. . +1 (2.7) Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 14 Profundidade Mdia ou Profundidade Hidrulica: = . +. +2. . (2.8) Raio Hidrulico: = . +. +2. . +1. (2.9) Paracanaiscomsecesirregulares,oprocessoclssicodeestabelecimentoderelaesentre caractersticasconsisteemdefinirporpontosnumdiagramacartesianoascurvasquetraduzemtais relaes. Assim, se se pretender representar a relao entre um parmetro seccional, P, e por exemplo, aalturadegua,medem-se,oucalculam-seapartirdemediesefectuadas,osvaloresdeP correspondentesadiferentesalturasdegua,y1 ,y2 ,y3 ,...,representam-seentonodiagrama cartesianoospontoscorrespondentesaosparesdevaloresobtidosetraa-sefinalmenteacurvaque melhor representa esse conjunto de pontos (figura 2.12). Figura 2.12 - Relao grfica entre parmetros caractersticos de uma seco [15]. 2.2.4. EQUAO DE CONTINUIDADE Ocaudalnumadadasecotransversalcontroladopelafrmulasimplificadadaequaode continuidade: = . (2.10) Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 15 O valor da rea da seco transversal de uma dada seco de um rio ou canal, torna-se um problema de geometria.Areadeterminadacombasenafronteirargidadasecomolhadadocanalea superfcie da linha de gua. Para o clculo da rea de uma dada seco do canal, o permetro molhado, a profundidade mdia, largura do leito do rio, e o raio hidrulico so parmetros a considerar. Asequaesdoescoamentouniformedevemserusadasparaestimaravelocidademdiaemfuno dos parmetros hidrulicos da seco transversal. 2.3TEOREMA DE BERNOULLI EM ESCOAMENTOS COM SUPERFCIE LIVRE. 2.3.1. TEOREMA DE BERNOULLIAsequaesgeraisdomovimentodosfluidossodedifcilaplicaoaosproblemascorrentes, tornando-se necessrio recorrer a relaes mais simples que, embora no caracterizando o escoamento emtodososseuspormenores,permitemquantificarparmetrosimportantesrelativosaesse escoamento. OteoremadeBernoulliaosescoamentosdesuperfcielivre,traduzumaadequadaadaptaodas equaesgeraisdomovimentodosfluidosaestetipodeescoamentos.Acondiesfronteiraso, muitoparticularmente,definidasporcoeficientesglobais,jqueadistribuiodevelocidades influenciadapelarugosidadeeconfiguraodasparedesepelaordemdegrandezadasmesmas velocidades,enquantoque,ocoeficientededistribuiodepressesestdirectamenterelacionado com a curvatura dos filetes e da seco [15]. AexpressoglobalgeneralizadadoteoremadeBernoulli,aplicvelaosescoamentoscomsuperfcie livre, pode escrever-se [15]: + . + 2. = 1.+ (2.11) O coeficiente de distribuio de presses (), tem por expresso [15]: = . cos (2.12) Em que o coeficiente de Jaeger-Manzanares. Noprimeiromembrodaequao(2.11),tem-seavariaodaenergiamecnicatotaldaunidadede peso da partcula, por unidade de percurso, dado pela seguinte equao (2.13) [15]. = + +2. (2.13) Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 16 Aenergiamecnicarepresentaasomadasenergiaspotenciaisdeposio,piezomtricaecintica, habitualmente designada nos escoamentos com superfcie livre, por energia (linha de energia). No segundo membro da mesma equao (2.11), figura o trabalho realizado, por unidade de peso e por unidade de percurso, pelas foras locais de inrcia e pelas foras de resistncia ao escoamento. A variao da energia mecnica total igual ao trabalho das foras locais de inrcia e de resistncia ao escoamento,ouseja,todaaenergiaperdidaconsumidaemtrabalho.OteoremadeBernoulli representa, portanto, uma equao de balano de energia. AaplicaodoteoremadeBernoulliaescoamentosdesuperfcielivre,pressupe,pois,quese verifiquem as condies de validade da equao de Bernoulli, ou seja: a equao aplicada a seces normais em cada ponto s velocidades das partculas; em todos os pontos da seco os planos osculadores das trajectrias so verticais; as trajectrias com plano osculador comum tm as normais principais coincidentes. Podeentoafirmar-sequeoteoremadeBernoullifacilmenteaplicvelaosmovimentos permanentes,quandosejamconhecidasasperdasdeenergia,eescolhendoconvenientementeas secesaqueoteoremadeaplica,demodoquenelatenhamlugardistribuieshidrostticasde presses. 2.3.2. DISTRIBUIO DE PRESSES NA SECO TRANSVERSAL Em canais fluviais, a diferena de presses entre a superfcie livre e o fundo no pode ser ignorada. A presso em cada ponto da seco de um escoamento medida pela altura que a coluna de gua atinge numtubopiezomtricoinstaladonessepontoperpendicularmenteaosfiletes.Seestessotodos rectilneos e paralelos, ento analisando uma seco recta, a coluna de gua deve subir desde o ponto demedidaatsuperfcielivre,istose,foremignoradasaspequenasperturbaesdevidas turbulncia, entre outras (figura 2.13) [15]. Sendoassim,apressoemqualquerpontodirectamenteproporcionalprofundidadeaqueestese situae,naexpressodoteoremadeBernoulli,aalturapiezomtricacorrespondeprofundidadeda guanasecomultiplicadaporcosenode.Nestaanliseadistribuiodepressesdotipo hidrostticoeocoeficientevale1.Estasconsideraesso aindasuficientemente aproximadasnos escoamentos gradualmente variados, em que os filetes apresentam ligeira curvatura. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 17 Figura 2.13 - Parmetros geomtricos e hidrulicos que caracterizam o escoamento num curso de gua em regime permanente e uniforme [15]. Figura 2.14 - Distribuio de presses em seces verticais de canais [15]. Seoescoamentonorectilneo,acurvaturadeterminaoaparecimentodeumaaprecivel componentedaaceleraoouforacentrfuganormaldirecodomovimento,desviando-sea distribuio de presses da configurao hidrosttica. As novas configuraes podem ser cncavas ou convexas, como se ilustra na figura 2.14. No escoamento cncavo as foras centrfugas so dirigidas de cima para baixo, reforando a aco da gravidade,poisapressomaiorqueaexistentenoescoamentorectilneo,eocoeficientede distribuio de presses tem um valor superior unidade. a situao que se verifica, por exemplo, no escoamento sob uma comporta. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 18 Noescoamentoconvexo,sucedeoinverso,apressoinferiorqueseverificanoescoamento rectilneo e o coeficiente menor que 1. Deacordocomasconsideraesanteriores,compreende-sequeadeterminaodocoeficienteda distribuiodepressessejafeitaapartirdoconhecimentodacurvaturadosfiletes,sendoqueem certos casos, se assimila o escoamento a um movimento potencial, sendo a configurao das linhas de corrente obtida a partir da respectiva rede de escoamento [15]. 2.3.3. - DISTRIBUIO DE VELOCIDADES NA SECO TRANSVERSAL Devido presena de uma superfcie livre e influncia das paredes, as velocidades no se distribuem uniformementenasecodocanal(figura2.15e2.16).Oatritoentreasuperfcielivre,oarea resistncia oferecida pelas paredes e pelo fundo originam diferentes velocidades numa mesma seco de trecho de gua. A velocidade mxima verifica-se, em canais ordinrios, a uma profundidade que varia entre cerca de 25%ecercade5%,oumesmomenos,daprofundidadetotaldaguaabaixodasuperfcielivre.A localizao do ponto de velocidade mxima tanto mais baixa, quanto mais prximas se encontram as margens no canal. Para alm da velocidade mxima e da velocidade mdia na seco, atribui-se tambm um certo relevo aomaiorvalordavelocidadesuperficial,queseverificanazonacentraldasuperfcielivre, denominadafilo.Avelocidademdiaestfrequentementecompreendidaentre70%e80%da velocidade do filete superficial,peloqueadetecodestapodepermitir definir aordemdegrandeza da velocidade mdia do escoamento [15]. Figura 2.15 - Perfis de velocidades em canais [15]. Na figura 2.17, esboam-se para um canal de seco trapezoidal, as distribuies de velocidades, numa dada seco transversal do canal. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 19 Figura 2.16 - Velocidade do escoamento na seco transversal do canal [10]. Figura 2.17 - Distribuio de velocidades num canal de seco trapezoidal [10]. Algunsinvestigadores,no entanto, consideramqueo clculo exactodavelocidademdianumadada seco, deve ser obtida atravs seguinte equao [15]: = ,+,+2. ,4 (2.14) Naanlisedadistribuiodevelocidadesnasecotransversal,asisotquicas,aparecem representadascomocurvas,ouseja,sooslugaresgeomtricosdospontosdeigualvelocidadee constituemumarepresentaosugestivadadistribuiodevelocidades.Comefeito,dispondo-sedos diagramasdeisotquicasdequeseapresentamexemplosnafigura2.18,paradiferentessecese escoamentospossveldeterminarocaudalescoado,avelocidademdia,oscoeficientesde quantidadedemovimento,edeenergiacintica,entreoutrosparmetrosligadosdistribuiode velocidades na seco [15]. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 20 Figura 2.18 - Diagrama de isotquicas [15]. A representao por isotquicas semelhante representao do relevo por curvas de nvel, pelo que correnteatribuir-sequelaslinhasosignificadodelinhasdenveldeumhipotticoslidode velocidades,cujovolume,atendendoaqueasrespectivascotasrepresentamvelocidades,traduzo caudal escoado. Um dos mtodos de medio de caudais em cursos de gua a partir do levantamento da distribuio de velocidades numa dada seco baseia-se precisamente no clculo do volume do slido de velocidades. 2.3.4. ENERGIA DO ESCOAMENTO Qualquerescoamento,independentementedassuascaractersticasoutipologia,possuiumadada energia. Esta energia tem uma componente cintica e outra potencial, as quais passo a descrever. A energia potencial da mesma partcula pode ser decomposta em trs parcelas: Foras por unidade de massa; Foras de Presso; Foras que traduzem a resistncia do meio. = + 2. (2.15) Aenergiacinticadoescoamento,definidapor .,representaaalturacintica,queemtermos prticos definida como a distncia entre a linha de energia e a linha piezomtrica (figura 2.19). Todavia, a energia mecnica total da unidade de peso da partcula, dada pela seguinte equao [15]: = + + 2. (2.16) Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 21 Figura 2.19 - Parmetros geomtricos e hidrulicos que caracterizam o escoamento. A variao da energia mecnica total igual ao trabalho das foras locais de inrcia e de resistncia, ou seja, toda a energia perdida consumida em trabalho. O teorema de Bernoulli representa, portanto, uma equao de balano de energia. A linha piezomtrica o lugar geomtrico dos pontos de ordenada, relativamente ao plano horizontal de referncia, dada de acordo com a equao 2.17. = + (2.17) Emqueh,indicaaalturaqueolquidoatingirianotuboverticalabertonasextremidades,estandoa inferior colocada no ponto da trajectria, perpendicularmente trajectria.A linha de carga, ou de energia, o lugar geomtrico dos pontos de ordenada, obtido a partir da adio da componente cinemtica do escoamento linha piezomtrica, isto [15]: = + + 2. (2.18) Estanovalinharepresentaaalturaqueatingiriaumapartculalquida,submetidapresso(p),e animada de velocidade (U), se estas se anulassem. AdiferenaHdesigna-seporperdadeenergia.Aperdadeenergiasemprepositiva,H>0, atendendoaquequalquerescoamentodissipativo,decrescendoaenergiamecnicatotal,assima energiadiminui,quandosecaminhaparajusante.Alinhadeenergiaspoderiaserascendenteno sentido do escoamento, caso ocorresse fornecimento de energia exterior. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 22 2.4RESISTNCIA AO ESCOAMENTO 2.4.1. GENERALIDADES Nos escoamentos uniformes com superfcie livre sobre fronteiras fixas, possvel relacionar, por uma equao de resistncia, a velocidade mdia do escoamento, o raio hidrulico, a perda de carga unitria e a rugosidade das fronteiras. So muito utilizadas, tendo um rigor aceitvel, expresses de resistncia comoasdeChezyoudeManning-Strickler,masemcontrapartida,apesardograndeesforode investigaorealizadoathoje,autilizaodessasequaesemcanaisdeleitomvelenvolve incertezas considerveis, devido dificuldade de escolha do valor das constantes que as integram.

Assim, um escoamento com superfcie livre ser condicionado pelos seguintes parmetros: Parmetro geomtrico caracterstico da seco transversal do escoamento que ser, o raio hidrulico (RH), ou uma grandeza linear que lhe seja proporcional; Velocidade mdia do escoamento (U); Propriedadesdofluido,comoamassavolmica,opesovolmico,eocoeficientede viscosidade; Tenses tangenciais junto da parede; Parmetrosderugosidade,k1,k2,...,kn,quepodemsempreserconsideradoscomo comprimentosquecaracterizamageometriaeadistribuiodasirregularidadesdas superfcies das paredes em contacto com o escoamento. A utilizao prtica da equao de Bernoulli pressupe o conhecimento das perdas de energia, as quais serelacionamcomasoutrascaractersticasdoescoamentoemregimeuniformepelasfrmulasde resistncia.As frmulas de resistncia tm por expresso geral, a seguinte equao. = 4. .2. (2.19) O coeficiente de resistncia (), demonstra ser funo, dos nmeros de Reynolds (Re) e de Froude (Fr) e dos parmetros de rugosidade (k1, k2, ... , kn) [15]. =4. . ,4. . ,4. ,4. , ,4. (2.20) Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 23 Esta expresso variar de acordo com as caractersticas do canal e do regime do escoamento. As frmulas de resistncia mais utilizadas em escoamentos superfcie livre, so a frmula de Chezy e a frmula de Manning-Strickler, embora possam referir-se outras mais recentes que podem conduzir a melhores resultados em determinadas condies.Apresentam-se em seguida as respectivas expresses. 2.4.2. FRMULA DE CHEZY A frmula de resistncia, apresentada na equao (2.19), pode transformar-se em [15], = 8. .. (2.21) Considerando um coeficiente C, igual a: = 8. (2.22) Resulta, = . .

(2.23) A expresso (2.23) conhecida como equao de Chezy, onde C o coeficiente de Chezy. Continuando, pode-se representar j, como a perda de energia por unidade de comprimento, = (2.24) Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 24 Tem-se, = . /. / (2.25) Atravsdeexpressesantigasdeorigememprica,comoasdeBazin,Kutter,Ganguillet-Kutter,ou por expresses mais recentes, como as de Thijsse, Powell, Crump, Chen Che-Pen, possvel estimar o coeficiente C da equao de Chezy. Contudo,umaequaofoipropostaporRobertManningem1889,queatravsdosresultados provenientes de anlises experimentais, conseguiu definir uma relao, que descrita no ponto 2.4.3. 2.4.3. FRMULA DE MANNING-STRICKLER AequaodeManningfoidesenvolvidaapartirdecondiesdeescoamentouniforme,nasquaisa configuraodalinhadasuperfciedoescoamentoparalelacomalinhadeenergia,easecodo escoamento, raio hidrulico e profundidade mdia permanecem constantes. AequaoseguintefoipropostaporRobertManning,paraestimarocoeficienteCdaequaode Chezy [17]. = / (2.27) Substituindo-se a equao (2.27) na equao (2.25) obtm-se [17], = 1. /./ (2.28) Comooregimedeescoamentopermanenteeuniforme,sabe-seque i= j, ouseja,adeclividadeda linha de energia igual declividade do fundo do canal. Assim obtemos a equao de Manning-Strickler [17], = 1. /./ (2.29) Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 25 O coeficiente n, denominado de coeficiente de rugosidade de Manning, ou simplesmente, coeficiente de Manning.O coeficiente de rugosidade de Manning contribui para a dissipao da energia no escoamento e varia consoanteotipodefronteirargidadocanal.Osvaloresdenparadiferentessuperfciesde recobrimento, esto tabelados em bibliografia especfica [15]. SoapresentadosdoismtodosparaestimarovalordocoeficientederugosidadedeManningpara canais naturais: Soluo directa a partir da equao de Manning, Procedimentodeavaliaodovalorden,obtidoapartirdecanais,sujeitosaintensas experincias laboratoriais, tambm conhecida como a proposta de Cowan. Cada mtodo tem as suas prprias limitaes e vantagens. Osegundomtodoparaestimarovalorden,comparaascaractersticasdocanalemestudo,com diferentescaractersticasdecanaisjintensamenteestudados,ealvodeexperienciaslaboratoriais. Esteprocedimentoprovavelmenteomaisrpidoemaiscomumnaestimativadovalorden.Ele normalmenteenvolveautilizaodevalorestabelados,ouacomparaodocanalemestudo,com outros canais naturais. As tabelas com os valores de n, possuem uma vasta variedade de caractersticas de canais naturais e artificiais, e normalmente so utilizados na literatura hidrolgica. Quando o coeficiente de rugosidade estimado a partir de dados tabelados, o valor de n escolhido, considerado um valor base do coeficiente de rugosidade (nb), que necessita de ser ajustado de acordo comalgunsparmetrosderesistnciaadicionais,comoirregularidadesnocanal,presenade vegetao, obstrues e sinuosidade (figuras 2.20, 2.21, 2.22) [20].O procedimento mais usado a frmula seguinte, proposta por Cowan, que estima o valor do n [20]: = ++++ . (2.30) nb- Valor base de n, para um canal rectilneo e uniforme com materiais naturais; n1- Correco para o efeito de superfcie irregular; n2- Correco para a variao da configurao da seco transversal;n3- Correco para obstrues; n4- Correco para a presena de vegetao e condies do escoamento; m- Correco para o grau de meandrizao do canal; Oscoeficientesdescritosencontram-secriteriosamentedetalhadosemdiversabibliografiaespecfica [20]. AfrmuladeManningamplamenteutilizada emprojectos decanais,devidosuasimplicidadede aplicao e devido aos bons resultados que tem fornecido em aplicaes prticas.Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 26 Figura 2.20 - Escoamento dificultado pela presena de uma barreira de material [20]. Figura 2.21 - Constrio do fluxo [2.20]. Figura 2.22 - Fluxo do escoamento com obstrues [2.20]. 2.4.4. SECES COMPOSTAS E HETEROGNEAS As frmulas de resistncia anteriormente referidas podem considerar-se vlidas desde que exista uma certa constncia das tenses tangenciais ao longo do permetro molhado, o que pressupe que a seco sejasimples,isto,queocontornoapresenteumasconcavidade,ou,poroutraspalavras,queno evidencie convexidades ou salincias importantes para o interior da seco [15]. Figura 2.23 - Canal com seco transversal irregular [15]. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 27 Umexemplotpicodesecocompostaumleitoduplo,constitudoporleito menoreporumleito maior, ocupado em ocasies de cheia (figura 2.23). Torna-se evidente que, em tal exemplo, para alm davariaodastensestangenciaisaolongodocontorno,aconsideraodatotalidadedaseco comosimples,conduziriaaumasituaoabsurda,quandonumregimedecheiaaguapassassedo leitomenorparaaparteinferiordoleitomaior.Comefeito,aumpequenoacrscimodeseco corresponderiaumconsidervelacrscimodepermetromolhado,oque,atravsdoclculo, conduziria a uma diminuio de caudal. Figura 2.24 - Seco composta [15]. Quandoasecocomposta,impe-seportantoasuadivisoemsecesparcelaressimples,por exemploporintermdiodelinhasverticaisnospontosmaissalientesdasconvexidades,oupor intermdio de linhas no prolongamento dos taludes (figura 2.24). Ocaudaltotalemregimeuniformedefinidopelasomadoscaudaisescoadosemcadaumadas seces parcelares. =. +. + (2.31) Opermetromolhadoemsecescompostascorrespondelinhadecontactodolquidocomas paredes slidas, excluindo-se consequentemente os segmentos de separao entre as diferentes seces simples (gua/gua). Relativamentessecesheterogneasoumistas,seroaquelasemquearugosidadevariaaolongo dopermetromolhado,tornando-senecessrioadoptarcoeficientesdasfrmulasderesistnciaque considerem tal facto. Se os trechos do permetro molhado com diferentes rugosidades, forem 1 , 2 , ..., temos: = (2.32) Para uma seco homognea, a frmula de Chzy indica: = . (2.33) Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 28 Ou, ainda: = . (2.34) Se s rugosidades dos trechos 1 , 2 , ..., correspondem coeficientes, por exemplo, de Bazin, CB1, CB2, ..., obtm-se, para cada um deles, coeficientes de Chzy: =87. + (2.35) Podendo escrever-se: = . (2.36) Donde se conclui, comparando com (2.34): = (2.37) o valor do coeficiente de Chzy a considerar na equao (2.34). Caso se utilize a frmula de Manning-Strickler, o valor do coeficiente K a adoptar pode ser calculado pela frmula de Einstein: =// (2.38) SendoKlocoeficientedafrmuladeManning-Stricklerquecorresponderugosidadedotrechode permetro molhado, l. A frmula de Einstein, estabelecida teoricamente, pode conduzir a um valor de K superior ao real. o quesucede,porexemplo,quandoumperfilcompreendeduasrugosidades:umdadovalornuma pequenafracodopermetromolhadoeumoutrovalor,aquecorrespondaumcoeficientede Manning-Strickler superior, no restante permetro molhado. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 29 Note-sequeaturbulncia produzidanafracomaisrugosaestende-setransversalmenteparaazona menosrugosa,paraalmdasuperfcieterica deseparaoconsideradaporEinstein,eocoeficiente de rugosidade mdia inferior ao dado pela frmula, o que determina uma velocidade superior real. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 30 Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 31 3 HIDRODINMICA FLUVIAL 3.1ANLISE DO ESCOAMENTO NUM CANAL FLUVIAL Umalinhadeguatraduzumciclodeenergiainesgotvel.Iniciaoseucicloaolongodasuabacia hidrogrfica,captandoaenergiapotencialresultadodasprecipitaes,econverteestepotencialem energiacintica,quesetraduznomovimentodamassadegua,aolongodemontanhasevales,at atingir o seu equilbrio final, quando desagua no oceano. Emleitosnaturaisas forasdepressoedearrastamentodo fluidosobreo fundo,sodeterminantes no transporte slido, dando-se consequentemente a alterao da sua configurao. Anaturezadasconfiguraesresultantesdependedaprofundidade,velocidadedoescoamento,das propriedades do fluido e do material constituinte do canal fluvial. Deacordocomoreferidoanteriormente,osescoamentosemlinhasdegua,sodenominadosde superfcielivre,poistmcontactodirectocomapressoatmosfrica,eocorremquasenasua totalidadeemregimeturbulento.Destaformatorna-sefulcralumaanliseaoescoamento,pela avaliaodediversosfactoresfsicos,comoaaceleraogravtica(g),aviscosidadecinemticada gua () e o comprimento caracterstico de uma dada seco (L). OnmerodeReynolds(Re),frutodeumarelaoentreosfactoresfsicosdescritosatrs,fara distino entre um escoamento turbulento e um laminar. OnmerodeReynoldsexprimeaimportnciadasforasdeviscosidadeemrelaosforasde inrcia intervenientes no escoamento. = (3.1) = . (3.2) De seguida, descreve-se sucintamente, como proceder a uma correcta anlise do nmero de Reynolds. Para um nmero de Reynolds com valores at 2000, o escoamento do tipo Laminar. Nos escoamentoslaminaresastrajectriaselinhasdecorrenteestobemdefinidas,o Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 32 movimentodamassadeguaorganizadoeestvel, sendoaresistnciaaoescoamento unicamente fruto de tenses tangenciais de origem viscosa. SeovalordonmerodeReynoldssesituarentre2000e4000,oescoamento denominado de transio, entre o escoamento laminar e turbulento. Para um nmero de Reynolds superior a 4000, o escoamento puramente turbulento, no qual as trajectrias so indefinidas, o movimento da massa de gua desorganizado, com umarpidadifusoegrandenmerodeturbilhes. Aresistncia aoescoamentodecorre daexistnciadetensesdeorigemturbulenta,devidotrocadeenergiaentreas partculas. Outroparmetrodegrandeimportncianaanlisedeumescoamento,onmerodeFroude(Fr),o qualbaseiaoseuclculonaaceleraogravtica(g),navelocidadedoescoamento(U),enaaltura mdiadoescoamentonumadadaseco(ym),permitindoclassificarumescoamento,emlento, crtico, ou rpido.O nmero de Froude exprime a importncia das foras de gravidade em relao s foras de inrcia do escoamento: = (3.3) = . = . (3.4) Em que, g. L a celeridade de propagao de pequenas perturbaes. Nosescoamentosemcanais,o comprimentocaractersticodoescoamento(L),igual alturamdia do escoamento (ym). Sendo que a altura mdia do escoamento igual razo entre a seco transversal (S) e a largura superficial (b). = (3.5) = (3.6) De seguida, descreve-se sucintamente, como proceder a uma correcta anlise do nmero de Froude. Valores do nmero de Froude iguais a 1, classificam o escoamento como crtico, ou seja, o escoamento encontra-se na fase de transio de lento a rpido. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 33 ParavaloresdeFroudeinferioresa1,oescoamentodefinidocomolento,ouseja,o escoamentocontroladoporjusante.Asperturbaesnumescoamentoderegimelento propagam-se para montante e jusante. ParavaloresdonmerodeFroudesuperioresa1,oescoamentoclassificadocomo rpido,oqualcontroladopormontante.Asperturbaesnesteescoamentoapenasse propagamparajusante.Osescoamentosemregimerpidopodemocorreremriosde montanha, ou em zonas singulares, como descarregadores ou quedas bruscas, enquanto os escoamentos de regime lento so mais comuns na generalidade dos troos fluviais. 3.2HIDRODINMICA FLUVIAL ASSOCIADA AOS PROCESSOS EROSIVOS 3.2.1. INTRODUO A dinmica fluvial associada eroso hdrica um processo contnuo que ocorre em todos os cursos de gua. A precipitao, o escoamento superficial, o gelo e o degelo, entre outros factores, actuam na estruturadosolo,desagregando-o,destacandoeremovendoassuaspartculas.Ossedimentosassim produzidospodemserarrastadosparaaslinhasdegua,ondeseescoamparajusante,processo descrito como eroso natural [5]. Ofenmenodoprocessoerosivoporviahdricainicia-sepelodestacamentodaspartculasdosolo, fundamentalmentepelaacodaprecipitaoedoescoamentosuperficial.Aspartculasdestacadas so,seguidamente,deslocadasdasuaposioinicialepodemserdepositadasedestacadasdenovo (figura 3.2). A capacidade de transporte dos rios varia ao longo do seu percurso (figura 3.2). A inclinao do fundo, e consequentemente, a velocidade mdia do escoamento vo-se reduzindo gradualmente para jusante, peloque,aspartculasmaisgrosseirasdeixamdepodersertransportadasedepositam-se,formando deltas ou plancies aluvionares (figura 3.1). Aquantificaodaerosohdricaconstitui,assim,umrequisitodamaiorimportnciaparao planeamento e explorao dos recursos hdricos e para a sua gesto ambiental. Figura 3.1 Variao Velocidade / Dimenso mdia das partculas ao longo do curso de gua [18]. 3.2.2. AVALIAO DA INSTABILIDADE DE UMA SECO Considere-seumcanalcomfundomvelconstitudopormaterialnocoesivodegranulometria uniforme.Suponha-sequeseobservaaestabilidadedaspartculasdofundosujeitasacode sucessivosescoamentospermanentes,comeandoporcaudaismuitopequenos.Poderverificar-se Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 34 que, inicialmente, o escoamento no origina a movimentao do material, tudo se passando como se o fundo do canal fosse fixo. Contudo, quando o caudal atinge um certo valor, observa-se o movimento aleatrio de partculas isoladas, pois as condies do escoamento so tais que as partculas comeam a ser destacadas e arrastadas (figura 3.2). Estas condies do escoamento so conhecidas por condies crticas de inicio de transporte ou condies de movimento incipiente. Tendo em conta esta definio, podeimaginar-sequesimplesdetermina-las.Naprtica,surgemdificuldadesqueresultam,entre outrosaspectos,danouniformidadedecritriosdedefiniodasreferidascondies,podendo entender-sequeestasocorremquandoumaspartculaentraemmovimento,quandotalacontecea algumas partculas ou quando se inicia o movimento generalizado do fundo do canal fluvial. Figura 3.2 - Aco do escoamento nas partculas que constituem o fundo do canal fluvial. O processo de transporte de sedimentos, depende das velocidades do escoamento, dimenso das partculas e de princpios de hidrodinmica [18]. Oconhecimentodascondiesdemovimentoincipientedegrandeimportnciaparaahidrulica fluvial, nomeadamente para o dimensionamento de canais estveis sem movimento de material slido, clculodocaudalslido,estudodadeposioemreservatriosealbufeiras,clculodaeroso superficial nas encostas recorrendo a modelos baseados, estudos de eroso e deposio generalizadas. Dopontodevistaterico,ascondiesdemovimentoincipienteestoassociadasaoequilbriodas foras que actuam sobre as partculas. Assim, os factores que contribuem para a instabilidade de uma seco, dependem de vrias condicionantes, comeando pelas propriedades do fluido (massa volmica e viscosidade), passando pelas caractersticas do escoamento (largura da seco transversal, acelerao dagravidade,velocidadedoescoamentoealturadoescoamento,enoesquecendoaspropriedades fsicasdosmateriaisconstituintesdocanalfluvial.Aanliseglobaldestaspropriedadeseasua conjugaopermiteobterumaavaliaoperceptivaeparticularmenteimportante,emrelaoaos efeitos da instabilidade num trecho fluvial. Osmateriaisconstituintesdocanalapresentamumaenormediversidadedepequenaspartculasque obrigatoriamente tm de ser consideradas nos estudos de estabilidade do canal. Estaspequenaspartculas,possuempropriedadesquedevemsercriteriosamente avaliadas,comopor exemplo, a forma, dimenso, densidade e velocidade de queda ou sedimentao dos gros de inertes. Paraoestudodaformadosinertes,usa-seumarelaoentreasdimensesdosraiosdoseixos ortogonaisdeumapartculaconstituintedocanal. Estarelao dadapelarazoentreomenorraio, pela raiz quadrada da multiplicao dos raios maior e mdio de uma partcula, relao denominada de Coeficiente de Forma de Corey. A anlise da densidade das partculas constituintes do canal, ir depender directamente da composio mineralgicadarochaoriginria,sendooquartzoapartculaquepredominanocasodaslinhasde gua portuguesas. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 35 Aconjugaodosdiversosmateriaisqueconstituemocanalfluvial,proporcionaraconjugaodas diversascaractersticasnicas,dosdiferentesmateriaisconstituintes,queporsuaveztransmitem vriaspropriedadesrelevantesparaoestudodaestabilidade.Oconhecimentodongulodeatrito interno,donguloderepousoedongulodesuporte,domaterialconstituintedocanal,fornece elementos muito importantes para a avaliao da possvel instabilidade das margens. Descrio sucinta do ngulo de atrito interno, ngulo de repouso e ngulo de suporte [5]: ngulo de atrito interno () traduz o ngulo de iminente deslizamento duma camada de sedimentos sobre outra camada inferior mais rgida. ngulode repouso (r)traduzomaiorngulocomahorizontal quepode serformado naturalmente por um aterro recente. ngulodesuporte(b)traduzongulomximodotalude,apartirdoqual seiniciao desprendimento de algumas pedras. No ambiente natural de um rio, o ciclo de transporte de sedimentos e o posterior depsito nas margens efundodocanal,fazcomquenoexistammecanismosdecompactaoconsiderveis.Postoisto, consideradoquenestassituaesnoocorremcompactaesrelevantes,sendoongulodeatrito internocoincidentecomonguloderepouso,queseaceitacomosendoolimitedeestabilidadea partir do qual se originam os deslizamentos.Aavaliaodaestabilidadedeumcanalfluvialtorna-semaiscomplexacasoaanlisedosmateriais constituintesdasmargensefundodocanal,considereaestratificaoemdistintascamadas,que reflectem a sucesso de deposio das diversas partculas.A heterogeneidade das diversas camadas de materiais constituintes das margens e fundos de um canal fluvial, determinam que a avaliao de estabilidade global passe pela anlise das propriedades fsicas decadaumadascamadas.Destaforma,assistimosaumaheterogeneidadenoapenasrelativa estratificao transversal nos canais, como um heterogeneidade longitudinal, partindo do principio que asdiferentescamadasestratificadas nomantmas suasespessuras,pois,por exemplo,aquantidade de material depositado num trecho em curva de um canal, varia em relao ao material que se deposita num trecho recto, e o mesmo acontece, se variarmos a inclinao longitudinal do trecho em anlise, ou mesmoalarguradocanal,oqueinfluenciadirectamenteagamadevelocidadesmdias,parauma dada seco de estudo. Aroturageneralizadadasmargensdeumadadasecoemrisco,ocorremaioritariamente,apsa diminuio do nvel das guas, pois o equilbrio hidrosttico da coluna de gua, permite equilibrar as principais tenses internas das partculas que constituem as margens.Omesmoequilbriointerrompidoquandoonveldasguasdiminui,eosolosaturadoentraem colapso,devidoselevadaspressesinternas,queconduzemaodeslocamentodaspartculase potencial ruptura pontual das margens. Aexistnciademargensconstitudaspormateriaishomogneoseuniformementedistribudos, proporcionaaocorrnciadeerosesplanasoucurvilneas,comconsequentediminuiogradualda inclinaodotaludedasmargens.Poroutrolado,margensconstitudasporcamadasheterogneas, levam ocorrncia de roturas no padronizadas, nas quais o material menos coesivo condicionante da instabilidade inicial. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 36 Figura 3.3 - Variao do ngulo de atrito interno em funo da granulometria e da forma dos materiais constituintes do talude das margens [3]. Figura 3.4 - Quadro resumo de relao entre a tipologia e padres de canais e a sua estabilidade relativa [20]. Note-sequenocasodedimensionamentodeprotecescomenrocamentos,queseroaprofundados adiante,ongulodesuportedomaterialtransmiteelevadaimportncia,dadoquearesistnciadum talude de enrocamento eroso fluvial depende da estabilidade de cada bloco constituinte da estrutura protectora. Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 37 Pela anlisedafigura3.3, possvelobtero ngulodeatrito interno(),atravsdaconsideraodo tipo de matrias predominantes e do seu respectivo dimetro mdio, ainda que de uma forma expedita. Aavaliaodarequalificaodeumcursodegua,deveiniciar-sepelaanlisedosparmetrosdos quaisdependeoiniciodamobilizaodosmateriais.Estesparmetrossoatensocrticade arrastamentoeavelocidademdiacrtica.Ascondiesdeinstabilidadesurgemsemprequeos valoresdosparmetrosindicadossejamultrapassados,dandoinicioaoprocessodearrastamentodos materiais constituintes da margem e leito do rio, no trecho instvel. Oescoamentopotenciaforasdearrastamentoqueactuamnosentidodoescoamento,equese distinguem entre as foras que se exercem no fundo e as foras que se exercem nas margens do canal fluvial.Omovimentodeumapartculaconstituintedocanal,dependedealgumasvariveis,comoo pesosubmersodapartcula,ongulodofundooudasmargenscomahorizontal,asustentao hidrodinmica e a fora de arrastamento. A fora de arrastamento que actua no sentido do escoamento e que conduz ao movimento de uma dada partcula constituinte do fundo do canal fluvial, pode ser representar-se por [8]: = . . (3.7) C1- Constante; C - Tenso critica de arrastamento das partculas do fundo ou margens do canal; dm - Dimetro mdio das partculas do canal. A tenso para as condies de incio de movimento dada por [8]: =. . . . (3.8) - Constante; - Peso volmico do solo e da gua; - ngulo das margens com a horizontal; - ngulo de atrito interno.

Arelaoentreasforasdearrastamentoqueactuamnosentidodoescoamento,nasmargenseno fundo, denominada de coeficiente de Lane. O coeficiente de Lane (KL), relaciona a tenso a que uma partculasalientecolocadanasmargenspodeestarsujeita,semsedeslocar,relativamente correspondente tenso de fundo. O coeficiente de Lane (KL), pode representar-se por: =1 (3.9) Regularizao e Proteco contnua de cursos de gua 38 Figura 3.5 - Coeficiente de Lane (KL), em funo do ngulo de repouso do material e da inclinao do talude da margem [5]. Analisando as tenses crticas de arrastamento nas margens e no fundo, possvel achar uma relao entre estas, com base no citado coeficient