Canais com Escoamento em Superfície Livre

O dimensionamento de canais com escoamento em superfície livre é um problema frequente em Engenharia Civil e nele estão envolvidas questões de vária índole, obrigando a diversas decisões e tomadas de posição por parte do projectista, Assim, por exemplo, a escolha da configuração da secção transversal de um canal está relacionada, não só, com a ordem de grandeza dos caudais a escoar, mas também com as características dos terrenos atravessados e a topografia local que, igualmente, determinam o traçado do seu perfil longitudinal, nomeadamente, no que se refere à inclinação.

Quando o dimensionamento acima referido se destina a colectores de esgoto de águas residuais ou pluviais e os caudais envolvidos são de pequena ou média grandeza, a secção geométrica normalmente escolhida para o canal é a circular,
Após a opção da forma geométrica a utilizar para a secção transversal, o problema do seu dimensionamento equaciona-se pela determinação da secção do escoamento para dado caudal e certa inclinação do colector, o que exige o cálculo da altura normal.
Assim, e admitindo como a forma da secção do canal a circular, deverá ser escolhido, de entre os vários diâmetros de possível utilização, o menor, de modo a escoar o caudal em condições adequadas e regulamentares.
O dimensionamento de uma rede vulgar de esgoto de águas residuais ou pluviais obriga a que o cálculo da altura normal seja feito centenas ou milhares de vezes. Este cálculo, realizado através da utilização das chamadas fórmulas de resistência é, em virtude das características das expressões analíticas dessas mesmas fórmulas, levado a cabo por processos iterativos.

Referindo-se exclusivamente a correntes líquidas, constituem escoamentos com superfície livre uma subdivisão dos escoamentos interiores, havendo que considerar ao longo do escoamento, simultaneamente uma superfície de contacto com as fronteiras sólidas, o canal, e outra, a superfície livre, de contacto com um meio exterior gasoso, geralmente a atmosfera.

Classificação dos escoamentos com superfície livre

Relativamente aos valores médios locais das grandezas que os caracterizam (dado se tratar essencialmente de escoamentos turbulentos), poder-se-ão encontrar no domínio dos escoamentos interiores com superfície livre, movimentos não permanentes e permanentes (uniformes e variados)
A primeira divisão, entre movimentos não permanentes e permanentes, é feita atendendo à variação ou constância das suas características em relação ao tempo. No caso destas se manterem invariáveis, é possível uma outra subdivisão em relação à constância da velocidade média de escoamento ao longo do eixo do canal que, a verificar-se ou não dará origem, respectivamente, ao movimento uniforme ou variado.
O estabelecimento de cada um dos regimes, correspondentes aos movimentos do fluido citados, depende das características de variação do caudal e da secção do escoamento, quer em relação ao tempo, quer em relação à posição da secção considerada ao longo do eixo do canal.

A secção do escoamento, também designada por secção molhada, refere-se à área de secção geométrica ocupada pelo líquido que se escoa, a qual, contrariamente ao que se passa nos escoamentos sob pressão em que as duas noções coincidem, depende do nível a que a superfície livre se encontra, variando intensamente com aquele, para uma mesma secção geométrica do canal.

Nos escoamentos permanentes variados faz-se ainda, habitualmente, a distinção entre gradual e rapidamente variado, de acordo com a repercussão que uma variação localizada das características do movimento poderá ter no restante escoamento. Assim, o regime será rapidamente variado quando essa influência pode ser estudada isoladamente num determinado local supondo que, embora tendo em atenção uma zona de transição, o restante escoamento permanece inalterado. O regime será gradualmente variado se pelo contrário, a influência da referida variação localizada se fizer sentir no andamento da piezométrica, produzindo-se uma variação da secção do escoamento com o percurso, sendo este regime, consequentemente, semelhante ao que se verifica num canal de secção geométrica variável.

O escoamento em regime variado em canais é muito mais frequente que o regime uniforme, mas sendo o canal prismático e o caudal constante, a tendência do movimento do fluido ê para uma situação de equilíbrio desde que, evidentemente, se atinja uma distância suficientemente grande de qualquer singularidade nele existente. Esta situação de equilíbrio é o regime uniforme.

Quanto à sua origem poder-se-ão dividir os canais em naturais e artificiais. Assim cursos de água naturais como rios, ribeiros, embocaduras de estuários, correntes subterrâneas, etc., incluir-se-ão entre os primeiros, ao passo que canais que resultam de actividade do homem como canais de irrigação, colectores de drenagem, etc., pertencem aos segundos, recebendo designações diferentes como, por exemplo, de aquedutos ou quedas se a sua inclinação é grande, de canais se, pelo contrário, essa inclinação é pequena e de colectores se a sua secção é fechada (circular, ovóide, etc,). Estes últimos são utilizados geralmente em redes de drenagem de aguas residuais, pluviais, freáticas, etc.

Autor: Maria Fernanda Quintela da Silva Proença
Excerto Adaptado
Imagens: University of Illinois, University of Aberdeen

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