Princípios de Design para o Aqueduto de Aqueduto e Sifão
Leia este artigo para aprender sobre os princípios de design para Aqueduto e Aqueduto Syphon.
Princípios de design para o aqueduto:
(i) Estimativa do Projeto (Máximo) Descarga de Cheia de um Dreno:
O dreno a ser atravessado pode ser pequeno ou semelhante a um rio. Em todos os casos, a avaliação correta da máxima inundação ou pico de fluxo de um dreno deve ser obtida antecipadamente.
(ii) Exigência da via aquática para um dreno:
A equação do perímetro de regime de Lacey fornece uma boa base para o cálculo da hidrovia de drenagem. A equação é
P w = 4, 825 Q 1/2
Onde, P w é o canal a ser fornecido para o dreno no local em metros. Q é a descarga de inundação do dreno em m3 / seg. À medida que os pilares reduzem a hidrovia real disponível, o comprimento entre os pilares ( Pw ) pode ser aumentado em 20%. Quando a hidrovia é fixada a partir da equação de perímetro de regime de Lacey, a condição de regime no dreno a montante e a jusante da estrutura não é perturbada de forma apreciável. Para confinar a água de drenagem para a guia de navegação desejada, os bancos podem ser construídos.
(iii) Velocidade do fluxo através do barril:
A velocidade do fluxo através do barril pode variar de 1, 8 m / seg a 3 m / seg. A razão para selecionar esta faixa é que as velocidades mais baixas podem causar assoreamento nos barris. Considerando que, quando a velocidade é superior a 3 m / s, a carga do leito pode causar abrasão do piso do cilindro e, subsequentemente, pode ser danificada.
(iv) Altura de Abertura:
Quando a vazão e a velocidade da hidrovia são fixadas, a profundidade do fluxo pode ser obtida facilmente. Deve haver avanço ou folga suficiente entre o HFL e o fundo do leito do canal. Uma folga de 1 m ou metade da altura do bueiro, o que for menor, seria suficiente. Portanto, Altura de abertura = Profundidade de fluxo + folga ou avanço.
(v) Número de Vias:
Depois de determinar o comprimento total de um aqueduto entre o número de vãos de encostos a ser fornecido pode ser fixado com base nas seguintes duas considerações:
Eu. Resistência estrutural necessária e
ii. Consideração econômica.
Por exemplo, quando arcos são usados, o número de vãos a serem fornecidos pode ser maior. Quando o custo de construção na fundação é bastante alto, um pequeno número de vãos deve ser adotado e, então, vigas de CCR podem ser usadas.
vi) Canal Hidroviário:
Geralmente, a taxa de queima é considerada como sendo 1/2. Esta relação é adotada de tal forma que a velocidade de fluxo no vale não ultrapasse o limite de velocidade crítica. Geralmente a velocidade do fluxo não deve ser superior a 3 m / seg. Esta precaução é tomada para evitar a possibilidade de formação de um salto hidráulico. A razão óbvia é que, quando o salto hidráulico se forma, ele absorve energia. Nesse processo, a cabeça valiosa é perdida e grandes tensões são produzidas na estrutura.
(vii) Comprimento de Contração ou Transição de Aproximação:
Uma vez que a largura na garganta é o comprimento fixo da contração pode ser determinado depois de conhecer a taxa de convergência. A taxa de convergência é geralmente tomada como 2: 1 (horizontal: lateral), ou seja, não mais íngreme do que 30 °.
(viii) Duração da Expansão ou Transição de Partida:
O comprimento da expansão no lado a jusante do aqueduto pode ser fixado depois de se conhecer o rácio de expansão. A taxa de expansão é geralmente tomada como 3: 1 (horizontal: lateral), ou seja, não mais do que 22, 5 °. Para manter o fluxo aerodinâmico e também para reduzir a perda de carga, as transições são geralmente feitas de paredes laterais curvadas e queimadas.
O design da transição pode ser elaborado usando qualquer um dos três métodos a seguir:
Eu. Método de Hind;
ii. O método de transição hiperbólica de Mitra;
iii. Método de transição parabólica semi-cúbica de Chaturvedi.
Pode-se notar que, enquanto o método de Hind pode ser usado quando a profundidade da água na seção normal e no cocho também varia, os dois métodos restantes podem ser usados somente quando a profundidade da água permanece constante na seção normal do canal, bem como a seção da calha. .
(ix) Conexões Bancárias:
Um aqueduto exige quatro conjuntos de parede de asa (dois para o canal e dois para o dram (Fig. 19.24).
As paredes da ala do canal no lado a montante e a jusante do aqueduto protegem e retêm a terra nas margens do canal. A fundação das paredes da ala do canal não deve ser deixada na terra embebida. As paredes das asas devem basear-se na fundação sólida no solo natural. Nas transições, os declives laterais da seção natural (geralmente 11/2: 1) são deformados para se conformarem com a forma (geralmente vertical) da calha sobre o dreno.
As paredes das asas de drenagem são fornecidas a montante e a jusante do cano para proteger e reter os lados naturais do dreno. À medida que o leito do dreno é decapado durante as inundações, as paredes das asas de drenagem devem ser levadas para dentro da fundação, abaixo da profundidade máxima de erosão. As paredes das asas devem ser levadas de volta o suficiente para o topo dos bancos de guia. As paredes das asas devem ser projetadas para permitir a entrada suave e a saída do fluxo no dreno.
Método de Hind para Design de Transição:
Este método baseia-se na premissa de que há perda mínima de carga, fluxo otimizado e condições normais de fluxo no canal são restauradas antes que as descargas do canal passem para a seção de terra imediatamente após as transições curvadas e queimadas.
Na Fig. 19.25, a transição de contração ou aproximação, a porção da garganta e a transição de expansão ou partida são mostradas. Pode ser visto que as secções 1-1, 2-2, 3-3 e 4-4 indicam o início da contracção, o fim da contracção, o início da expansão e o final da expansão, respectivamente.
Assim, a transição de contração ou aproximação situa-se entre as seções 1 e 2, garganta entre as seções 2 e 3 e transição de expansão ou partida entre as seções 3 e 4. Até a seção 1 e além da seção 4 o canal flui sob suas condições normais e, portanto, os parâmetros do canal esses dois pontos são iguais e já conhecidos. Assim também as condições dos parâmetros de fluxo e canal são as mesmas entre as seções 2 a 3, que representam a porção da garganta ou cavidade.
O procedimento de design pode ser descrito da seguinte maneira:
Sejam D e F com subscritos apropriados referem-se a profundidades e velocidades em quatro seções. Também já que os níveis e dimensões de canal já são conhecidos na seção 4-4:
Etapa 1: TEL na seção 4-4 = elevação da superfície da água + V 2 4 / 2g
onde a elevação da superfície da água em sec. 4-4 = nível da cama + D 4
(Lembre-se TEL é abreviação da linha de energia total)
Etapa 2: TEL no seg. 3-3 = (TEL em seg. 4-4) + (perda de energia entre sec. 3 e 4) A perda de energia entre as seções 3-3 e 4-4 ocorre devido à expansão de linhas de fluxo e também devido ao atrito. Negligenciando a perda devido ao atrito, que é pequeno e levando a perda devido à expansão a ser
Passo 5:
Como mencionado nas primeiras quatro etapas, o nível da cama, o nível da superfície da água e o nível da linha de energia total podem ser determinados nas quatro seções.
Agora, a linha TE, a linha de superfície da água e a linha de leito podem ser desenhadas da seguinte maneira:
(a) Agora, a linha de energia total pode ser desenhada unindo esses pontos em quatro seções por uma linha reta.
(b) A linha do leito também pode ser desenhada como linhas retas entre seções adjacentes se o nível de queda ou elevação do leito for pequeno. Os cantos devem ser arredondados. Caso a queda na linha do leito seja apreciável, as linhas do leito devem ser unidas com uma curva reversa tangencial suave.
(c) Agora está claro que entre quaisquer duas seções consecutivas a queda no nível da superfície da água pode resultar devido a (i) queda na linha TE entre as duas seções; (ii) aumento da velocidade da cabeça na contração; e (iii) diminuição da cabeça de velocidade na expansão.
Essa queda na superfície da água é negociada por duas curvas parabólicas. Como mostrado nas Figs. 19, 26 e 19, 27 para contração (transição de aproximação) e expansão (transição de partida) isto é obtido por curva ascendente convexa seguida por curva ascendente côncava na transição anterior e curva ascendente côncava seguida por uma curva ascendente convexa na última transição.
Pode ser visto nas Figs. 19, 26 e 19, 27
L = Comprimento de transição (contração ou partida) = 2x 1 e
2y 1 = Queda total ou aumento da superfície da água. O ponto m é o ponto médio do comprimento de transição e está situado para dividir a queda total e o comprimento igualmente.
Tomando a superfície da água no ponto de corte como a equação de origem da parábola é dada por
y = cx 2
Substituindo os valores conhecidos de y 1 e x 1
c = y 1 / x 2
Com este valor de c, as curvas da superfície da água parabólica podem ser traçadas a partir de pontos de corte que representam a origem.
A equação a ser usada para plotagem é agora reduzida para
y = (y 1 / x 1 2 ). x 2
Assim, o perfil da superfície da água pode ser plotado.
Passo 6: Velocidade e área de fluxo em vários pontos podem ser obtidas
(i) A cabeça de velocidade em qualquer ponto é dada pela diferença entre o TEL e a superfície da água.
Cabeça de velocidade h v = TEL - linha WS
Também = h v = v 2 / 2g
Então velocidade (V) em cada ponto = √2g.h v
(ii) A área de fluxo em qualquer ponto pode agora ser obtida pela fórmula simples
A = Q / V
Com valores conhecidos de A e D, outras dimensões do canal trapezoidal podem ser calculadas usando a fórmula
A = BD + SD 2
onde B é a largura da cama e S: 1, ou seja, (H: V) é a inclinação lateral.
No caso de paredes de asas alargadas, as encostas laterais são gradualmente levadas para vertical a partir de uma inclinação inicial. O valor do declive lateral em qualquer seção intermediária no comprimento de transição pode ser interpolado em proporção ao comprimento de transição alcançado até aquele ponto.
Método de Transição Hiperbólica de Mitra :
Este método baseia-se no princípio de que :
Eu. Junto com a descarga, a profundidade do fluxo no canal também é constante; e
ii. A taxa de mudança de velocidade por unidade de comprimento de transição é constante durante todo o período de transição.
Da Fig. 19.25 pode ser visto que:
B 0 = largura normal do leito do canal;
B t = largura da cama na garganta ou no vale;
B x = largura a qualquer distância x da extremidade da calha;
e L = duração total da transição.
Método de Transição Parabólica Semi-Cúbica de Chaturvedi:
Afirma que (Consulte a Fig. 19.25 para notações)
Princípios de Design para o Aqueduto Syphon:
É claro que os aquedutos do sifão são basicamente diferentes dos aquedutos comuns. Como tais critérios para o projeto de aquedutos não são suficientes no projeto de aquedutos de sifão.
Além das considerações acima, os seguintes critérios devem ser adotados ao projetar os aquedutos de sifão:
(i) descarga através do barril de sifão:
A cabeça que causa o fluxo (também representa a perda de carga no barril) através do barril de sifão invertido pode ser obtida a partir da fórmula de Unwin.
onde h é a cabeça causando fluxo, é também a perda de cabeça no barril em m.
L é o comprimento do barril em m.
R é o raio médio hidráulico do cano em m.
V é a velocidade do fluxo através do barril em m / seg.
V a é a velocidade de aproximação em m / seg, é geralmente negligenciada.
f 1 é um coeficiente de perda de cabeça na entrada e geralmente considerado como 0, 505.
f 2 é um coeficiente que representa o atrito no barril.
onde aeb são constantes.
A seguir, a Tabela 19.2 fornece os valores de aeb para diferentes superfícies:
A velocidade do fluxo através do barril geralmente é limitada a 2 a 3 m / seg.
Assim, como todos os valores são conhecidos, a perda de carga no barril ou na cabeça pode causar o fluxo. Este valor, quando adicionado ao High Flood Level (HFL) nas d / s do aqueduto, dá um HFL de u / s.
Adicionando a bordo livre ao HFL de u / s nós podemos obter o alto dos trabalhos de proteção do rio como bunds do guia e bunds marginais.
(ii) Pressão de Elevação no Telhado do Barril:
Como o cano fica cheio durante as enchentes, existe pressão positiva no cano. Devido à pressão positiva no barril, o teto é submetido à pressão de elevação. O diagrama de pressão de subida para o telhado pode ser desenhado conhecendo a cabeça de pressão no lado u / se d / s do cano.
A cabeça de pressão no lado d / s do cano é igual à altura do nível de água acima da parte inferior do telhado. A cabeça de pressão no lado de u / s pode ser obtida adicionando a perda de cabeça no tambor à cabeça de pressão no lado de d / s. A perda de cabeça pode ser obtida a partir da fórmula de Unwin. A Figura 19.28 mostra o perfil da linha de gradiente hidráulico que pode existir. Pode ser visto que a pressão máxima de elevação ocorre na extremidade final do barril.
Ao projetar o vale é necessário considerar duas condições extremas, a saber:
Eu. O barril fica cheio durante a enchente máxima e não há água no canal. Esta condição permite que a pressão máxima de elevação atue na calha.
ii. A calha do canal está carregando descarga completa, mas o cano não fica cheio e, portanto, não há elevação no teto do cano.
A fim de limitar a espessura da calha, é aconselhável fornecer um telhado de concreto armado com reforço na parte inferior para suportar a carga do canal e o reforço na parte superior para resistir à pressão de elevação por flexão.
(iii) Pressão de Elevação no Chão do Barril:
Ao contrário de outras estruturas hidráulicas, os aquedutos estão sujeitos a dois tipos diferentes de pressões de elevação de duas fontes diferentes. Eles são os seguintes:
(a) Pressão de elevação estática devido ao aumento da tabela de água:
O lençol freático muitas vezes sobe até o nível da cama do dreno. Particularmente no caso do aqueduto de sifão cujo leito de piso é deprimido abaixo do leito da drenagem, a pressão de elevação estática atua no leito do piso. A pressão de elevação é igual à diferença do nível do leito do dreno e do nível do piso do cano.
(b) Pressão de Elevação Devido à Influência da Água do Canal para o Dreno:
Uma vez que existe uma diferença de nível entre o nível da água do canal e o fluxo de infiltração no nível da água de drenagem ocorre onde as condições são favoráveis. Esta cabeça de infiltração é máxima quando o canal funciona com capacidade total e não há fluxo no dreno abaixo. Como mostrado na Fig. 19.29, o fluxo de infiltração, neste caso, não é simples, mas o padrão de fluxo é tridimensional em todos os lugares. O fluxo de infiltração começa nos dois lados do leito do canal impermeável e reaparece em ambos os lados do piso do barril impermeável no dreno.
Como nenhuma aproximação ao fluxo bidimensional é possível, a teoria de Khosla não pode ser aplicada estritamente. Solução por intrincada "método de relaxamento" é possível, mas é muito laborioso. Para fins de design, o princípio da teoria de fluência de Bligh explicado abaixo pode ser aplicado. Para trabalhos importantes, no entanto, é essencial verificar os resultados do projeto preliminar obtidos por estudos de modelo.
Referindo-se à Fig. 19.29.
Tomando o caso do primeiro barril onde a infiltração será máxima, comprimento total de fluência - (comprimento de fluência ab) + (comprimento de fluência bc)
L = L 1 + L 2
Cabeça de infiltração total = canal FSL - d / s nível de drenagem do leito = H s
Cabeça de infiltração residual em b = -Hs / L x L 2
A cabeça de infiltração residual total em b pode ser considerada para projetar a espessura de todo o piso de todos os barris.
A espessura do assoalho do barril é, de fato, projetada considerando a pressão total de elevação criada pela condição de elevação estática e pelo fluxo de infiltração do canal mencionado acima.
De modo a limitar a espessura do pavimento, a construção de CCR pode ser adoptada, uma vez que parte da pressão é resistida pelo peso do pavimento e permanece pela resistência à flexão do pavimento. Nesse arranjo, a pressão é transferida para os pilares e é resistida pelo peso total da superestrutura.
Quando se vê que a pressão de elevação é muito alta, ela pode ser reduzida ao fornecer proteções seguras adequadas.
Eles são:
(a) Aumentar o comprimento do piso impermeável do leito do canal de modo que o comprimento de fluência seja aumentado;
(b) Fornecer orifícios de drenagem ou orifícios de alívio no piso do cano em conjunto com o filtro invertido abaixo do piso. Para evitar asfixia dos furos de alívio e filtro abaixo do peitoril de drenagem, os furos de alívio devem ser providos de válvulas de aba.
