Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões – URI Curso de Engenharia Civil Disiciplina de Saneamento Básico
CAPTAÇÃO E ADUÇÃO 1o sem / 2013
SISTEMA DE ABASTECIMENT ABASTECIMENTO O DE ÁGUA
-Qualidade da água FATORES CONDICIONANTES DA CONCEPÇÃO DO SISTEMA: -
- Topografia do local - Posição da cidade em relação aos mananciais - Atividades econômica da região - Características da cidade/população
COMPOMENTES DE UM SISTEMA DE ABASTECIMENT ABASTECIMENTO O DE AGUA
- MANANCIAL = Corpo de água (superficial ou subterrâneo) que fornece água para o sistema - CAPTAÇÃO CAPTAÇÃO = Conjunto de obras para retirar água (superficial ou subterrânea) - ADUÇÃO = Transporta Transporta a água entre as diversas partes do sistema - ESTAÇÃO ELEVATÓRIA = Obras e equipamentos destinados a recalcar água para cotas superiores -ESTAÇÃO DE TRATAMENTO = Destina-se a enquadrar a água aos padrões de qualidade - RESERVATÓRIO RESERVATÓRIO DE DISTRIBUIÇÃO = Acumula a água em horários de pouco consumo para ser utilizada nos horários de maior consumo - REDE DE DISTRIBUIÇÃO = Conjunto de tubulações que transportam
CAPTAÇÃO E ADUÇÃO
CAPTAÇÃO DE ÁGUA PARA ABASTECIMENTO - Captação é o conjunto de estruturas e dispositivos montados ao manancial, para se efetuar a tomada de água destinada ao sistema de abastecimento. - As obras de captação devem ser projetadas e construídas de forma a assegurar, assegurar, em qualquer época do ano, condições de fácil entrada entrada de água e, tanto quanto possível, da melhor qualidade encontrada no manancial escolhido. - Devem-se ter sempre em condições, ao se desenvolver um projeto, facilidades de operação e de manutenção ao longo do tempo.
EXAME PRÉVIO DAS CONDIÇÕES LOCAIS
- Características quantitativas (estudo hidrológico – vazões máximas e vazões mínimas); -Vazões -Cotas -Sedimentos - Caract. Qualitativas (análise da dos parâmetros de qualidade); -Caract. Físicas: - Condições de estabilidade do leito; -Aval. Impacto ambiental -Caract. hidráulicas
EXAME PRÉVIO DAS CONDIÇÕES LOCAIS -A elaboração do projeto de captação deverá ser precedida de uma criteriosa inspeção local, para exame visual prévio das possibilidades de implantação das obras no local escolhido. -Na falta de dados hidrológicos, devem ser investigados, na fase de concepção e elaboração do projeto, todos os elementos que informem as oscilações do nível de água entre os períodos de estiagem e de cheia e por ocasião das precipitações torrenciais, apoiando-se nos depoimentos de pessoas conhecedoras da região. -Quando não se conhecem dados sobre as vazões médias e mínimas do curso de água torna-se necessária a programação de um trabalho de medições diretas. Através de correlações com dados de precipitação e de comparações de vazões específicas conhecidas de bacias vizinhas é possível chegar a dados aproximados.
EXAME PRÉVIO DAS CONDIÇÕES LOCAIS -Outro fator a ser analisado é a geologia da região onde atravessa o curso d’água, verificando se existe favorecimento de ocorrência de areia em suspensão na água e se as condições de execução das fundações são boas - Deverá também ser investigado se não existem possíveis focos de contaminação - realização de amostras de águas para análise - Realização de levantamento topográficos e análise das condições para execução das fundações na base do reservatório
PRINCÍPIOS GERAIS PARA A LOCALIZAÇÃO DE TOMADAS DE ÁGUA
- Obras de Captação em rios: - Principalmente em trechos retilíneos - Junto a curvatura externa (margem côncava)
*Maiores vel *Evitar bancos de areia *Maiores profundidades
PRINCÍPIOS GERAIS PARA A LOCALIZAÇÃO DE TOMADAS DE ÁGUA
É importante estabelecer, com bastante discernimento, as cotas altimétricas de todas as partes constitutivas das obras de captação, não perdendo de vista que: - Deverá haver entrada permanente de água para o sistema; mesmo nas estiagens. - havendo instalações de bombeamento para captação, os equipamentos e em especial os motores deverão ficar sempre ao abrigo das maiores enchentes previstas. - a distância entre o eixo da bomba e o nível de água mínimo previsto ao manancial, não deverá ultrapassar a capacidade de sucção do equipamento. (Import. do estudo hidrol.!)
ARRANJO GERAL DAS TOMADAS DE ÁGUA
MANANCIAIS DE SUPERFÍCIE – dependem das características do local; MANANCIAIS SUBTERRÂNEOS – poços profundos; Pto de captação geralmente está em cota inferior ao sist. de trat. e abast. – ESTAÇÃO ELEVATÓRIA
CAPTAÇÃO DE ACORDO COM AS CARACTERÍSTICAS DOS MANACIAIS - Captação em mananciais com PEQUENA variação de nível:
Tomada de Água: É a estrutura ou dispositivo para a captação d’água. Pode ser uma tubulação no curso d’água ou um canal que desvia parte de água do rio para captação. Quando a captação d’água no rio é feita por tubulações no próprio rio e é dispensável a barragem chamamos de “CAPTAÇÃO DIRETA” . Quando o leito é sujeito a erosão, recomenda-se obra complementar a simples tomada: um muro de sustentação a margem do rio ou o revestimento de um trecho da margem. A tubulação pode ficar apoiada sobre pequenos pilares
CAPTAÇÃO DE ACORDO COM AS CARACTERÍSTICAS DOS MANACIAIS - Captação em mananciais com PEQUENA variação de nível:
Barragem de nível: Usado qdo há pequena disponibilidade de água, principalmente quando o leito do rio for rochoso. Só deve ser utilizado quando a vazão mínima do rio for maior que a demanda média do dia de maior consumo. É utilizada quando a quando a lâmina d’água no rio com vazão mínima não é suficiente para garantir a submergência mínimo do crivo da bomba.
CAPTAÇÃO DE ACORDO COM AS CARACTERÍSTICAS DOS MANACIAIS - Captação em mananciais com PEQUENA variação de nível:
Canal de Regularização: Em riachos de pequena largura que apresentam lâmina d’água reduzida durante a estiagem. A finalidade é uniformizar o leito em uma determinada extensão através do revestimento de alvenaria das margens, permitindo que se lance mão de algum dispositivo para elevar o nível d’água como barramentos ou vertedores (enrocamentos – comportas).
CAPTAÇÃO DE ACORDO COM AS CARACTERÍSTICAS DOS MANACIAIS - Captação em mananciais com PEQUENA variação de nível:
Canal de Derivação: Desvio das águas p/ facilitar a tomada de água; Na entrada do canal – grade (retenção de material grosseiro); Caixa de areia – sedimentação do material em suspensão; Dimens. Cx areia: -determinação da menor partícula de areia a eliminar; -Princípio: tempo de sedim. = tempo esc. Horiz.
Dispositivos para retenção de areia “caixas de areia”
São decantadores onde a velocidade da água é baixa permitindo o processo de decantação, sedimentação e desarenadores. O dimensionamento parte do princípio de que o tempo de sedimentação desde a superfície até o fundo deverá ser igual ao tempo de escoamento horizontal da água na caixa.
CAPTAÇÃO DE ACORDO COM AS CARACTERÍSTICAS DOS MANACIAIS
Captação em mananciais com GRANDE variação de nível d’água Os equipamentos de recalque com eixo (horizontal) necessitam de uma altura chamada “altura de sucção das bombas” que é a máxima distância entre a bomba e o nível mínimo do manancial sem o qual seu funcionamento passa a ser prejudicado. * Essa distância não deve ultrapassar 6 a 7 metros. Hs = máx 6 a 7 metros Hs = é a perda de carga total até a bomba
CAPTAÇÃO DE ACORDO COM AS CARACTERÍSTICAS DOS MANACIAIS
Captação em mananciais com GRANDE variação de nível d’água -No caso de rios cuja variação de nível for apresentar valores superiores a 7 metros, então é necessário buscar soluções alternativas como: - Bombas com eixo vertical; -Conjunto móveis; -Poço de derivação; -Torre de tomada: -Reservatórios de regularização -Tomada d’água aberta + de cima, melhor qualidade
Dispositivos que evitam a entrada de corpos estranhos Para evitar a entrada de materiais como troncos, galhos de árvore, plantas aquáticas, peixes, etc : - Utiliza-se gradeamento na entrada das tomada de água - Em canais, constrói-se gradeamento com espaçamento de 10 a 15 cm. Quando necessário já dentro do canal, um segundo gradeamento para reter materiais menores pode ser construído, com espaçamento de (2,5 a 5 cm). -DESARENADOR – dispensado qdo comprovado que não há transp. de sólidos prejudiciais ao sistema -Para tubulações utiliza-se crivos: consiste em uma tubulação perfurada confeccionada com chapa perfurada colocadas nas extremidades da tubulação. Válvula de pé com crivo
Dispositivos de controle de entrada d’água
Objetivam regular ou vedar a entrada d’água para o sistema, principalmente por ocasião de reparos ou limpeza das caixas de areia, poços de tomada, válvulas de pé ou em tubulações. - Comportas: Dispositivos de vedação ( essencialmente é uma placa de metal movediça que desliza em sulcos).
SISTEMA ELEVATÓRIO
SUCÇÃO – BOMBA - RECALQUE -Tubulação de sucção – manter conduto cheio (escorvado) – importância da válvula de pé – sist. Auxiliar de escorvamento (destina-se a encher o conduto p/ iniciar a operação da bomba) - Conduto de sucção – mais curto possível (p/ gastar pouca energia) -Geralmente um D maior que a tub. De recalque (diminuir carga cinética de entrada) Energia ou Carga total na entrada da bomba: -Requerida (fabricante) – excedida p/ não haver cavitação; -Disponível (exist. No sist. Elevatório) deve ser maior que a requerida
CAPTAÇÃO DE ÁGUA SUBTERRÂNEA
Água subterrânea para fins de abastecimento -As vantagens do aproveitamento de água subterrânea podem ser resumidas nos seguintes pontos: * Qualidade, geralmente satisfatório, dispensando tratamento (exceto cloração) * Relativa facilidade de obtenção Possibilidade de localização de obras de captação nas proximidades das áreas de consumo •
Ocorrência de água subterrânea A avaliação é feita através de mapas geológicos e da capacidade de recarga, complementado por perfis geológicos por sondagens, fotos aéreas, etc ...
ADUÇÃO
ADUÇÃO A adução destina-se a conduzir água desde a captação até a rede distribuidora da comunidade a ser abastecida. No caso de água naturalmente potável, que não será necessário tratamento, pode-se constituir de uma única adutora. Nos casos em que o tratamento é necessário, a adução divide-se em adução de água bruta e adução de água tratada. As adutoras interligam tomadas d’água, ETA’s e reservatórios
CLASSIFICAÇÃO DAS ADUTORAS QUANTO À NATUREZA DA ÁGUA TRANSPORTADA:
- Adutoras de água bruta. - Adutoras de água tratada. QUANTO À ENERGIA PARA A MOVIMENTAÇÃO DA ÁGUA: (função das caract. Topog.)
- Adutoras por gravidade conduto livre conduto forçado - Adutoras por recalque - Adutoras mistas * Material das adutoras – não devem alterar a qualidade da água, rugosidade, suportar a pressão e ser economicamente viável
ADUTORAS POR GRAVIDADE Adutoras em conduto livre: O escoamento é feito por gravidade, à pressão atmosférica. O dimensionamento considera o perfil retilíneo, com perda de carga unitária equivalente á declividade de fundo adotada. O traçado em planta pode prever aquedutos ou tuneis para diminuir as distâncias já que o traçado deverá acompanhar a topografia de nível no seu sentido longitudinal. Linha piezométrica coincide com nível de água no conduto. (canal reto – fazer cortes e pontes no terreno). Canais, galerias, tuneis, tubulações ou pequenos canais (qdo for coberto – líquido não preenche totalmente a seção!) Admita-se escoamento a céu aberto somente no caso de adução de água bruta, tendo em vista os inconvenientes prováveis de contaminação ao longo do percurso.
ADUTORAS POR GRAVIDADE Adutoras por gravidade em conduto forçado: O escoamento processa-se em pressão superior a atmosférica, confinado em tubulações ou canalizações. Canalização sempre cheia (seção plena) e conduto fechado. A energia necessária ao escoamento deve-se à diferença de nível entre o ponto de montante e jusante, onde a linha piezométrica coincide com a linha definida pelo nível de montante menos a perda de carga do conduto em cada ponto. Canalização não pode ficar acima da linha piezométrica (pressão negativa) O traçado da adutora acompanha a topografia do terreno, podendo em planta ser uma linha reta. Em geral as adutoras tem traçado de planta definidas em função das facilidades de acesso e tipo de terreno. VENTOSAS – REGISTRO DE PARADA – REGISTRO DE DESCARGA
ADUTORAS POR RECALQUE Conduzem água geralmente para um local mais elevado ou local que cujo desnível (carga) com relação á tomada da adutora seja pequena e não seja suficiente para promover o escoamento com a vazão requerida. Nestes casos, a energia (ou carga) é fornecida ao líquido por meio das estações elevatórias (bombas). O escoamento na tubulação se dá com pressão superior á atmosférica. VÁLVULAS DE RETENÇÃO – APARELHOS ANTI GOLPE DE ARÍETE
ADUTORAS POR RECALQUE Adutoras mistas: Constitui-se de trecho com adutora em escoamento por recalque e outro com escoamento por gravidade, ou vice – versa. São construídas de acordo com a topografia do terreno.
TIPOS DE ADUTORAS NOS SISTEMAS DE ABASTECIMENTO Adutoras em série: É composta de um conduto seguido de outro com seção de escoamento diferente, de modo geral duas tubulações de diâmetros diferentes. Ex: diminuição da vel.
Adutoras em Paralelo: É integrada por condutos situados um ao lado do outro, geralmente duas ou mais tubulações. Ex: Quando a cidade ainda não dispõe de sistema de abastecimento de água, as adutoras projetadas poderão possuir, ao invés de um, dois condutos paralelos, dos quais apenas um para ser instalado na primeira etapa do projeto. Os dois condutos são dimensionados para dar em conjunto a vazão final Q, geralmente cada um a vazão Q/2.
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS POR GRAVIDADE - EM CONDUTOS LIVRE Vazão de dimensionamento deve atender a demanda média do dia de maior consumo (k1 = 1,2) e hora de maior consumo (k2 = 1,5) – caso não exista reservatório! Com reservatório – deve atender a demanda do dia de mair consumo (k1) A vazão em um conduto é dada pela equação da continuidade dos fluídos: Q = A . V
Q = Vazão A = Área V = Velocidade
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS POR GRAVIDADE - EM CONDUTOS LIVRE As dimensões do conduto deverá ser determinada utilizando-se as equações do movimento uniforme de hidráulica tais como Manning, Bazin, Chezy, etc. Também deve-se levar em consideração as velocidades máximas (função do revest. Do canal) para que não ocorra erosão e prejudique o escoamento e em relação as velocidades mínimas (v> 0,3m/s) para que não ocorra decomposição de sedimentos. (alteram seção da adutora!)
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS POR GRAVIDADE
Equação de Manning Q = Vazão (m³/s) S e Rh dependem da geometria n = Coeficiente de Manning da seção e da profundidade resultante S = Seção molhada (m²) Rh = Raio Hidráulico (m) I = Declividade da linha de energia (m/m)
Rh = Seção molhada/perímetro molhado
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS POR GRAVIDADE -Seção molhada ou Área molhada: é a área da seção de escoamento -Perímetro molhado: é a linha que limita a seção molhada junto as paredes e ao fundo do conduto ( não abrange a superfície do líquido) - Raio Hidráulico: é a razão entre a Seção molhada e o perímetro molhado
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS E CONDUTOS LIVRES FORMAS DOS CONDUTOS: - Secção retangular: São mais utilizadas quando utiliza-se concreto ou o terreno é rochoso e permite a construção de paredes laterais verticais sem revestimento. Seção máxima eficiência (mínimo custo) = base tem o dobro da altura útil do canal
- Secção Trapezoidal: São as mais comuns em canais escavados com ou sem revestimento, sendo a declividade das laterais função da estabilidade proporcionada aos taludes pelo tipo de solo. Seção máxima eficiência (mínimo custo) = base maior duas vezes o valor do lado molhado (talude).
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS POR GRAVIDADE - EM CONDUTOS FORÇADOS: Para o seu dimensionamento, parte-se dos condicionantes iniciais do projeto: vazão a ser aduzida (Q) e diferença de nível (h) entre as extremidades de montante e jusante da adutora. *Cuidar velocidades = condutos livres A diferença (h) corresponde à perda de carga total do escoamento, e é a soma das perdas de carga localizadas e perdas linear. Calcula-se então a perda de carga unitária (linear) da tubulação:
J = Hf / L
J = Perda de carga unitária Hf = é a perda de carga linear L = é a extensão da tubulação
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS POR GRAVIDADE -EM CONDUTOS FORÇADOS: Após conhecida a perda de carga unitária e conhecendo o material da tubulação, pode-se determinar o diâmetro por meio das fórmulas de escoamento em condutos forçados. A mais utilizada é a equação de Hazen e Willians.
Q
0,2785CD
2, 63
J 0,54
Q = Vazão C = Coeficiente de rugosidade do material (tabela) D = diâmetro J = Perda de carga unitária
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS POR GRAVIDADE - EM CONDUTOS FORÇADOS:
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS POR RECALQUE INCÓGNITAS: Diâmetro da adutora (limitado pela velocidade) (D) Potência de conj. Elevatório (P) Diâmetro muito pequeno – vel , perda de carga , potência Diâmetro muito grande – custo * Existe um conjunto de P e N que conduzem ao mínimo custo Determina-se um diâmetro D e a potência P necessária na bomba para vencer o desnível Hg + a perda de carga no conduto com o diâmetro D (formula de Hazen – Wilhians)
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS POR RECALQUE Para o pré dimensionamento, a fórmula de Bresse fornece o diâmetro bem próximo daquele que indicará o menor custo:
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS POR RECALQUE O procedimento para a escolha do diâmetro mais econômico segue o roteiro a seguir: a) Escolhe-se 3 à 4 diâmetros comerciais com valores próximos ao obtido pela formula de Bresse. b) Determina-se as alturas manométricas da bombas para cada caso com os diâmetros escolhidos (soma desnível geométrico com todas as perdas de carga) c) Para cada diâmetro escolhido calcular as potências das bombas em função da vazão e altura manométrica.
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS POR RECALQUE
d) Calcula-se os consumos anuais de energia elétrica para cada caso em função da potência do equipamento. e) Determina-se os custos anuais de amortização e juros do capital a ser aplicado em cada alternativa (aquisição do material)
DIMENSIONAMENTO DE ADUTORAS POR RECALQUE f) Determina-se os custos anuais de operação (principalmente consumo de energia elétrica) g) Somam-se os custos obtidos nos itens e) e f) e verifica-se qual a alternativa que tem os menores custos.
CONEXÕES ESPECIAIS E ORGÃOS ACESSÓRIOS As principais conexões utilizadas são: Luvas, curvas e tês. Os tês são utilizados quando há derivação para uma subadutora. Válvulas ou registro de paradas: Destinam-se a impedir o escoamento na tubulação. Normalmente é previsto um registro no início da adutora. Ao longo da extensão da mesma, é conveniente a colocação de outros registros, com a finalidade: - Facilitar as operações de esvaziamento e enchimento. - Regular a vazão na operação de enchimento para evitar golpes de Ariete. - Impedir a maior perda de água por ocasião de reparo. Os locais adequados de colocação dos registros são os pontos mais elevados, onde a pressão é menor, tornando a manobra mais fácil.
CONEXÕES ESPECIAIS E ORGÃOS ACESSÓRIOS Golpe de Arite: variações de pressão decorrentes de variações da vazão, causadas por alguma perturbação, voluntária ou involuntária, que se imponha ao fluxo de líquidos em condutos, tais como operações de abertura ou fechamento de válvulas, falhas mecânicas de dispositivos de proteção e controle, parada de turbinas hidráulicas e ainda de bombas causadas por queda de energia no motor, havendo, no entanto, outros tipos de causas.
CONEXÕES ESPECIAIS E ORGÃOS ACESSÓRIOS Válvulas ou registros de descarga: São colocados no pontos baixos das adutoras, para permitir a saída d’água da mesma sempre que necessário, através de uma derivação, que deverá ter diâmetro não inferior a 1/6 do diâmetro da adutora (geralmente = ½ do D da adutora). São conectados á tubulação através de um T com flange, para garantir que fiquem bem solidários à tubulação.
CONEXÕES ESPECIAIS E ORGÃOS ACESSÓRIOS Válvulas redutoras de pressão: São dispositivos previstos em adutoras por gravidade, destinadas a permitir uma redução de pressão interna na linha a partir do ponto de colocação. Ventosas: Destinadas, a permitir a expulsão de ar de tubulação durante o enchimento ou ar que normalmente se acumula nos pontos elevados. São colocados nos pontos mais elevados da tubulação. Quando a adutora está sendo esvaziada, permitem a entrada de ar, evitando que a pressão interna na tubulação apresente danos negativos.
CONEXÕES ESPECIAIS E ORGÃOS ACESSÓRIOS
Válvulas de retenção: São colocadas no início da tubulação por recalque, logo após a saída das bombas, com a finalidade de evitar que a água retorne bruscamente contra as bombas, quando há paralisação por falta de energia elétrica ou por outro motivo. Devem ser robustos e bem ancorados para serem capazes de absorver o golpe de Ariete oriundo da paralisação brusca.
NBR’s para Saneamento Básico Norma Número
Ano
NBR
12211
1992
NBR NBR
12215 12213
1992 1992
NBR NBR NBR NBR
12216 12212 12217 12214
1992 1992 1994 1992
NBR NBR
12218 9800
1994 1987
NBR NBR
7968 9648
1986
NBR NBR NBR
9814 9649 12209
NBR NBR
12208 12207
1987 1986
Assunto
Estudo de concepção de sistemas de abastecimento de água Projeto de adutoras Projeto de sistemas de captação superficial de águas para abastecimento Projeto de estações de tratamento de água Poços de captação de água subterrâneas Reservatórios para abastecimento de água Estações de bombeamento de água para abastecimento Projeto de redes de abastecimento de água Critérios para lançamento de águas residuárias industriais em coletores públicos Sobre diâmetros nominais de condutos Estudo de concepção de sistemas de esgotos sanitários Execução de redes de esgotos Projeto de redes de esgoto Projeto de estações de tratamento de esgotos domésticos Estações elevatórias de esgoto Projeto de interceptores de esgotos
Nº de Páginas 14
8 5 19 5 4 15 4 5
8 28 10
10
EXERCÍCIOS Dimensionamento Caixa de areia 1. Dimensionar a caixa de areia de uma tomada d’água com uma vazão máxima de 0,5m³/s . Após análise granulométrica do material em suspensão na água, determinou-se o diâmetro máximo das partículas de areia em 0,6mm.
EXERCÍCIOS Dimensionamento adutoras por gravidade: conduto forçado 2. Em um sistema de abastecimento de água uma adutora interliga 2 reservatórios conforme o esquema, distanciados entre si de 4820m. Deverá transportar uma vazão de 150 L/s. Com isso determine: - O diâmetro da adutora - A vazão máxima a ser veiculada e a sua velocidade A adutora é revestida de cimento amianto. - Utilizar a equação de Hazen Willians, desprezando as perdas de carga localizadas.
EXERCÍCIOS