RESUMO Vertedouros em degraus têm por objetivo dissipar, ao longo da calha, uma parcela da energia do escoamento. No entanto, a utilização dessas estruturas está limitada a uma restrita faixa de vazões específicas devido aos riscos de cavitação e erosão. Como a introdução de ar no escoamento permite a proteção do concreto contra os danos mencionados, uma possível solução por aeradores instalados ao longo da calha, já difundida para calhas lisas, está sendo estudada para ser utilizada também em vertedouros em degraus. A presente pesquisa tem o propósito de caracterizar um escoamento sobre vertedouros em degraus com aeração induzida por defletor e fornecimento de ar por uma câmara de ar através de ensaios realizados em um modelo físico reduzido. São apresentadas zonas e posições características do escoamento observadas durante os ensaios e também, quatro equações que permitem calcular, aproximadamente, a sua localização em um protótipo.

ABSTRACT Stepped spillways aim to dissipate part of the upstream energy during the flow passage by the chute. However, the use of these structures is limited to a restrict range of specific discharges due to the risk of cavitation damage. As the air entrainment into the flow assists the concrete protection against the aforementioned damages, a possible solution by aerators installed along the chute, already disseminated to smooth chutes, is being studied to be used also in stepped spillways. The purpose of the present paper is to characterize a flow over a stepped chute with induced aeration by deflector and air supply by an airtight chamber trough tests conducted on a reduced scale physical model. The main regions observed during the tests are presented and were developed four equations that allow to approximately predict the location of the main regions for a given spillway.

RESUMO O vertedouro tipo salto esqui está presente em grandes barragens brasileiras. Após a operação desse tipo de vertedouro se origina uma fossa de erosão a jusante, que complementa o sistema de dissipação de energia, pois o jato é amortecido pelo colchão d’água. À medida que a escavação da fossa de erosão evolui, sua forma se altera, havendo a indução de diferentes comportamentos do fluxo do jato no interior do colchão d’água. A importância deste estudo científico se dá em virtude das fossas a jusante de vertedouros salto esqui estarem em constante transformação, o que pode ocasionar mudanças nos padrões de pressões dinâmicas causadas no fundo. Erosões imprevistas podem provocar a instabilidade dos taludes da fossa, comprometendo a fundação da barragem. Neste trabalho, foram realizados experimentos físicos, por modelagem seccional (2D), em dois modelos reduzidos de escalas 1:50 e 1:100, considerando dois estágios de profundidade de erosão em fundo sólido (fixo). Com isso, analisou-se o local de impacto do fluxo do jato sobre o leito, local este que possui a maior pressão dinâmica média. Como resultado foi possível identificar o efeito de escala no coeficiente de pressão entre os dois modelos ensaiados, o que possibilitou o ajuste de linhas de tendências que auxiliam a estimativa das pressões que ocorrem em protótipos, aumentando a segurança na operação de vertedouros salto esqui.

ABSTRACT The ski jump type spillway is present in large Brazilian dams. After the operation of this type of spillway, a scour hole is originated downstream of the spillway toe, complementing the energy dissipation system, because the jet is cushioned by the waterbed. As the excavation of the scour hole evolves, its shape changes, with the induction of different behaviors of the jet flow within the waterbed. The importance of this scientific study is due to the fact that scour holes downstream of ski jump spillways are in constant transformation, which can cause changes in the patterns of dynamic pressures caused on the bottom. Unexpected erosions can cause instability in the submerged slopes of the pit, jeopardizing the foundation of the dam. In this work it was proceeded physical experiments, by sectional modeling (2D), in two reduced models of 1:50 and 1:100 scales, considering two stages of erosion depths in solid bottom (fixed). It was analyzed the impact site of the jet flow on the bottom, which has the major mean dynamic pressure. As result, it was possible to identify the scale effect in the pressure coefficient between the two models tested, which allowed the adjustment of trend lines that aid to estimate the pressures that occur in prototypes, increasing safety in operation of ski jump spillways.

RESUMO Vertedouros em degraus vem sendo muito utilizados para escoamento de cheias devido às suas vantagens construtivas e em relação à dissipação de energia durante a queda, possibilitando que as estruturas de dissipação a jusante possam ser projetadas em menores dimensões. Devido a necessidade de estudos mais aprofundados sobre a ação do escoamento na calha de vertedouros em degraus e a análise dos adimensionais utilizados para caracterizar a distribuição longitudinal das pressões atuantes nas faces dos degraus de um vertedouro, o presente estudo objetiva a caracterização dos esforços atuantes nos degraus dos referidos vertedouros. Foram realizadas análises sobre um modelo físicos de vertedouro com declividade de 1V:0,75H e degraus de 6 centímetros de altura. Os campos de pressões nos degraus foram analisados e comparados com os resultados disponíveis na bibliografia. Como constatação geral sobre as pressões nos espelhos verificou-se que os esforços de tração e compressão têm magnitudes relativamente semelhantes, sendo mais intensas as pressões negativas. Sobre as pressões máximas nos patamares, destaca-se que os valores máximos de compressão ocorreram no final da calha, percebendo-se que as menores vazões geraram maiores valores de coeficientes de pressões.

ABSTRACT Stepped spillways have been widely used for flood runoff due to of their constructive advantages and in regards to energy dissipation during the drop, allowing downstream dissipation structures to be designed in smaller dimensions. Due to the need for further studies on the effect of runoff in the chute of the stepped spillway and the analysis of dimensionless numbers used to characterize the longitudinal distribution of the pressures acting on the faces of the steps of a spillway, this study aims to characterize the acting forces on the steps of said spillways. Analyses were performed on a physical model of spillway with a slope of 1V: 0.75H and steps with a height of 6 centimeters. The pressure fields on the steps were analyzed and compared with results found in literature. As a general finding concerning the pressure in the horizontal faces, it was ascertained that the traction and the compression loads have relatively similar magnitudes, the negative pressures being more intense. Regarding the maximum pressures at the horizontal faces of the steps, it should be emphasized that the maximum values of compression have occurred at the end of the chute and that the lower discharges yielded higher values of pressure coefficients.

RESUMO Este artigo apresenta um estudo sobre a distribuição de flutuação de pressão a jusante de dissipadores de energia hidráulica tipo concha em 12 diferentes geometrias. Foram avaliados dados resultantes de 78 ensaios, com números de Froude na entrada da estrutura (Ft) variando entre 3,2 e 7,6 e diferentes condições de tirante de água sobre a concha. A partir dos resultados dos ensaios foi possível definir as condições mínimas para garantir que a estrutura funcione de forma submersa (“roller bucket”), bem como, equações para previsão do local onde ocorre a máxima flutuação de pressão, seu valor e a estimativa da flutuação de pressão junto à saída da estrutura.

ABSTRACT This paper presents the distribution of pressure fluctuations measured downstream from 12 different clamshell-type hydraulic energy dissipators. Data were collected resulting in a battery of 78 tests with Froude numbers varying from 3.2 to 7.6 at the device inlets (Ft), under different water level conditions above the clamshell. These tests provided the basis for the analysis of the minimum conditions required to initiate a submerged flow (acting as a roller bucket device), and also to develop equations to predict where the maximum pressure fluctuation occurs, its value and estimates of the pressure fluctuation at the device outlets.