RESUMO

ABSTRACT The hydrodynamic conditions to which hydraulic structures such as spillways and stilling basins of dams are submitted under given conditions favor the occurrence of cavitation, damaging the concrete surfaces. This damage may be intensified by the cumulative effect of the successive hydrologic events that characterize the operational regime of these structures. Thus, the purpose of the present article is to identify the propensity for damage caused by cavitation by using SpillwayPro software to estimate the hydraulic parameters of flow (mean velocities and cavitation indices) based on information on smooth chute spillways at the Furnas, Luiz Carlos Barreto de Carvalho and Batalha hydroelectric power plants. The results shown were compared to the critical limits of cavitation defined in the literature on photographic records of inspections performed in the field. The highest mean velocities estimated coincided with the zones where the worst potential damage of the structures was identified. Nevertheless, most of the cavitation indices obtained did not present results similar to the limits presented by different authors, and thus do not favor the indication of cavitation risks due to this parameter in the spillways examined. surfaces Thus Furnas plants field identified Nevertheless authors examined

RESUMO Vertedouros em degraus têm sua operação limitada a faixas de vazões devido ao risco de ocorrência do fenômeno de cavitação e erosão em seus degraus. Como há demanda por vertedouros com possibilidade de extravasamento de maiores vazões, procura-se aumentar a concentração de ar do escoamento, que pode ocorrer através da instalação de pilares no vertedouro, para assim proteger a estrutura contra os referidos danos. O objetivo deste trabalho é avaliar as características do escoamento e as pressões extremas mínimas e máximas com probabilidade de 0,1% e 99,9% de não-excedência, atuantes nas quinas dos degraus do vertedouro com aeração induzida por pilares, através da análise experimental em um modelo físico. Baseado nos resultados obtidos foi definido o comportamento do escoamento e foram propostas equações de previsão das pressões extremas que ocorrem ao longo do vertedouro em degraus com aeração induzida por pilares.

ABSTRACT The operation of stepped spillways is limited by a range of discharges due to the risk of occurrence of the cavitation phenomenon and erosion on its steps. Since there is a demand for spillways with the possibility of overflow of greater discharges, the designs seek to increase the air concentration of the flow, which can occur through the installation of piers in the spillway in order to protect the structure from the above mentioned damage. The aim of this work is to analyze flow characteristics and extreme minimum and maximum pressures with non-exceedance probability of 0.1% and 99.9% acting next to the step edges of the spillway with aeration induced by piers through an experimental analysis in a physical model. Based on the results obtained, flow behavior was defined and equations for predicting the extreme pressures that occur along the stepped spillway with aeration induced by piers were proposed.

RESUMO Vertedouros em degraus dissipam uma grande quantidade de energia durante a passagem do escoamento pela calha, porém essas estruturas tem sua operação limitada devido a riscos de danos por cavitação. A aeração induzida pode agir protegendo a calha de concreto através da concentração de ar próximo ao fundo do canal. Além disso, algumas pesquisas têm indicado que a presença de ar em escoamentos pode reduzir as pressões médias. A presente pesquisa tem por objetivo analisar as pressões médias, coeficiente de entrada de ar e o comportamento do escoamento sobre uma calha em degraus com dois diferentes defletores, comparando os resultados com um escoamento com aeração natural. Além da influência no ponto de impacto do jato, a aeração induzida não alterou, significantemente, as pressões medias em relação a um escoamento com aeração natural. O coeficiente de entrada de ar, assim como a posição de impacto do jato, é maior para o defletor mais extenso e, embora bolhas de ar possam ser identificadas ao longo de toda a extensão da calha, devido à entrada de ar através da superfície inferior do escoamento, a aeração induzida não antecipou a posição de afloramento da camada limite.

ABSTRACT Stepped spillways can dissipate a great amount of energy during the flow passage over the chute, however these structures have limited operation due to the risk of cavitation damage. The induced aeration may protect the concrete chute through the air concentration near the channel bottom. Furthermore, some research studies have indicated that the presence of air in flows may reduce the mean pressures. The present research aims to analyze mean pressures, air entrainment coefficient and flow behavior over a stepped spillway with aeration induced by two different deflectors, comparing the results to natural aeration flow. Despite the jet impact influence, the induced aeration does not change significantly the mean pressures compared to natural aeration flow. The air entrainment coefficient, as well as the jet impact position, is higher for the deflector with the longer extension and, although air bubbles can be seen throughout the extension of the chute due to the air entrainment through the inferior flow surface, the induced aeration did not anticipate the boundary layer inception point position.

RESUMO Devido à possibilidade de danos em decorrência do fenômeno da cavitação, o projeto de vertedouros em degraus considera vazões específicas máximas de 15 a 30 m2/s, limite consideravelmente inferior ao praticado em calhas lisas. Aeradores promovem a inserção de ar no escoamento e podem viabilizar o incremento das vazões específicas. Este trabalho analisa as pressões sobre as faces verticais dos degraus e o coeficiente de entrada de ar no escoamento, através de estudo experimental em modelo físico de calha em degraus com ângulo de 53,13o, considerando a instalação de aerador em diferentes posições na calha. Comparando-se os resultados com a aeração natural, conclui-se que a instalação do aerador não altera a magnitude das pressões extremas mínimas na estrutura, mas antecipa o início da aeração no escoamento. Propõe-se nova equação para estimativa do coeficiente de entrada de ar no escoamento, bem como metodologia para previsão de pressões extremas nas faces verticais dos degraus, válidas no intervalo 3,0 ≤ Fr ≤ 6,0.

ABSTRACT The possibility of damage due to the phenomenon of cavitation leads the design of stepped spillways considering maximum specific discharges of 15 to 30 m2/s, a limit considerably lower than that practiced on smooth chutes. Aerators promote the insertion of air in the flow, allowing for the increase of specific flow rates. This work analyzes the pressures on the vertical faces of the steps and the air entrainment coefficient in the flow, through an experimental study in a physical model with a stepped chute angle of 53.13o, considering the installation of aerators in different places of the channel. Comparing the tested conditions with the natural aeration, it is concluded that the installation of the aerator does not change the magnitude of the minimum extreme hydrodynamic pressures, but anticipates the beginning of the flow aeration. A new equation is proposed to estimate the air entrainment coefficient, as well as a methodology for forecasting extreme pressures on the vertical faces of the steps, both valid in the range 3.0 ≤ Fr ≤ 6.0.

Resumo O objetivo deste estudo foi relacionar as tendências de aumento e/ou decréscimo em séries temporais de precipitação na metade norte do estado do Rio Grande do Sul, Brasil, com as fases do ENOS. Foram utilizadas séries temporais de dados pluviométricos de oito estações meteorológicas. Os dados de precipitação total anual foram previamente analisados e suas falhas preenchidas. Em seguida, foram plotados em forma de gráfico, juntamente com a média e a regressão linear. As séries pluviométricas também foram analisadas no software TREND, aplicando os testes estatísticos não paramétricos Mann-Kendall e Spearman’s rho. Os testes identificaram alterações na tendência de 50% das estações analisadas, corroborando com os resultados encontrados por meio de gráficos. O aumento da precipitação total anual nas séries temporais pode estar relacionado com os períodos de El Niño e La Niña. Entretanto, estudos mais específicos devem ser realizados para confirmar essa hipótese, uma vez que a variabilidade de precipitação também pode estar relacionada com alterações hidrológicas, em função do uso e ocupação do solo, e com atividades antrópicas na região norte do Estado.

Abstract The aim of this paper is relating trends of increasing and/or decreasing on precipitation time series in the north part of Rio Grande do Sul state, Brazil, with ENOS phases. To do so, time series of rainfall data from eight meteorological stations were used. The annual total precipitation data were previously analyzed and their gaps were filled. Then, they were plotted in charts, as well as the average data and the linear regression. Pluviometrical series were also analyzed using the software TREND, applying the following non-parametrical statistical tests: Man-Kendall and Spearman’s rho. Tests identified changes on trends in 50% of the analyzed stations, corroborating with results found in charts. Increase of the annual total precipitation in temporal series may be related with El Niño and La Niña periods. However, more specific studies should be performed in order to confirm this hypothesis, since rainfall variability may also be related with hydrological changes, as a result of use and occupation of the soil as well as anthropic activities in the north part of the state.

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 O ressalto hidráulico é um fenômeno muito utilizado para dissipar energia a jusante de estruturas hidráulicas em virtude das suas características bifásicas e macroturbulentas, associadas a intensas flutuações de pressão, velocidade e nível. Estas variações bruscas de flutuação de pressão podem causar danos nas bacias de dissipação por ressalto hidráulico, tais como: erosão decorrente de cavitação, sobrelevação das lajes de fundo. Portanto o conhecimento do comportamento das flutuações de pressões ao longo do ressalto hidráulico é fundamental para a busca de soluções seguras e econômicas. Este trabalho tem por objetivo identificar e predizer as características das flutuações de pressões junto ao fundo de uma bacia de dissipação, a partir de uma abordagem que considera o ressalto hidráulico como uma composição de efeitos hidráulicos identificados individualmente com distintas condições de escoamento. Para isso, foi realizado o monitoramento e análise das distribuições de pressão em termos médios, suas flutuações e seu valores extremos junto aos contornos sólidos. A abordagem se mostrou eficaz para a compreensão do fenômeno permitindo a estimativa de valores para as diferentes condições de contorno.

ABSTRACT Hydraulic jump is a phenomenon largely used to dissipate energy downstream of hydraulic structures due to their biphasic and macroturbulent characteristics, associated with intense pressure, velocity and level fluctuations. These sudden pressure variations can cause damage to stilling basins, such as: cavitation erosion and superelevation of the floor slabs. Therefore, it is essential to know the behavior of pressure fluctuations along the hydraulic jump to look for safe and economic solutions. This work aims to identify and predict the characteristics of pressure fluctuations, at the bottom of the stilling basin, considering the hydraulic jump as a sum of hydraulic effects individually identified with distinct flow conditions. To do so, the pressure distribution was monitored and analyzed on average terms, and its fluctuations and extreme values along the solid outlines. The approach proved effective for the compression of the phenomena allowing the estimation of values for different outline conditions.