RESUMO Entre as medidas de prevenção e mitigação da sedimentação em reservatórios, descarregadores de fundo se apresentam como uma forma de remover sedimentos que se depositam junto ao barramento. Dada a restrita remoção de sedimento gerada pelos descarregadores tradicionais em condições de pressure flushing, este artigo propõe uma nova configuração de descarregador de fundo que visa aumentar o alcance de remoção de sedimentos no sentido paralelo ao eixo da barragem. Foi empregada uma instalação experimental para avaliar seu funcionamento em função da variação de seu diâmetro e de características do escoamento e do sedimento. Através da análise da batimetria gerada pela estrutura, desenvolveu-se uma relação adimensional que estima o alcance de remoção de sedimento, apresentando bom ajuste aos dados experimentais.

ABSTRACT Among several techniques for prevention and mitigation of reservoir sedimentation, bottom outlets arise as a means of removing sediment deposited close to the dam. Given the reduced sediment removal provided by traditional bottom outlets under pressure flushing conditions, this article proposes a new type of structure that aims to increase sediment removal in the direction parallel to the dam axis. An experimental installation was employed to evaluate its operation as a function of the variation of its diameter and flow and sediment characteristics. Through analysis of the bathymetry generated by the structure, a dimensionless relation for predicting the scour pit length was obtained, presenting good fitness to the experimental data.

RESUMO Métodos simplificados são alternativas úteis para análise prévia dos efeitos da ruptura de barragens, podendo orientar a tomada de decisão da realização de estudos mais completos. Nesse contexto, propõe-se uma nova abordagem simplificada para análise de aspectos da ruptura de barragens de terra, cuja falha ocorre por galgamento, a partir da altura da barragem e do volume do reservatório como dados de entrada. Casos hipotéticos de ruptura foram analisados por meio de simulações hidrodinâmicas, cujos resultados permitiram desenvolver equações capazes de estimar o amortecimento da vazão de pico e o tempo de chegada da vazão máxima no vale a jusante. A abordagem proposta foi aplicada em estudo de caso hipotético (em uma barragem com 15 m de altura e 17 hm3 de volume no reservatório), obtendo-se resultados próximos dos alcançados por meio de outros metodos, especialmente na estimativa da vazão máxima no vale a jusante, onde as diferenças médias entre os resultados dos métodos considerados foram da ordem de 15%.

ABSTRACT Simplified methods are useful alternatives for prior analysis of the effects of dam rupture and can guide the decision-making process for carrying out more complete studies. In this context, a new simplified approach is presented, which enables the analysis of aspects from dam rupture of earthen dams that failed due to overtopping, considering dam height and reservoir volume as input data. Hypothetical cases were analyzed applying dam-break hydrodynamic simulations, which results allowed the development of equations capable of estimating peak flow attenuation and peak discharge arrival time along the downstream valley. The proposed approach was applied in a hypothetical case study (15 m high dam and 17 hm3 reservoir volume), obtaining results close to those achieved through other methods, especially in case of estimating the maximum discharges throughout the downstream valley, where the average differences between the results of the methods were of the order of 15%.

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 Apesar da frequência com que ressaltos hidráulicos afogados ocorrem nas estruturas de extravasamento de barragens, são poucos os estudos que abrangem este tipo de fenômeno. Sendo o ressalto hidráulico acompanhado de impactos violentos e variações bruscas de velocidade e pressão, é importante que se conheça a região em que o fenômeno incidirá, a fim possibilitar um dimensionamento seguro e econômico. Neste trabalho, é proposta uma metodologia para a determinação da posição inicial do ressalto afogado ao longo da calha de um vertedouro do tipo Creager. Verificou-se que esta posição é função do número de Froude incidente e do grau de submergência imposto.

ABSTRACT Although sloping hydraulic jumps are frequent in energy dissipators, there are few studies regarding this type of phenomenon. Since the jump is accompanied by violent impacts and sudden variations of velocity and pressure, it is important to know the region where the phenomenon will occur, in order to make a safe and economic design possible. In this paper, a methodology for the determination of the start position of the sloping jump along a Creager spillway is introduced. It was verified that this position is a function of both the incident Froude number and the submergence factor.

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 Pressões extremas no ressalto hidráulico são associadas a riscos de danos no sistema extravasor de barragens por uma série de mecanismos. Assim sendo, o entendimento e a previsão destes esforços são cruciais para o dimensionamento seguro e econômico de sistemas extravasores. Este trabalho visa validar um método existente de previsão de pressões para a estimativa de pressões extremas em ressaltos hidráulicos com baixo número de Froude (abaixo de 4,5). Os resultados indicam que o método pode ser empregado para esta situação de forma preliminar. Recomenda-se que outros estudos sejam feitos para refinar a técnica e para que resultados mais precisos sejam obtidos.

ABSTRACT Extreme pressures in the hydraulic jump are associated with risk of damage to the flow discharge system of dams by a series of mechanisms. Therefore, understanding and predicting these efforts are crucial for the safe and economical design of discharge systems. Thus, this paper aims to validate an existing pressure forecasting methodology for estimating the extreme pressure in the hydraulic jump with low Froude number (below 4.5). Results have shown that the method may be used for this situation on a preliminary basis. Further studies are recommended to refine the technique and to achieve results that are more precise.