Vertedouros com pilares alargados e bacia de dissipação : avaliação do potencial erosivo e comprimento da bacia com modelo hidráulico reduzido

Abstract

Resumo: Em usinas hidrelétricas, os vertedouros têm a função de escoar a vazão excedente do reservatório com segurança, porém esse fluxo efluente possui cargas elevadas de energia cinética que podem provocar severas erosões no leito a jusante das estruturas. Por isso, vertedouros estão sempre associados a outras estruturas terminais para diminuir os níveis de energia cinética do escoamento e assim mesmo, ainda podem ocorrer erosões no leito do rio. A fim de aumentar a dissipação de energia e minimizar o poder erosivo do escoamento, projetistas chineses desenvolveram, na década de 1980, um tipo de pilar de vertedouro que melhora a dissipação de energia. Esse tipo de pilar foi denominado flaring piers. Os flaring piers, ou pilares alargados, caracterizam-se por um alargamento transversal no sentido do escoamento dos pilares do vertedouro. Esta dissertação de mestrado tem por finalidade avaliar o desempenho hidráulico de vertedouros de pilares alargados com bacia de dissipação em questões de potencial erosivo do escoamento, baseando-se na hipótese de que a associação de pilares alargados e vertedouros com bacia pode diminuir volumes e profundidades de erosão do leito a jusante das estruturas, em comparação com vertedouro de pilares retos (convencionais). A metodologia empregada foi a execução de oito ensaios em modelo hidráulico reduzido de um vertedouro com bacia de dissipação com pilares retos e com pilares alargados, em escala de 1:50. Foram estudadas quatro bacias de dissipação com diferentes comprimentos. Para a avaliação do potencial erosivo do escoamento, os ensaios foram realizados com fundo em material móvel erodível. O fundo móvel foi composto com material granular de diâmetro médio de 11,0 mm - 0,56 m no protótipo. Notou-se que a adição de pilares alargados em vertedouros com bacia de dissipação, pode diminuir o comprimento do rolo superficial do ressalto hodráulico comparado com vertedouro de pilares retos. Com relação às erosões, observaram-se menores profundidades e volumes de erosões nos ensaios com vertedouro de pilares alargados, comparados com os ensaios de pilares retos e mesma bacia de dissipação. As profundidades e volumes de erosão observados no ensaio com vertedouro de pilares retos e bacia de dissipação de comprimento igual a 88,0 m foram equivalentes ao observado no ensaio com vertedouro de pilares alargados e bacia de dissipação de comprimento igual a 54 m, ou seja, com pilares alargados, obteve-se equivalência de erosões com uma bacia de dissipação com comprimento 38,6% menor do que com pilares convencionais. O modelo reduzido faz parte do projeto de P&D Aneel 6491-0369/2015 "Desenvolvimento de critérios para dimensionamento de bacias de dissipação de energia com o uso de flaring piers utilizando modelo hidráulico reduzido".

Abstract: In hydroelectric plants, the spillways have the function of discharge the excess flow of the reservoir safely, but the effluent flow of spillways has high loads of kinetic energy that can cause critical scours in the river bed downstream the structures. For this reason, spillways always are associated with other terminal structures to decrease of kinetic energy. Even with this association, downstream river bed erosion can still occur. In order to increase the dissipation of hydraulic energy and lower the erosive power in the effluent jets from spillways, Chinese designers developed, in the eighties, a type of spillways piers that widens their width in the direction of flow. In this context, this dissertation aims to evaluate erosions downstream of spillways with stilling basins using flaring piers and convencional piers, with the hypothesis that use of flaring pier associated with spillways with stilling basins can lower volumes and depths of erosion of downstream bed in comparation with spillways with conventional piers. Eight tests were carried out in a hydraulic model of a spillway with comparing conventional and flaring piers, at 1:50 scale. Four lenght of stilling basins were tested. The scour study was carried out with the bed of the model in granular movable material. The mean diameter of grain was 11 mm, which represented 0,56 m in the prototype. As results, the use of flaring piers in spillway with stilling basin decrease the length of the surface roller of the hydraulic jump compared to spillway with convenional piers. The erosion depths and volumes results smaller in the spillway with flaring piers, compared to the tests of conventional piers at same lenght of stilling basin. The depths and volumes of scours observed in the test of the spillway with conventional piers and stilling basin of 88,0 m in length were equivalent to those observed in the spillway test with flaring piers and a stilling basin of 54 m in length, i.e. in spillway with flaring piers, the length of the basin can be reduced by 38,6% with equal erosion depth and volume that observed with spillway with conventional piers. The scale reduced hydraulic model is part of the R&D project Aneel 6491-0369/2015 "Development of design criteria of stilling basins with flaring piers using scale reduced hydraulic model".