Longitudinal distribution of extreme pressures in a hydraulic jump downstream of a stepped spillway

Abstract

The overflow system of a dam safely controls the water level of a reservoir. The design of these structures should predict the damage caused by the action of the turbulent flow to which they are subject to. The combination formed by a stepped spillway followed by a stilling basin promotes a considerable portion of the energy dissipation in the actual chute of the stepped spillway but it is not sufficient to completely avoid the risk of damaging the basin. In this paper, we analyze the longitudinal distribution of extreme pressures in a stilling basin downstream of a stepped spillway. The study was based on the instant pressure data from the tests carried out in a physical model in the Laboratório de Obras Hidráulicas in IPH/UFRGS. Thus, it was found that the pressure behavior is similar to that observed in studies involving smooth chute spillways, except in the area surrounding the base of the stepped spillway, where high pressure fluctuations may occur. This happens as a result of the impact caused by the flow in the dissipation structure, which is not observed downstream of smooth chute spillways due to the existence of a vertical concordance curve between the spillway and the stilling basin.

O sistema extravasor de uma barragem controla o nível d’água do reservatório com segurança. O projeto dessas estruturas deve prever os danos causados pela ação do escoamento turbulento a que está sujeito. A composição formada por vertedouro em degraus seguido por bacia de dissipação promove uma parte considerável da dissipação de energia na própria calha do vertedouro em degraus, mas não evita completamente o risco de danos na bacia. Neste trabalho, analisa-se a distribuição longitudinal das pressões extremas em uma bacia de dissipação a jusante de um vertedouro em degraus. O estudo foi realizado com base nos dados de pressões instantâneas obtidos em um modelo físico no Laboratório de Obras Hidráulicas do IPH/UFRGS. Assim, verificou-se um comportamento semelhante das pressões ao observado em estudos com vertedouros de calha lisa, exceto pela região junto ao pé do vertedouro em degraus, onde podem ocorrer grandes flutuações de pressões. O fato decorre do impacto do escoamento na estrutura de dissipação que não é observado a jusante de vertedouros de calha lisa devido à presença de uma curva de concordância vertical entre o vertedouro e a bacia de dissipação.