Análise experimental em modelo físico de estruturas hidráulicas de remoção de sedimentos em barragens : descarregadores de fundo

Abstract

Descarregadores de fundo são estruturas hidráulicas presentes em um grande número de barragens de pequeno e médio porte, essenciais para a remoção de sedimentos nestes empreendimentos. Eles são incorporados ao paramento de montante e na porção inferior do volume útil dos reservatórios com o objetivo de aumentar a capacidade de armazenamento de água e a vida útil do empreendimento em questão. O funcionamento dos descarregadores de fundo ocorre através da remoção do sedimento por meio da capacidade de arraste do escoamento, sendo o fenômeno de assoreamento, oriundo de atividades antrópicas e naturais das bacias hidrográficas, um processo gradativo e inerente aos diferentes aproveitamentos de reservação de água. Em diversos locais do mundo, em função de sua importância, estão sendo desenvolvidas diferentes metodologias de análise dimensional e estimativa do cone de remoção de sedimentos depositados em reservatórios considerando a eficiência limitada das estruturas de descarga de fundo. Desta forma, o presente trabalho visa contribuir para a caracterização experimental do comportamento hidrodinâmico dos descarregadores de fundo e seus principais parâmetros hidráulicos e sedimentológicos que favorecem a remoção de sedimentos de fundo, não consolidados. Foram utilizados três modelos físico-experimentais distintos com diferentes características de diâmetro definidas aos descarregadores, vazões de ensaio e carga hidráulica sobre essas estruturas, tendo sido avaliadas as novas conformações de fundo em 4 (quatro) diferentes tipos de materiais: areia, borracha processada, carvão Cardiff e carvão CATA. Através dos perfis batimétricos, formados após o acionamento das estruturas de remoção, foram desenvolvidos novos parâmetros adimensionais que estimam o alcance e a largura máxima do cone de remoção representativo do processo de desassoreamento dos reservatórios em condições de Pressure Flushing. Além disso, foram verificadas as estimativas definidas em literatura por Meshkati et al. (2010a) e (2010b), Meshkati et al. (2010) apud Emamgholizadeh et al. (2013), Fathi-Moghadam et al. (2010) e Emamgholizadeh e Fathi-Moghadam (2014), para as dimensões máximas do cone de remoção, bem como o volume máximo de sedimentos removidos. Os adimensionais de estimativa de cota (Π𝑍), comprimento (Π𝐿𝑠𝑠𝑚á𝑥.) e largura (Π𝑊𝑠𝑠𝑚á𝑥.) máximos apresentaram boas correlações quando aplicados aos resultados obtidos dos ensaios realizados nos 3 (três) modelos analisados, dentro da dispersão usualmente verificada em estudos de sedimentos, sendo as características das partículas um dos mais importantes parâmetros para a futura aplicabilidade dos adimensionais em escala de protótipo.

Bottom outlets are hydraulic structures present in a large number of small and medium size dams, essential for sediment removal in these enterprises. They are incorporated to the upstream facing and in the lower portion of the useful volume of the reservoirs in order to increase the water storage capacity and the useful life of the enterprise in question. The operation of the bottom outlets occurs through the removal of sediment by the dragging capacity of the flow, being the phenomenon of silting, originating from anthropic and natural activities of the hydrographic basins, a gradual process inherent to the different uses of water reservation. In several places around the world, due to its importance, are being developed different methodologies of dimensional analysis and estimation of the cone of sediment removal deposited in reservoirs considering the limited efficiency of the bottom outlet structures. In this way, the present work aims to experimentally identify the hydrodynamic behavior of the bottom outlets and their main hydraulic and sedimentological parameters that favor the removal of unconsolidated bottom sediments. Three distinctive physical-experimental models were used with different geometry characteristics proposed for the dischargers, assay flows and hydraulic load under these structures, having been evaluated the new bottom conformations in 4 (four) different types of materials: sand, processed rubber, Cardiff coal and CATA coal. Through the bathymetric profiles, extracted after the activation of the removal structures, new dimensionless parameters were developed that estimate the reach and maximum width of the removal cone representative of the desilting process of the reservoirs under Pressure Flushing conditions. In addition, were verified the estimates defined in literature by Meshkatiet al. (2010a) and (2010b), Meshkati et al. (2010) in Emamgholizadeh et al. (2013), Fathi-Moghadam et al. (2010) and Emamgholizadeh and Fathi-Moghadam (2014), for the maximum dimensions of the removal cone, as well as the maximum volume of sediments removed. The dimensionless of estimate depth (Π𝑍), length (Π𝐿𝑠𝑠𝑚á𝑥.) and width (Π𝑊𝑠𝑠𝑚á𝑥.) maximum presented good correlations when applied to the results obtained from the essays performed in the 3 (three) models analyzed, within the dispersion usually verified in sediment studies, being the characteristics of the particles one of the most important parameters for the future applicability of the dimensionless in scale of prototype.