Previsão de pressões extremas em bacias de dissipação por ressalto hidráulico com baixo número de Froude

Abstract

As estruturas empregadas na dissipação da energia do escoamento em obras hidráulicas, como as bacias de dissipação por ressalto hidráulico a jusante de vertedouros de calha lisa, são fundamentais para garantir a segurança e eficiência deste tipo de construção. Sendo assim, é imprescindível o conhecimento dos esforços gerados pelo escoamento macroturbulento ao qual as estruturas são submetidas. No caso das barragens situadas em rios com grandes vazões e baixa queda, observa-se a ocorrência do ressalto hidráulico com baixo número de Froude incidente (Fr1 < 4,5), cujo conhecimento até o momento é menos abrangente quando comparado ao ressalto hidráulico com número de Froude na faixa estável (4,5 < Fr1 < 9,0), notadamente quanto aos métodos para previsão das pressões geradas pelo escoamento. Dessa forma, o objetivo desta pesquisa é verificar a aplicabilidade da metodologia de previsão de pressões proposta por Teixeira (2003), originalmente validada para o ressalto hidráulico livre com número de Froude incidente na faixa estável (4,5 < Fr1 < 9,0), à estimativa dos esforços do ressalto hidráulico com baixo número de Froude (Fr1 < 4,5). Para tanto, utilizaram-se dados de pressões instantâneas coletadas nos modelos bidimensionais do sistema extravasor da UHE Santo Antônio e da UHE São Manoel, bem como dados cedidos por outros autores. Foram analisadas as pressões extremas com probabilidades 0,1%, 1%, 5%, 10%, 90%, 95%, 99% e 99,9% da ocorrência de pressões iguais ou inferiores, além dos parâmetros estatísticos pressão média, desvio padrão e coeficiente estatístico de distribuição de probabilidades (N). A partir dos resultados obtidos, observou-se que em estruturas semelhantes ao sistema extravasor da UHE Santo Antônio, cuja baixa queda permite o desenvolvimento do ressalto hidráulico livre com número de Froude tão baixo quanto 1,70, as pressões do ressalto hidráulico livre ocorrem com comportamento distinto das pressões do ressalto hidráulico livre com número de Froude na faixa estável. Para estes casos, a metodologia estudada pode ser aplicada, porém com cautela, especialmente para a estimativa do desvio padrão das pressões. Por esta razão, buscou-se atualizar a metodologia proposta por Teixeira (2003) para melhor aplicação a estruturas semelhantes à UHE Santo Antônio através da proposição de novos ajustes para a previsão do desvio padrão das séries de pressões.

The structures employed in the energy dissipation of the water flow in hydraulic works, such hydraulic jump stilling basins downstream smooth spillways, are fundamental to ensure safety and efficiency for this kind of construction. Thus, knowledge of the efforts generated by the macroturbulent flow to which the structures are submitted is essential. In the case of dams located on high flow rates and low fall rivers, the hydraulic jump with low rapid Froud number (Fr1 < 4,5) may occur, about which knowledge is less extensive than for the hydraulic jump within the rapid Froud number stable range (4,5 < Fr1 < 9,0), particularly about water flow pressure prediction methods. Therefore, the present study was aimed at verifying the applicability of the pressure efforts forecasting methodology proposed by Teixeira (2003), originally validated for the hydraulic jump within the rapid Froud number stable range (4,5 < Fr1 < 9,0), to estimating the pressure efforts of the hydraulic jump with low rapid Froud number (Fr1 < 4,5). For this purpose, instant pressures collected in the two-dimensional models of the overflow system of Santo Antônio HPP and São Manoel HPP were used, as well as data provided by other authors. The extreme pressures with 0.1%, 1%, 5%, 10%, 90%, 95%, 99% and 99.9% of chance of occurrence of equal or lower pressures were analyzed in addition to the statistical parameters average pressure, standard deviation and statistic coefficient of probability distribution (N). From the results obtained, it was found that for a structure similar to Santo Antônio HPP’s overflow system, which the low fall enables the development of the hydraulic jumps with Froud numbers as low as 1,70, the hydraulic jump pressure efforts followed a different trend compared to the hydraulic jump within the rapid Froud number stable range. For these cases the methodology studied can be applied with caution, especially for the estimation of pressure standard deviation. For this reason, it was attempted to update the methodology proposed by Teixeira (2003) for better application to structures similar to Santo Antônio HPP by proposing a new fitting for forecasting pressure standard deviation.