Scale effect on mean pressures : study of two reduced models of a ski jump spillway

Abstract

The ski jump type spillway is present in large Brazilian dams. After the operation of this type of spillway, a scour hole is originated downstream of the spillway toe, complementing the energy dissipation system, because the jet is cushioned by the waterbed. As the excavation of the scour hole evolves, its shape changes, with the induction of different behaviors of the jet flow within the waterbed. The importance of this scientific study is due to the fact that scour holes downstream of ski jump spillways are in constant transformation, which can cause changes in the patterns of dynamic pressures caused on the bottom. Unexpected erosions can cause instability in the submerged slopes of the pit, jeopardizing the foundation of the dam. In this work it was proceeded physical experiments, by sectional modeling (2D), in two reduced models of 1:50 and 1:100 scales, considering two stages of erosion depths in solid bottom (fixed). It was analyzed the impact site of the jet flow on the bottom, which has the major mean dynamic pressure. As result, it was possible to identify the scale effect in the pressure coefficient between the two models tested, which allowed the adjustment of trend lines that aid to estimate the pressures that occur in prototypes, increasing safety in operation of ski jump spillways.

O vertedouro tipo salto esqui está presente em grandes barragens brasileiras. Após a operação desse tipo de vertedouro se origina uma fossa de erosão a jusante, que complementa o sistema de dissipação de energia, pois o jato é amortecido pelo colchão d’água. À medida que a escavação da fossa de erosão evolui, sua forma se altera, havendo a indução de diferentes comportamentos do fluxo do jato no interior do colchão d’água. A importância deste estudo científico se dá em virtude das fossas a jusante de vertedouros salto esqui estarem em constante transformação, o que pode ocasionar mudanças nos padrões de pressões dinâmicas causadas no fundo. Erosões imprevistas podem provocar a instabilidade dos taludes da fossa, comprometendo a fundação da barragem. Neste trabalho, foram realizados experimentos físicos, por modelagem seccional (2D), em dois modelos reduzidos de escalas 1:50 e 1:100, considerando dois estágios de profundidade de erosão em fundo sólido (fixo). Com isso, analisou-se o local de impacto do fluxo do jato sobre o leito, local este que possui a maior pressão dinâmica média. Como resultado foi possível identificar o efeito de escala no coeficiente de pressão entre os dois modelos ensaiados, o que possibilitou o ajuste de linhas de tendências que auxiliam a estimativa das pressões que ocorrem em protótipos, aumentando a segurança na operação de vertedouros salto esqui.