Análise hidrodinâmica da onda gerada através da ruptura instantânea de uma barragem

Abstract

O rompimento de uma barragem é uma das maiores catástrofes geradas pela humanidade e esses eventos, infelizmente, são registrados desde o século XIX até os dias de hoje. Na busca por aumentar a compreensão do que acontece com a onda de translação gerada instantaneamente após a ruptura de uma barragem, a presente dissertação se propôs a avaliar esse fenômeno hidráulico e, posteriormente, comparar os resultados encontrados com soluções analíticas da literatura. A ruptura da barragem foi feita através de um modelo simplificado: em um canal retangular de acrílico, com dimensões de 6,00 x 0,49 x 0,24 metros, foi instalada uma placa de aço que reproduziu o barramento de um curso de água. Quando retirada abruptamente simula o rompimento instantâneo de uma barragem. As informações da onda de ruptura foram colhidas através de vídeos registrados por uma câmera de alta velocidade, que capta 240 quadros por segundo, e por um medidor de velocidades por ultrassom. A metodologia desenvolvida neste trabalho experimental reduziu o tempo de ruptura da barragem na simulação física. Através das imagens coletadas, os resultados mostraram que em função da razão entre os níveis iniciais de água a montante e a jusante da barragem (RN), o formato da onda pode ser: jato horizontal, sem arrebentação da onda para RN = ∞. Esse jato se desenvolveu com um formato mais alto na sua frente, chamado de cabeça da onda, que é mais espesso quanto maior for o nível a montante; jato de transição, com quebra ascendente da onda para RN < 5. Essa quebra é caracterizada por uma dissipação de energia mais lenta, ocorrendo uma elevação de nível seguida de uma desestabilização da onda; e jato cogumelo com quebra tubular para RN > 5, no qual foram identificadas quatro etapas de desenvolvimento: (i) alteamento de nível de jusante a montante, (ii) acúmulo de água, (iii) projeção para frente e (iv) quebra impactando a lâmina de água a jusante. Em uma análise mais detalhada do momento da quebra da onda, verificou-se que a altura máxima atingida pela onda tubular, no ato da quebra, equivale a 20% da distância percorrida, enquanto o ponto em que ocorre a altura máxima está situado a 80% da distância percorrida pela onda até a sua quebra. Os resultados apresentaram uma tendência em que a velocidade da onda cresce de forma proporcional ao aumento do nível de montante e inversamente proporcional ao aumento do nível de jusante, esse último, atuando como um obstáculo que retarda o desenvolvimento da onda de ruptura. Os hidrogramas da onda de ruptura identificaram que os picos de altura da onda ocorrem nas seções de 30 e 40 centímetros de distância do barramento e amortecem entre 30% e 70% do nível de água a montante. Comparando os resultados com equações analíticas, constatou-se que as ondas oriundas das equações excediam a distância percorrida pela onda experimental em uma faixa de 15% a 40%. Foi proposta uma correção na equação teórica, de modo a obter valores mais próximos dos identificados nos experimentos. Espera-se com os resultados desta pesquisa contribuir para o aumento da massa crítica acerca desse fenômeno que, particularmente no Brasil, está em evidência nos últimos anos.

A dam break is one of the greatest catastrophes generated by mankind, and these events, unfortunately, occur since the nineteenth century until nowadays. To better understanding the behavior of the translatory wave generated by a dam break, this work proposes an evaluation of this hydraulic phenomenon and comparison of the results with analytical solutions from literature. The dam break is simulated by a simplified model: in a rectangular acrylic’s channel with dimensions of 6.00 x 0.49 x 0.24 meters, a steel plate is placed in order to replicates the dam of a water course. To simulate the instantaneous dam break, the plate is abruptly withdrawn. The generated wave information are then collected by means of a high-speed camera, which capture 240 frames per second, and by an ultrasonic velocity gauge. The methodology developed in this experimental work reduced the time of the dam break in the physical simulation. Through the images collected, the results showed that, according to the ratio between the initial water levels upstream and downstream of the dam (RN), the waveform can be: horizontal jet, without wave break, for RN = ∞. This jet developed with a thicker shape in front of it, called the wave head, which is larger the higher is the upstream level; transition jet, with spilling wave breaking for RN < 5. This type of break is characterized by a slower energy dissipation, and a level elevation followed by wave destabilization; and mushroom jet with plunging break for RN > 5, in which four development stages were identified: (i) rise of level from downstream to upstream, (ii) water accumulation, (iii) forward projection and (iv) break impacting on the downstream water slide. In a more detailed analysis of the wave breaking moment it was verified that the maximum height reached by the plunging wave at the moment of the break, is equivalent to 20% of the distance covered by the same. While the point at which the maximum height occurs, is located at 80% of the distance traveled by the wave until it breaks. The results showed a trend in which the wave velocity increases proportionally to the increase of the upstream level and inversely proportional to the increase of the downstream level, which acts as an obstacle delaying the development of the rupture wave. The rupture wave hydrographs identified that the wave height peaks occur in the 30 and 40 centimeter distance section of the dam and diminish between 30% and 70% of the upstream level. By comparing the results with analytical solutions proposed in the literature, it was found that the waves calculated by the equations exceeded the distance traveled by the experimental wave in a range of 15% to 40%. Therefore, a correction in the theoretical model is proposed, in order to obtain values closer to the experimental results. With this work results, it is expected to contribute on the understanding of this phenomenon, which has been gaining importance in the recent years, especially in Brazil.