Análise da evolução da geometria de fossa de erosão a jusante de vertedouro salto esqui

Abstract

O vertedouro salto esqui, em conjunto com a fossa de erosão localizada a jusante, formam um eficiente sistema dissipador. Para que esse tipo de vertedouro seja viável, deve ser prevista uma área que comporte adequadamente a evolução da fossa. Assim, o dimensionamento da geometria da fossa deve considerar a solução que apresente menores indícios de possível comprometimento das estruturas adjacentes. Dada à evolução da fossa, medidas podem ser indicadas no sentido da operação das comportas do vertedouro ou de obras civis que contenham ou redirecionem os avanços da erosão. ⁂ Como proposta desta tese, foi analisada a evolução de fossas de erosão, contemplando aspectos hidráulicos, geométricos e geomecânicos compreendidos em um fenômeno particular, qual seja a erodibilidade para as características do escoamento que ocorre no interior de fossas de erosão a jusante de vertedouros salto esqui. Este estudo foi amparado por modelagens físicas, por semelhança de Froude, e também por métodos dispostos na bibliografia, que auxiliaram na definição dos parâmetros envolvidos. ⁂ As características do escoamento foram avaliadas em duas geometrias de fossa, padronizadas em fundo fixo (não erodível), bidimensionais, por meio das pressões dinâmicas distribuídas ao longo de seus contornos sólidos. O efeito de escala nas pressões dinâmicas, entre esses modelos físicos, nas escalas 1:50 e 1:100, foram identificados com base em condições de contorno dos números de Reynolds e Weber, o que possibilitou consolidar relações adimensionais que explicam o fenômeno no que tange às pressões dinâmicas. Contudo, foi observado que o padrão geométrico da fossa rege a macroturbulência no interior da mesma. Assim, enquanto os efeitos de escala exercem maior influência sobre as pressões dinâmicas médias de impacto do jato mergulhante sobre o fundo, os efeitos do padrão geométrico da fossa preponderam sobre o restante da distribuição de pressão dinâmica que ocorre ao longo dos contornos sólidos da fossa. ⁂ A variação do formato da fossa foi registrada através de amostras de fossa, tridimensionais, tanto de protótipo quanto de modelagem em escala 1:100, em ensaios realizados com leito coesivo. Assim, foram analisadas as características das geometrias resultantes, descrevendo-as através de parâmetros geométricos, o que possibilitou o exame de questões sobre o comprometimento da segurança no entorno da fossa, através de parâmetros como o grau de espalhamento da fossa e sobre a tendência de regressão de sua borda de montante. ⁂ De modo a incorporar maiores detalhes ao conhecimento científico sobre a geometria da fossa, um método disposto na bibliografia, para o cálculo do perfil longitudinal da fossa, foi verificado quanto ao emprego de parâmetros geomecânicos, que combinados definem a erodibilidade do maciço. No âmbito da atuação hidrodinâmica do escoamento, o perfil de fossa resultante desse método foi verificado quanto à zona de dissipação de energia necessária para comportar o desenvolvimento do jato mergulhante e da recirculação do ressalto hidráulico confinado, em uma situação de equilíbrio, ou seja, em que cessam as erosões sobre os contornos sólidos da fossa. ⁂ Os métodos verificados, bem como as relações de parâmetros propostas, fazem parte de uma técnica ampla, sistematizada na presente tese, que vem a contribuir para a adoção de índices de monitoramento da evolução de fossas de erosão.

The ski jump spillway, in combination with the scour hole formed downstream, is an efficient energy dissipation system. For the viability of this type of spillway, it must be forecasted an area to adequately contains the evolution of the scour hole. Thus, the dimensioning of the scour hole geometry should consider the solution that presents the minor indications of possible damage to the adjacent structures. Due to the progress of erosion in the pit, interventions may be indicated through changing the operation of spillway gates or by implementing civil works that contain or redirect erosion advances. ⁂ As a proposal of this thesis, it was analyzed the evolution of the scour hole, considering hydraulic, geometrical and geomechanical aspects, which are included in the particular erodibility phenomenon that occurs for the flow conditions in a scour hole downstream of ski jump spillway. This study was supported by physical modeling, by Froude similarly, and also by literature disposed methods, which helped to define the involved parameters. ⁂ The flow characteristics were investigated in two patterns of scour holes geometries, in a fixed bottom (non-erodible), through the dynamic pressures distributed along their solid contours. The scale effect on dynamic pressures, between two-dimensional physical models at 1:50 and 1:100 scales, were identified based on the boundary conditions of the Reynolds and Weber numbers. This made it possible to consolidate dimensionless relationships that explain the phenomenon regarding the measured parameter of dynamic pressures. However, it was observed that the geometric pattern of the scour hole governs the macroturbulence within the scour hole. Thus, while the scale effects exerts significant influence on the mean dynamic pressures at the plunging jet impinge spot on the bottom, the effects of the scour hole geometric pattern prevail over the dynamic pressure distribution that occurs along the solid contours of the pit. ⁂ The variation in the shape of the pit was recorded through three-dimensional samples of scour holes, both for prototype and for 1:100 scale model tests, using cohesive bed. Thus, the characteristics of these scour holes were analyzed, describing them through geometric parameters, which allowed the review of issues about the safety around the scour hole, through the behavior of parameters such as the scour hole spreading index, and the regression tendency of the scour hole upstream edge. ⁂ In order to incorporate more details to the scientific knowledge about the scour hole geometry, a method provided in the bibliography for the calculation of the longitudinal profile of the pit was verified regarding the use of geomechanical parameters, which combined define the erodibility of the rock mass. In the scope of the hydrodynamic performance of the flow, the resulting scour hole profile was verified regarding the energy dissipation zone, necessary to support the development of the plunging jet and the recirculation of the confined hydraulic jump, in an equilibrium state, that is, when erosions cease on the solid contours of the pit. ⁂ The verified methods, as well as the proposed parameter relationships, are part of a broad technique, systematized in the present thesis, which contributes to the adoption of monitoring indexes of the scour hole evolution.