Identificação de regiões propícias a danos por cavitação na calha de um vertedouro em degraus : aspectos hidráulicos e geométricos

Abstract

O uso de vertedouros em degraus em barragens tem crescido significativamente desde a década de 70, devido a sua efetividade na redução de custos com material, construção e operação e sua capacidade em dissipar energia. Apesar dos grandes benefícios proporcionados, ainda existe uma lacuna de conhecimento em relação aos fatores que causam patologias e posteriores danos nesse tipo de estrutura hidráulica. Um dos fenômenos mais recorrente e com poder de dano é a cavitação, que ocorre quando a pressão no interior do fluxo escoado atinge o valor de pressão de vapor d’água, ocasionando a implosão das bolhas de baixa pressão, que quando em contato com a superfície hidráulica, danifica-a. Os danos causados pelo fenômeno podem comprometer o empreendimento, parando a operação de usinas de geração de energia para reparos, além de pôr em risco as populações ribeirinhas a jusante. Por isso, este trabalho tem como objetivo elaborar uma metodologia para identificar as regiões suscetíveis ou não aos danos relacionados ao fenômeno de cavitação em calhas de vertedouros em degraus, integrando aspectos geométricos e hidráulicos aos critérios de aeração, associados à proteção da superfície de concreto. Para isso, a pesquisa foi realizada em duas etapas: localização das principais posições dos pontos críticos relacionados às características do escoamento em vertedouros em degraus (início de aeração visual, local onde ocorre a menor pressão mínima extrema e o local onde a pressão mínima extrema passa a oscilar em torno de um valor médio constante); e delimitação das regiões de cavitação através de gráficos dados pela carga hidráulica total de uma barragem em função da vazão específica escoada. Para a determinação dos comprimentos críticos do escoamento, o estudo foi realizado a partir dos dados obtidos em três modelos de vertedouros em degraus com diferentes características geométricas. Ao longo da calha, foram realizadas leituras de pressões junto ao espelho dos degraus para diferentes vazões. Para determinação das regiões, os gráficos de cavitação foram delimitados em região sem cavitação, sem ocorrência de danos e com cavitação e com possibilidade de ocorrência de dano. A análise foi realizada a partir de equações que permitem localizar as regiões críticas relacionadas às regiões de baixa pressão e de aeração natural, em função das características geométricas e hidráulicas da estrutura. Assim, foram determinadas equações de comprimento crítico do escoamento deslizante sobre turbilhões para o ponto de mais baixa pressão ao longo da calha, bem como o início de aeração do fluxo, observando uma relação de 0,8 vezes do primeiro ponto ao segundo. Também foi possível determinar a equação do comprimento de aeração total, onde o fluxo está totalmente protegido contra os danos provocados pela cavitação. Ainda, foram delimitadas as regiões relacionadas ao fenômeno de cavitação e com possibilidade de dano em protótipos com diferentes características geométricas. Foi observado que maiores degraus geram o fenômeno em cargas hidráulicas menores e que maiores inclinações, em maiores cargas hidráulicas. Já a vazão demonstrou-se indiferente ao acréscimo de altura de degrau ou declividade. Foi observado também que a ocorrência de cavitação necessita de uma extensão de vertedouro compatível com a vazão escoada para que o fenômeno possa se desenvolver. Também foi notado que, quanto maior a inclinação da calha e menores as alturas dos degraus, a possibilidade de dano abrange um comprimento maior da extensão da calha.

The use of stepped spillways in dams increased since the 1970s, because of the effectiveness in reducing costs with material, construction and operation and because of the ability to dissipate energy. Despite of those, there is a knowledge gap about the factors that cause pathologies and then damages on this type of hydraulic structure. One of the most recurrent and damaging phenomena is the cavitation, which occurs when the pressure inside the flow reaches the water vapor pressure value, causing the implosion of the low-pressure bubbles and, when in contact with the hydraulic surface, make a damage. The phenomenon could compromise the dam and stop the power generation for repairs, besides put the riverside populations downstream at risk. Because of these, this work aims to develop a methodology to identify the regions susceptible to damage of cavitation in stepped spillway, using different geometric and hydraulic aspects to match with aeration criteria, which has effectiveness of protection of the concrete surface. For this, the research was carried out in two stages: location of the main positions of the critical points related to the flow characteristics in stepped spillways (start of visual aeration, where the lowest extreme minimum pressure occurs and the location where the minimum extreme pressure oscillate around a constant mean value); and delimit the cavitation regions along the chute per figures of the total hydraulic load of a dam as a function of the specific flow. To determine the lengths, the study was carried out from the data obtained in three models of stepped spillways with different geometric characteristics. Along the chute, pressure readings were carried out next to the step mirror for different flows. To determine regions, the figures were delimited in a region without cavitation, with cavitation and without occurrence of damage and with cavitation and with the possibility of damage. The analysis was made from equations that allow to locate the critical regions related to the low-pressure regions, according to the geometric and hydraulic characteristics of the structure. Thus, length equations were determined for the point of lowest pressure along the chute, as well as the beginning of aeration of the flow, observing a relationship of 0.8 times more length from the first point to the second. It was also possible to determine the total aeration length equation, where the flow is fully protected against damage caused by cavitation. Still, the regions related to the phenomenon of cavitation and with the possibility of damage in prototypes with different geometric characteristics were delimited. It was observed that higher steps generate the phenomenon at lower heights and that greater slopes, at higher heights. The flow did not oscillate significantly despite of the increase of step high or slope of chute. It was also observed that the occurrence of cavitation requires an extension of the spillway compatible with the flow for the phenomenon to develop. It was also noted that the higher the slope of the chute and the lower the height of the steps, the possibility of damage covered a greater length of the chute extension.