Thesis (MScEng (Civil Engineering))--University of Stellenbosch, 2006. / Stepped spillways constructed of roller compacted concrete (RCC) is a hydraulic and cost effective measure to dissipate energy of large water flows over the spillway of a dam. Stepped spillways, like other spillway types, have its limitations and a measure to improve the energy dissipation effectiveness is proposed. Two hydraulic models were constructed at the hydraulics laboratory of the Department of Water Affairs and Forestry (DWAF) in Pretoria, South Africa. The scales of the models were 1:20 and 1:30. The study proposes the use of triangular protrusions applied over the spillway surface. The protrusions have the same height as the steps, with the width of the protrusions varying. The triangular protrusions deflect the water sideways resulting in higher energy losses. The results indicate that the protrusions reduce scouring at the toe of the dam, thus increasing the roughness of the steps. It also indicate that aeration occur earlier than with normal stepped spillways. An optimal spacing, lateral and across the steps, are proposed. The construction of the protrusions is also discussed, as well as the cost implications. It is concluded that the protrusions are effective at a unit discharge up to 35 m3/s.m. This value is however dependent on the configuration of the apron downstream of the toe of the dam. It is proposed that protrusions be added on the downstream face of the dam on every second step, with one protrusion and then no protrusion alternating in the flow path. It is recommended that the protrusions be cast in situ.

O método Hidrodinâmica Suavizada de Partículas (em inglês: Smoothed Particle Hydrodynamics - SPH) foi utilizado para o desenvolvimento de um estudo numérico envolvendo descarregadores lisos e descarregadores em degraus (considerando escoamento deslizante sobre turbilhões), com paredes laterais paralelas e paredes convergentes, usando o software DualSPHysics. Muitas vezes é conveniente utilizar a construção de descarregadores com maior largura na crista, e menor largura do descarregador, para adaptação das limitações físicas locais. O estreitamento do descarregador de forma gradual até atingir a largura da seção de jusante é feito por meio de paredes laterais convergentes, que por sua vez induzem à formação de ondas estacionárias laterais, e consequentemente aumento da altura do escoamento junto às paredes. Existem poucos estudos na literatura sobre esse tema, justificando o estudo numérico desenvolvido neste trabalho. O modelo numérico foi desenvolvido com base em um modelo físico do Laboratório de Hidráulica e Recursos Hídricos do Instituto Superior Técnico, Portugal, sendo os resultados experimentais obtidos em estudos anteriores. A instalação experimental é composta por um descarregador com declividade de fundo de 26,6º, e ângulo das paredes de 0º; 9,9º e 19,3º em relação ao plano vertical. As simulações foram realizadas em duas ou três dimensões, conforme a condição de largura constante ou convergente. Os resultados foram comparados com dados experimentais em termos de alturas do escoamento na parede e no eixo do descarregador, perfis de velocidade na região não-aerada do escoamento, e largura da onda estacionária lateral. Para as simulações tridimensionais, também foram elaborados gráficos de isolinhas para a altura do escoamento, podendo-se observar a extensão das ondas estacionárias laterais conforme a condição de superfície lisa ou em degraus, e a elevação de água junto às paredes. Em geral, houve boa aproximação entre dados numéricos e experimentais, verificando-se a aplicabilidade do método SPH para simular o escoamento deslizante sobre turbilhões em estruturas em degraus, ou estruturas convencionais de paramento liso. / A numerical study using the Smoothed Particle Hydrodynamics method (SPH) was developed for smooth and stepped spillways (for skimming flow regime), with converging and non-converging sidewalls, using the software DualSPHysics. In numerous situations, it is convenient to built spillways with longer width at the crest and narrower width at the downstream end of the spillway, depending on the site constrains. The gradual narrowing of the spillway width is usually made through converging sidewalls, which induce the formation of shockwaves, leading to higher flow depths along the sidewalls. Few studies in the literature were carried out in this research topic to date, justifying the numerical study developed in this project. The numerical model was based on a physical model assembled at the Hydraulic and Water Resources Laboratory of the Instituto Superior Técnico, Portugal, using experimental data obtained in previous studies. The experimental setup was composed by a spillway with slope of 26.6º, and angles of converging sidewalls of 0º, 9.9º, and 19.3º in relation to the vertical plane. Two-dimensional or three-dimensional simulations were carried out according to the condition of constant width or converging walls. The results were compared with experimental data, related to the flow depths at the centerline and sidewall of the spillway, the velocity profiles on the non-aerated region, and the lateral standing wave width. Regarding the three-dimensional simulations, contours of the flow depth were also represented, to visualize the extent and height of the sidewall shockwaves, according to the smoothed or stepped face. In general, a good agreement was obtained between numerical and experimental results, which confirms the ability of the SHP method to simulate the skimming flow over stepped spillways, or the flow on more conventional, smooth spillway chutes.

O método Hidrodinâmica Suavizada de Partículas (em inglês: Smoothed Particle Hydrodynamics - SPH) foi utilizado para o desenvolvimento de um estudo numérico envolvendo descarregadores lisos e descarregadores em degraus (considerando escoamento deslizante sobre turbilhões), com paredes laterais paralelas e paredes convergentes, usando o software DualSPHysics. Muitas vezes é conveniente utilizar a construção de descarregadores com maior largura na crista, e menor largura do descarregador, para adaptação das limitações físicas locais. O estreitamento do descarregador de forma gradual até atingir a largura da seção de jusante é feito por meio de paredes laterais convergentes, que por sua vez induzem à formação de ondas estacionárias laterais, e consequentemente aumento da altura do escoamento junto às paredes. Existem poucos estudos na literatura sobre esse tema, justificando o estudo numérico desenvolvido neste trabalho. O modelo numérico foi desenvolvido com base em um modelo físico do Laboratório de Hidráulica e Recursos Hídricos do Instituto Superior Técnico, Portugal, sendo os resultados experimentais obtidos em estudos anteriores. A instalação experimental é composta por um descarregador com declividade de fundo de 26,6º, e ângulo das paredes de 0º; 9,9º e 19,3º em relação ao plano vertical. As simulações foram realizadas em duas ou três dimensões, conforme a condição de largura constante ou convergente. Os resultados foram comparados com dados experimentais em termos de alturas do escoamento na parede e no eixo do descarregador, perfis de velocidade na região não-aerada do escoamento, e largura da onda estacionária lateral. Para as simulações tridimensionais, também foram elaborados gráficos de isolinhas para a altura do escoamento, podendo-se observar a extensão das ondas estacionárias laterais conforme a condição de superfície lisa ou em degraus, e a elevação de água junto às paredes. Em geral, houve boa aproximação entre dados numéricos e experimentais, verificando-se a aplicabilidade do método SPH para simular o escoamento deslizante sobre turbilhões em estruturas em degraus, ou estruturas convencionais de paramento liso. / A numerical study using the Smoothed Particle Hydrodynamics method (SPH) was developed for smooth and stepped spillways (for skimming flow regime), with converging and non-converging sidewalls, using the software DualSPHysics. In numerous situations, it is convenient to built spillways with longer width at the crest and narrower width at the downstream end of the spillway, depending on the site constrains. The gradual narrowing of the spillway width is usually made through converging sidewalls, which induce the formation of shockwaves, leading to higher flow depths along the sidewalls. Few studies in the literature were carried out in this research topic to date, justifying the numerical study developed in this project. The numerical model was based on a physical model assembled at the Hydraulic and Water Resources Laboratory of the Instituto Superior Técnico, Portugal, using experimental data obtained in previous studies. The experimental setup was composed by a spillway with slope of 26.6º, and angles of converging sidewalls of 0º, 9.9º, and 19.3º in relation to the vertical plane. Two-dimensional or three-dimensional simulations were carried out according to the condition of constant width or converging walls. The results were compared with experimental data, related to the flow depths at the centerline and sidewall of the spillway, the velocity profiles on the non-aerated region, and the lateral standing wave width. Regarding the three-dimensional simulations, contours of the flow depth were also represented, to visualize the extent and height of the sidewall shockwaves, according to the smoothed or stepped face. In general, a good agreement was obtained between numerical and experimental results, which confirms the ability of the SHP method to simulate the skimming flow over stepped spillways, or the flow on more conventional, smooth spillway chutes.