Neste trabalho apresenta-se uma avaliação do estado da arte de aspectos hidráulicos relacionados aos vertedores em degraus submetidos aos diferentes regimes de escoamento. Em uma segunda parte, é sugerida uma metodologia adimensional e simplificada para o pré-dimensionamento do comprimento de bacias de dissipação por ressalto hidráulico, além de uma abordagem conceitual voltada ao escoamento sobre um degrau. Entre os tópicos tratados na avaliação do estado da arte, pode-se citar, por exemplo, a dissipação de energia promovida pelos degraus, o risco de cavitação, a aeração do escoamento, o uso de aeradores de fundo e geometrias não convencionais. Quanto à metodologia desenvolvida, fundamentada na segunda lei do movimento de Newton associada à equação de Darcy-Weisbach, apresenta-se algumas comparações com dados experimentais de diferentes pesquisadores, além de exemplos de aplicação. Foi possível concluir, com a avaliação do estado da arte, que há um interesse crescente pelo conhecimento das características hidráulicas de vertedores em degraus. Através da metodologia desenvolvida, graças às comparações com dados experimentais de diferentes pesquisadores, foi possível concluir que não há um consenso absoluto sobre a magnitude do fator de resistência de Darcy-Weisbach. Com os exemplos de aplicação apresentados, notou-se que para um mesmo problema, o uso de diferentes métodos pode conduzir a projetos significativamente diferentes. / This work presents a state-of-the-art evaluation of aspects related hydraulic to stepped spillways submitted to the different flow regimes. In a second part, it is suggested a dimensionless and simplified methodology for preliminary design of the stilling basin length, besides a conceptual approach related to the free fall hydraulics. Among topics treaties in the state-of-the-art evaluation, it can cite, for example, the energy dissipation promoted by the steps, incipient cavitation, the air entrainment, the use of bottom aerator and unconventional geometries. Regarding the developed methodology, based in the Newton\'s law of motion associate to Darcy-Weisbach equation, it presents some comparisons with experimental data of different researchers, besides application examples. It was possible to conclude, with the state-of-the-art evaluation, that there is an increasing interest for hydraulics characteristic of stepped spillways knowledge. Through the developed methodology, after comparisons with experimental data of different researchers, was possible to conclude that there is not an absolute consensus about the Darcy-Weisbach friction factor magnitude. With the application examples, it noticed that for a same problem, the different methods use can lead for significantly different designs.

Vertedouros em degraus têm se tornado uma boa opção em barragens pela facilidade de construção e, principalmente, por apresentar uma dissipação significativa de energia ao longo de sua calha, o que faz com que a parcela de energia a ser dissipada por ressalto hidráulico a jusante da barragem diminua, ocasionando uma significativa redução nas dimensões da estrutura da bacia de dissipação. A aplicação de soleira terminal em bacias de dissipação provoca uma melhor distribuição das velocidades e um melhor comportamento da flutuação de pressões ao longo da bacia e a jusante, aumentando assim seu desempenho na dissipação de energia. A combinação destas duas formas de dissipação (vertedouro em degraus e bacia de dissipação com soleira terminal) pode ser utilizada como uma solução econômica e segura, entretanto, o dimensionamento dessas estruturas esbarra na falta de critérios e informações, principalmente quanto ao tamanho e posição ideal para o projeto de uma soleira terminal. No presente trabalho foram analisados os dados de pressões médias e flutuações de pressões no interior da bacia e a jusante da soleira terminal, sendo apresentadas metodologias para dimensionamento de tamanho e para posicionamento de uma soleira em função do número de Froude da entrada do ressalto hidráulico. Também está sendo apresentada uma metodologia para análise das pressões médias em bacia do tipo I (sem soleira), além de uma comparação do comportamento dos esforços em bacia com soleira e sem soleira, com vertedouro em degraus e vertedouro de calha lisa. Os dados utilizados foram obtidos em modelo experimental, construído no Laboratório de Obras Hidráulicas (LOH) do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH-UFRGS), através de transdutores de pressões fixados junto ao fundo do canal de ensaios para diversas vazões, considerando, além de bacia tipo I, diferentes tamanhos de soleira terminal, situadas em diferentes posições do canal. / Stepped spillways have become a good option in dams for ease of construction and especially to present a significant dissipation of energy throughout the spillway chute, which causes that the parcel of energy to be dissipated by hydraulic jump downstream of dam decreases, causing a significant reduction in the dimensions of the stilling basin structure. The application of end sill in stilling basins causes a better distribution of speeds and better behavior of the fluctuation of pressure along the basin and downstream, thus increasing their performance in energy dissipation. The combination of these two forms of dissipation (stepped spillway and stilling basin with end sill) can be used as an economical and safe solution, however, the sizing of these structures hindered by a lack of criteria and information, especially regarding the ideal size and position for design of an end sill. In this study the data mean pressures and pressure fluctuations within the basin and downstream of the end sill were analyzed, being presented methodologies for design the size and position of a sill as a function of the Froude number of the input of the hydraulic jump. A methodology for analysis of mean pressure in type I basin (without sill) is also being presented, and a comparison of the behavior of efforts in basin with and without end sill, with stepped spillway and flat spillway chute. The data were obtained in an experimental model built at the Laboratory of Hydraulic Works (LOH) at the Institute of Hydraulic Research (IPH-UFRGS), through pressure transducers attached at the bottom of the test channel for various flow rates, considering, in addition of type I basin, different sizes of end sill at different positions of the channel.

Atualmente, está se tornando cada vez mais usual, na engenharia brasileira e internacional, aproveitamentos hidroelétricos com baixa queda e elevada vazão específica, resultando em um escoamento na entrada do dissipador de energia hidráulica com baixos números de Froude (Fr1). Os aproveitamentos da UHE Santo Antonio, da UHE Jirau e da AHE Belo Monte pertencem a essa classe e se encontram atualmente em fase de construção. Tendo em vista que, até recentemente, eram raros os casos de bacias de dissipação por ressalto hidráulico projetadas com baixo número de Froude, menor que 4,5, para esses casos, a literatura especializada não oferece estudos específicos sobre o comportamento da dissipação de energia nem das características da distribuição longitudinal de pressão. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar a faixa em que o número de Froude, na entrada da bacia de dissipação, é inferior a 5. Além disso, também pretende complementar os gráficos disponíveis para auxiliar o dimensionamento de vertedouros de baixa queda, bem como verificar se as considerações já existentes para os casos em que o número de Froude é maior que 4,5 podem ou não ser adotadas para prever os valores de pressão junto ao fundo de bacias de dissipação. Como resultados finais desta pesquisa são apresentados os gráficos, nos quais foram inseridos os casos analisados para baixa queda e número de Froude anteriormente especificados. O estudo foi experimental, utilizando-se a técnica da modelação física. Foi utilizado o modelo de detalhe do vertedouro da UHE Santo Antonio na escala 1:50, obedecendo o critério de escala proposto por Froude. Os resultados deste trabalho se mostraram satisfatórios, tendo em vista que acrescentaram mais resultados experimentais a gráficos conhecidos e trouxeram novas tendências que possivelmente estão somente presentes em aproveitamentos de baixa queda e elevada vazão específica. / Currently, is becoming increasingly common in the Brazilian and international engineering hydroelectric developments with low head and high specific flow rate, resulting in a flow with low Froude number at the energy dissipator entrance. The hydroelectric power plants (HPP) of Santo Antonio, Jirau and Belo Monte belongs to this case and are currently under construction. Considering that until recently the cases of stilling basins designed for hydraulic jump with low Froude number (less than 4.5) have been rare, the specialized literature offer no specific studies on the energy dissipation behavior or on the characteristics of the longitudinal distribution pressure. This work aims to specifically explore the range in which the Froude number (Fr1) at the dissipation basin entrance is less than 5. Furthermore, it also intends to supplement the available graphs to assist the design of low-drop spillways and verify that the considerations made for Froude numbers greater than 4.5 can be adopted to predict pressure values on the bottom of the dissipation basin (stilling basin). The final results of this research are presented in graphs, in which were inserted the analyzed cases of low-head and low Froude number as specified above. The experimental study was made using the physical modeling technique. A 1:50 scale model of the spillway of HPP Santo Antonio was used according to the criterion proposed by Froude. The results were satisfactory, considering that they added more experimental results to the known graphs and brought new trends that are likely to be present at low head hydroelectric power plants and high specific flow.

Vertedouros em degraus têm se tornado uma boa opção em barragens pela facilidade de construção e, principalmente, por apresentar uma dissipação significativa de energia ao longo de sua calha, o que faz com que a parcela de energia a ser dissipada por ressalto hidráulico a jusante da barragem diminua, ocasionando uma significativa redução nas dimensões da estrutura da bacia de dissipação. A aplicação de soleira terminal em bacias de dissipação provoca uma melhor distribuição das velocidades e um melhor comportamento da flutuação de pressões ao longo da bacia e a jusante, aumentando assim seu desempenho na dissipação de energia. A combinação destas duas formas de dissipação (vertedouro em degraus e bacia de dissipação com soleira terminal) pode ser utilizada como uma solução econômica e segura, entretanto, o dimensionamento dessas estruturas esbarra na falta de critérios e informações, principalmente quanto ao tamanho e posição ideal para o projeto de uma soleira terminal. No presente trabalho foram analisados os dados de pressões médias e flutuações de pressões no interior da bacia e a jusante da soleira terminal, sendo apresentadas metodologias para dimensionamento de tamanho e para posicionamento de uma soleira em função do número de Froude da entrada do ressalto hidráulico. Também está sendo apresentada uma metodologia para análise das pressões médias em bacia do tipo I (sem soleira), além de uma comparação do comportamento dos esforços em bacia com soleira e sem soleira, com vertedouro em degraus e vertedouro de calha lisa. Os dados utilizados foram obtidos em modelo experimental, construído no Laboratório de Obras Hidráulicas (LOH) do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH-UFRGS), através de transdutores de pressões fixados junto ao fundo do canal de ensaios para diversas vazões, considerando, além de bacia tipo I, diferentes tamanhos de soleira terminal, situadas em diferentes posições do canal. / Stepped spillways have become a good option in dams for ease of construction and especially to present a significant dissipation of energy throughout the spillway chute, which causes that the parcel of energy to be dissipated by hydraulic jump downstream of dam decreases, causing a significant reduction in the dimensions of the stilling basin structure. The application of end sill in stilling basins causes a better distribution of speeds and better behavior of the fluctuation of pressure along the basin and downstream, thus increasing their performance in energy dissipation. The combination of these two forms of dissipation (stepped spillway and stilling basin with end sill) can be used as an economical and safe solution, however, the sizing of these structures hindered by a lack of criteria and information, especially regarding the ideal size and position for design of an end sill. In this study the data mean pressures and pressure fluctuations within the basin and downstream of the end sill were analyzed, being presented methodologies for design the size and position of a sill as a function of the Froude number of the input of the hydraulic jump. A methodology for analysis of mean pressure in type I basin (without sill) is also being presented, and a comparison of the behavior of efforts in basin with and without end sill, with stepped spillway and flat spillway chute. The data were obtained in an experimental model built at the Laboratory of Hydraulic Works (LOH) at the Institute of Hydraulic Research (IPH-UFRGS), through pressure transducers attached at the bottom of the test channel for various flow rates, considering, in addition of type I basin, different sizes of end sill at different positions of the channel.

Atualmente, está se tornando cada vez mais usual, na engenharia brasileira e internacional, aproveitamentos hidroelétricos com baixa queda e elevada vazão específica, resultando em um escoamento na entrada do dissipador de energia hidráulica com baixos números de Froude (Fr1). Os aproveitamentos da UHE Santo Antonio, da UHE Jirau e da AHE Belo Monte pertencem a essa classe e se encontram atualmente em fase de construção. Tendo em vista que, até recentemente, eram raros os casos de bacias de dissipação por ressalto hidráulico projetadas com baixo número de Froude, menor que 4,5, para esses casos, a literatura especializada não oferece estudos específicos sobre o comportamento da dissipação de energia nem das características da distribuição longitudinal de pressão. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar a faixa em que o número de Froude, na entrada da bacia de dissipação, é inferior a 5. Além disso, também pretende complementar os gráficos disponíveis para auxiliar o dimensionamento de vertedouros de baixa queda, bem como verificar se as considerações já existentes para os casos em que o número de Froude é maior que 4,5 podem ou não ser adotadas para prever os valores de pressão junto ao fundo de bacias de dissipação. Como resultados finais desta pesquisa são apresentados os gráficos, nos quais foram inseridos os casos analisados para baixa queda e número de Froude anteriormente especificados. O estudo foi experimental, utilizando-se a técnica da modelação física. Foi utilizado o modelo de detalhe do vertedouro da UHE Santo Antonio na escala 1:50, obedecendo o critério de escala proposto por Froude. Os resultados deste trabalho se mostraram satisfatórios, tendo em vista que acrescentaram mais resultados experimentais a gráficos conhecidos e trouxeram novas tendências que possivelmente estão somente presentes em aproveitamentos de baixa queda e elevada vazão específica. / Currently, is becoming increasingly common in the Brazilian and international engineering hydroelectric developments with low head and high specific flow rate, resulting in a flow with low Froude number at the energy dissipator entrance. The hydroelectric power plants (HPP) of Santo Antonio, Jirau and Belo Monte belongs to this case and are currently under construction. Considering that until recently the cases of stilling basins designed for hydraulic jump with low Froude number (less than 4.5) have been rare, the specialized literature offer no specific studies on the energy dissipation behavior or on the characteristics of the longitudinal distribution pressure. This work aims to specifically explore the range in which the Froude number (Fr1) at the dissipation basin entrance is less than 5. Furthermore, it also intends to supplement the available graphs to assist the design of low-drop spillways and verify that the considerations made for Froude numbers greater than 4.5 can be adopted to predict pressure values on the bottom of the dissipation basin (stilling basin). The final results of this research are presented in graphs, in which were inserted the analyzed cases of low-head and low Froude number as specified above. The experimental study was made using the physical modeling technique. A 1:50 scale model of the spillway of HPP Santo Antonio was used according to the criterion proposed by Froude. The results were satisfactory, considering that they added more experimental results to the known graphs and brought new trends that are likely to be present at low head hydroelectric power plants and high specific flow.

Atualmente, está se tornando cada vez mais usual, na engenharia brasileira e internacional, aproveitamentos hidroelétricos com baixa queda e elevada vazão específica, resultando em um escoamento na entrada do dissipador de energia hidráulica com baixos números de Froude (Fr1). Os aproveitamentos da UHE Santo Antonio, da UHE Jirau e da AHE Belo Monte pertencem a essa classe e se encontram atualmente em fase de construção. Tendo em vista que, até recentemente, eram raros os casos de bacias de dissipação por ressalto hidráulico projetadas com baixo número de Froude, menor que 4,5, para esses casos, a literatura especializada não oferece estudos específicos sobre o comportamento da dissipação de energia nem das características da distribuição longitudinal de pressão. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar a faixa em que o número de Froude, na entrada da bacia de dissipação, é inferior a 5. Além disso, também pretende complementar os gráficos disponíveis para auxiliar o dimensionamento de vertedouros de baixa queda, bem como verificar se as considerações já existentes para os casos em que o número de Froude é maior que 4,5 podem ou não ser adotadas para prever os valores de pressão junto ao fundo de bacias de dissipação. Como resultados finais desta pesquisa são apresentados os gráficos, nos quais foram inseridos os casos analisados para baixa queda e número de Froude anteriormente especificados. O estudo foi experimental, utilizando-se a técnica da modelação física. Foi utilizado o modelo de detalhe do vertedouro da UHE Santo Antonio na escala 1:50, obedecendo o critério de escala proposto por Froude. Os resultados deste trabalho se mostraram satisfatórios, tendo em vista que acrescentaram mais resultados experimentais a gráficos conhecidos e trouxeram novas tendências que possivelmente estão somente presentes em aproveitamentos de baixa queda e elevada vazão específica. / Currently, is becoming increasingly common in the Brazilian and international engineering hydroelectric developments with low head and high specific flow rate, resulting in a flow with low Froude number at the energy dissipator entrance. The hydroelectric power plants (HPP) of Santo Antonio, Jirau and Belo Monte belongs to this case and are currently under construction. Considering that until recently the cases of stilling basins designed for hydraulic jump with low Froude number (less than 4.5) have been rare, the specialized literature offer no specific studies on the energy dissipation behavior or on the characteristics of the longitudinal distribution pressure. This work aims to specifically explore the range in which the Froude number (Fr1) at the dissipation basin entrance is less than 5. Furthermore, it also intends to supplement the available graphs to assist the design of low-drop spillways and verify that the considerations made for Froude numbers greater than 4.5 can be adopted to predict pressure values on the bottom of the dissipation basin (stilling basin). The final results of this research are presented in graphs, in which were inserted the analyzed cases of low-head and low Froude number as specified above. The experimental study was made using the physical modeling technique. A 1:50 scale model of the spillway of HPP Santo Antonio was used according to the criterion proposed by Froude. The results were satisfactory, considering that they added more experimental results to the known graphs and brought new trends that are likely to be present at low head hydroelectric power plants and high specific flow.

Vertedouros em degraus têm se tornado uma boa opção em barragens pela facilidade de construção e, principalmente, por apresentar uma dissipação significativa de energia ao longo de sua calha, o que faz com que a parcela de energia a ser dissipada por ressalto hidráulico a jusante da barragem diminua, ocasionando uma significativa redução nas dimensões da estrutura da bacia de dissipação. A aplicação de soleira terminal em bacias de dissipação provoca uma melhor distribuição das velocidades e um melhor comportamento da flutuação de pressões ao longo da bacia e a jusante, aumentando assim seu desempenho na dissipação de energia. A combinação destas duas formas de dissipação (vertedouro em degraus e bacia de dissipação com soleira terminal) pode ser utilizada como uma solução econômica e segura, entretanto, o dimensionamento dessas estruturas esbarra na falta de critérios e informações, principalmente quanto ao tamanho e posição ideal para o projeto de uma soleira terminal. No presente trabalho foram analisados os dados de pressões médias e flutuações de pressões no interior da bacia e a jusante da soleira terminal, sendo apresentadas metodologias para dimensionamento de tamanho e para posicionamento de uma soleira em função do número de Froude da entrada do ressalto hidráulico. Também está sendo apresentada uma metodologia para análise das pressões médias em bacia do tipo I (sem soleira), além de uma comparação do comportamento dos esforços em bacia com soleira e sem soleira, com vertedouro em degraus e vertedouro de calha lisa. Os dados utilizados foram obtidos em modelo experimental, construído no Laboratório de Obras Hidráulicas (LOH) do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH-UFRGS), através de transdutores de pressões fixados junto ao fundo do canal de ensaios para diversas vazões, considerando, além de bacia tipo I, diferentes tamanhos de soleira terminal, situadas em diferentes posições do canal. / Stepped spillways have become a good option in dams for ease of construction and especially to present a significant dissipation of energy throughout the spillway chute, which causes that the parcel of energy to be dissipated by hydraulic jump downstream of dam decreases, causing a significant reduction in the dimensions of the stilling basin structure. The application of end sill in stilling basins causes a better distribution of speeds and better behavior of the fluctuation of pressure along the basin and downstream, thus increasing their performance in energy dissipation. The combination of these two forms of dissipation (stepped spillway and stilling basin with end sill) can be used as an economical and safe solution, however, the sizing of these structures hindered by a lack of criteria and information, especially regarding the ideal size and position for design of an end sill. In this study the data mean pressures and pressure fluctuations within the basin and downstream of the end sill were analyzed, being presented methodologies for design the size and position of a sill as a function of the Froude number of the input of the hydraulic jump. A methodology for analysis of mean pressure in type I basin (without sill) is also being presented, and a comparison of the behavior of efforts in basin with and without end sill, with stepped spillway and flat spillway chute. The data were obtained in an experimental model built at the Laboratory of Hydraulic Works (LOH) at the Institute of Hydraulic Research (IPH-UFRGS), through pressure transducers attached at the bottom of the test channel for various flow rates, considering, in addition of type I basin, different sizes of end sill at different positions of the channel.

Neste trabalho apresenta-se uma avaliação do estado da arte de aspectos hidráulicos relacionados aos vertedores em degraus submetidos aos diferentes regimes de escoamento. Em uma segunda parte, é sugerida uma metodologia adimensional e simplificada para o pré-dimensionamento do comprimento de bacias de dissipação por ressalto hidráulico, além de uma abordagem conceitual voltada ao escoamento sobre um degrau. Entre os tópicos tratados na avaliação do estado da arte, pode-se citar, por exemplo, a dissipação de energia promovida pelos degraus, o risco de cavitação, a aeração do escoamento, o uso de aeradores de fundo e geometrias não convencionais. Quanto à metodologia desenvolvida, fundamentada na segunda lei do movimento de Newton associada à equação de Darcy-Weisbach, apresenta-se algumas comparações com dados experimentais de diferentes pesquisadores, além de exemplos de aplicação. Foi possível concluir, com a avaliação do estado da arte, que há um interesse crescente pelo conhecimento das características hidráulicas de vertedores em degraus. Através da metodologia desenvolvida, graças às comparações com dados experimentais de diferentes pesquisadores, foi possível concluir que não há um consenso absoluto sobre a magnitude do fator de resistência de Darcy-Weisbach. Com os exemplos de aplicação apresentados, notou-se que para um mesmo problema, o uso de diferentes métodos pode conduzir a projetos significativamente diferentes. / This work presents a state-of-the-art evaluation of aspects related hydraulic to stepped spillways submitted to the different flow regimes. In a second part, it is suggested a dimensionless and simplified methodology for preliminary design of the stilling basin length, besides a conceptual approach related to the free fall hydraulics. Among topics treaties in the state-of-the-art evaluation, it can cite, for example, the energy dissipation promoted by the steps, incipient cavitation, the air entrainment, the use of bottom aerator and unconventional geometries. Regarding the developed methodology, based in the Newton\'s law of motion associate to Darcy-Weisbach equation, it presents some comparisons with experimental data of different researchers, besides application examples. It was possible to conclude, with the state-of-the-art evaluation, that there is an increasing interest for hydraulics characteristic of stepped spillways knowledge. Through the developed methodology, after comparisons with experimental data of different researchers, was possible to conclude that there is not an absolute consensus about the Darcy-Weisbach friction factor magnitude. With the application examples, it noticed that for a same problem, the different methods use can lead for significantly different designs.

The main aim of this Master Thesis is the design of several hydraulic structures to decrease as much as possible the huge flooding caused by the Escartana gully which drains its water towards the city of Albacete (Spain) and its surrounding areas, affecting to their inhabitants; and causing huge material damages in residential and industrial areas, and loss of crops in nearby farmland. Some alternatives such as embankment dams with or without drainage systems inside the dam body and a roller-compacted concrete (RCC) dam have been proposed to be built, being necessary to carry out a multicriteria analysis in order to decide which alternative has the best fit according to the analyzed features of the region. The alternative chosen to be developed was the RCC dam for the advantages of this typology, currently in development and implantation in some countries like Spain. For this reason, a RCC dam is planned to be built some kilometers upstream of these areas, with the objective of controlling the future floods coming from this watershed by decreasing its peak flow. In order to increase the beneficial effects of the construction of the dam, a channel downstream is also designed to drain the discharged overflows by the drainage systems of the dam towards a natural endorheic area, the Salobral Lagoon (currently dried-up), located 13 kilometers downstream of the dam’s location. This lagoon is connected hydraulically to the drainage network of Albacete by means of the Salobral channel and due to its huge storage capacity, it allows to reduce substantially the peak flows over the Salobral channel avoiding the dangerous flooding and potential damages caused by them. As a result of the projected hydraulic structures, Albacete and its surrounding areas would increase substantially their protection against the floods coming from the Escartana watershed.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第17877号 / 工博第3786号 / 新制||工||1579(附属図書館) / 30697 / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 角 哲也, 教授 牛島 省, 准教授 竹門 康弘, 准教授 Sameh Ahmed Kantoush / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM