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.

Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre o efeito da ação das ondas nas margens de rios que estão a jusante de estruturas hidráulicas. O trabalho foi realizado em três etapas, sendo a primeira realizada em modelo físico reduzido parcial de um vertedouro em degraus com canal a jusante, instalado no Pavilhão de Obras Hidráulicas (IPH/UFRGS). Nesta primeira etapa, diferentes condições de vazão e submergência foram consideradas, com o objetivo de avaliar as características das ondas de superfície, geradas a jusante de um dissipador de energia por ressalto hidráulico. As características avaliadas foram: altura, período, comprimento e celeridade das ondas. Os resultados dessa primeira etapa indicaram que as características principais das ondas, altura e período, estão mais relacionadas com a vazão escoada do que com a submergência do ressalto hidráulico. Além disso, através da comparação entre os dados estimados e observados da celeridade da onda, foi possível identificar que o período significativo da onda representa melhor a caracterização de uma onda que o período de pico, para ondas geradas a jusante de ressalto hidráulico. Na segunda etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas em um canal de ondas bidimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Desta forma, foi possível avaliar o efeito da ação das ondas sobre taludes com diferentes inclinações e granulometrias de material de proteção. Os resultados desta etapa demonstraram que o talude construído com material de proteção, denominado de brita grande (G) e com inclinação 1(V):3(H), foi o que apresentou maior estabilidade após a ação das ondas, mesmo sendo este um material de diâmetro médio menor do que o recomendado pelos métodos tradicionais de dimensionamento. Na terceira e última etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas novamente, porém em um tanque de ondas tridimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Nesta etapa do estudo, foi avaliado o efeito da ação das ondas sobre diferentes ângulos de incidência das ondas sobre talude de proteção. Os resultados obtidos nesta etapa demonstraram que o aumento do ângulo de incidência das ondas sobre o talude de proteção, intensifica o processo erosivo do material de proteção das margens. / This work presents an experimental study about waves action effects on the banks of rivers that are downstream from hydraulic structures. The work was carried out in three stages, being that the first one was realized in a reduced partial physical model of a spillway with steps and a channel downstream from it, installed in the Hydraulic Works Laboratory (IPH / UFRGS). In this first stage, different flow and submergence conditions were considered, with the objective of evaluating the characteristics of surface waves, that were generated downstream from a energy dissipator by hydraulic jump. The evaluated characteristics were: height, period, length and celerity of the waves. The results of this first stage indicated that height and wave period, considered the two main characteristics of waves, are more related to the outflow than to the submergence of hydraulic jump. In addition, through the comparison between the estimated and observed data of wave celerity, it was possible to identify that the significant period of wave represents better the characterization of a wave than the peak period, for waves generated downstream from a hydraulic jump. In the second stage of the tests, the wave characteristics obtained in the first stage of the study were reproduced in a two-dimensional wave channel, installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). In this way, it was possible to evaluate the effect of wave action on embankments with different inclinations and composed by protection material of diverses granulometries. The results of this experiment demonstrated that the embankment constructed with protective material called large gravel (G) and slope 1 (V): 3 (H) was the one that presented greater stability after the waves action, even though this material to has an average diameter smaller than that recommended by traditional dimensional methods. In the third and last stage of tests, the wave characteristics obtained in the first stage of study were reproduced again, but now in a three-dimensional wave tank installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). At this stage of the study, the effect of wave action on different angles of incidence between waves and the protective embankment was evaluated. The results obtained from this step demonstrated that the increase of the angle of incidence between wave and protective slope intensifies the erosive process of material that compose the banks.

Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre o efeito da ação das ondas nas margens de rios que estão a jusante de estruturas hidráulicas. O trabalho foi realizado em três etapas, sendo a primeira realizada em modelo físico reduzido parcial de um vertedouro em degraus com canal a jusante, instalado no Pavilhão de Obras Hidráulicas (IPH/UFRGS). Nesta primeira etapa, diferentes condições de vazão e submergência foram consideradas, com o objetivo de avaliar as características das ondas de superfície, geradas a jusante de um dissipador de energia por ressalto hidráulico. As características avaliadas foram: altura, período, comprimento e celeridade das ondas. Os resultados dessa primeira etapa indicaram que as características principais das ondas, altura e período, estão mais relacionadas com a vazão escoada do que com a submergência do ressalto hidráulico. Além disso, através da comparação entre os dados estimados e observados da celeridade da onda, foi possível identificar que o período significativo da onda representa melhor a caracterização de uma onda que o período de pico, para ondas geradas a jusante de ressalto hidráulico. Na segunda etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas em um canal de ondas bidimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Desta forma, foi possível avaliar o efeito da ação das ondas sobre taludes com diferentes inclinações e granulometrias de material de proteção. Os resultados desta etapa demonstraram que o talude construído com material de proteção, denominado de brita grande (G) e com inclinação 1(V):3(H), foi o que apresentou maior estabilidade após a ação das ondas, mesmo sendo este um material de diâmetro médio menor do que o recomendado pelos métodos tradicionais de dimensionamento. Na terceira e última etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas novamente, porém em um tanque de ondas tridimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Nesta etapa do estudo, foi avaliado o efeito da ação das ondas sobre diferentes ângulos de incidência das ondas sobre talude de proteção. Os resultados obtidos nesta etapa demonstraram que o aumento do ângulo de incidência das ondas sobre o talude de proteção, intensifica o processo erosivo do material de proteção das margens. / This work presents an experimental study about waves action effects on the banks of rivers that are downstream from hydraulic structures. The work was carried out in three stages, being that the first one was realized in a reduced partial physical model of a spillway with steps and a channel downstream from it, installed in the Hydraulic Works Laboratory (IPH / UFRGS). In this first stage, different flow and submergence conditions were considered, with the objective of evaluating the characteristics of surface waves, that were generated downstream from a energy dissipator by hydraulic jump. The evaluated characteristics were: height, period, length and celerity of the waves. The results of this first stage indicated that height and wave period, considered the two main characteristics of waves, are more related to the outflow than to the submergence of hydraulic jump. In addition, through the comparison between the estimated and observed data of wave celerity, it was possible to identify that the significant period of wave represents better the characterization of a wave than the peak period, for waves generated downstream from a hydraulic jump. In the second stage of the tests, the wave characteristics obtained in the first stage of the study were reproduced in a two-dimensional wave channel, installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). In this way, it was possible to evaluate the effect of wave action on embankments with different inclinations and composed by protection material of diverses granulometries. The results of this experiment demonstrated that the embankment constructed with protective material called large gravel (G) and slope 1 (V): 3 (H) was the one that presented greater stability after the waves action, even though this material to has an average diameter smaller than that recommended by traditional dimensional methods. In the third and last stage of tests, the wave characteristics obtained in the first stage of study were reproduced again, but now in a three-dimensional wave tank installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). At this stage of the study, the effect of wave action on different angles of incidence between waves and the protective embankment was evaluated. The results obtained from this step demonstrated that the increase of the angle of incidence between wave and protective slope intensifies the erosive process of material that compose the banks.

Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre o efeito da ação das ondas nas margens de rios que estão a jusante de estruturas hidráulicas. O trabalho foi realizado em três etapas, sendo a primeira realizada em modelo físico reduzido parcial de um vertedouro em degraus com canal a jusante, instalado no Pavilhão de Obras Hidráulicas (IPH/UFRGS). Nesta primeira etapa, diferentes condições de vazão e submergência foram consideradas, com o objetivo de avaliar as características das ondas de superfície, geradas a jusante de um dissipador de energia por ressalto hidráulico. As características avaliadas foram: altura, período, comprimento e celeridade das ondas. Os resultados dessa primeira etapa indicaram que as características principais das ondas, altura e período, estão mais relacionadas com a vazão escoada do que com a submergência do ressalto hidráulico. Além disso, através da comparação entre os dados estimados e observados da celeridade da onda, foi possível identificar que o período significativo da onda representa melhor a caracterização de uma onda que o período de pico, para ondas geradas a jusante de ressalto hidráulico. Na segunda etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas em um canal de ondas bidimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Desta forma, foi possível avaliar o efeito da ação das ondas sobre taludes com diferentes inclinações e granulometrias de material de proteção. Os resultados desta etapa demonstraram que o talude construído com material de proteção, denominado de brita grande (G) e com inclinação 1(V):3(H), foi o que apresentou maior estabilidade após a ação das ondas, mesmo sendo este um material de diâmetro médio menor do que o recomendado pelos métodos tradicionais de dimensionamento. Na terceira e última etapa dos ensaios, as características das ondas obtidas na primeira etapa do estudo foram reproduzidas novamente, porém em um tanque de ondas tridimensional, instalado no Pavilhão Fluvial (IPH/UFRGS). Nesta etapa do estudo, foi avaliado o efeito da ação das ondas sobre diferentes ângulos de incidência das ondas sobre talude de proteção. Os resultados obtidos nesta etapa demonstraram que o aumento do ângulo de incidência das ondas sobre o talude de proteção, intensifica o processo erosivo do material de proteção das margens. / This work presents an experimental study about waves action effects on the banks of rivers that are downstream from hydraulic structures. The work was carried out in three stages, being that the first one was realized in a reduced partial physical model of a spillway with steps and a channel downstream from it, installed in the Hydraulic Works Laboratory (IPH / UFRGS). In this first stage, different flow and submergence conditions were considered, with the objective of evaluating the characteristics of surface waves, that were generated downstream from a energy dissipator by hydraulic jump. The evaluated characteristics were: height, period, length and celerity of the waves. The results of this first stage indicated that height and wave period, considered the two main characteristics of waves, are more related to the outflow than to the submergence of hydraulic jump. In addition, through the comparison between the estimated and observed data of wave celerity, it was possible to identify that the significant period of wave represents better the characterization of a wave than the peak period, for waves generated downstream from a hydraulic jump. In the second stage of the tests, the wave characteristics obtained in the first stage of the study were reproduced in a two-dimensional wave channel, installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). In this way, it was possible to evaluate the effect of wave action on embankments with different inclinations and composed by protection material of diverses granulometries. The results of this experiment demonstrated that the embankment constructed with protective material called large gravel (G) and slope 1 (V): 3 (H) was the one that presented greater stability after the waves action, even though this material to has an average diameter smaller than that recommended by traditional dimensional methods. In the third and last stage of tests, the wave characteristics obtained in the first stage of study were reproduced again, but now in a three-dimensional wave tank installed in the Fluvial Laboratory (IPH / UFRGS). At this stage of the study, the effect of wave action on different angles of incidence between waves and the protective embankment was evaluated. The results obtained from this step demonstrated that the increase of the angle of incidence between wave and protective slope intensifies the erosive process of material that compose the banks.

Em aproveitamentos hídricos, onde podem estar envolvidas elevadas alturas de água armazenada, o vertedouro é a estrutura hidráulica responsável por conduzir com segurança o escoamento que excede a capacidade de armazenamento do reservatório. Neste aspecto, é necessário considerar o processo de dissipação de energia a fim de proteger o pé da barragem e a própria estrutura do vertedouro contra a ação erosiva da água. Este fluxo que é descarregado é usualmente amortecido por um colchão d’água, o qual é delimitado em uma bacia de dissipação projetada com intuito de resistir aos esforços impostos pelo escoamento. Em grandes barramentos, a utilização de um vertedouro tipo salto esqui, que é caracterizado por um defletor de fluxo no final de sua calha, possibilita que não haja necessidade de revestir o leito próximo do pé da barragem, pois a incidência do jato lançado ocorre distante deste local. Desta maneira, a dissipação da energia é efetuada sobre o próprio leito do rio, sendo formada uma fossa de erosão, contudo, dependendo da resistência do leito e de suas características anisotrópicas, os padrões de recirculação do fluxo podem fazer a fossa evoluir para uma situação nociva. Por isso, desde a fase de projeto desse tipo de vertedouro, monitoramento e previsões da progressão da fossa são essenciais. Então, conforme proposta deste trabalho, abordou-se cada fenômeno que influencia no potencial erosivo do jato, como a turbulência em sua emissão e o grau de difusão do mesmo no colchão d’água. Assim, com ensaios sobre modelo físico, foi possível desenvolver duas metodologias, aplicáveis tanto para a verificação da erosão de material granular na superfície de leitos, quanto para o interior de leitos rochosos fissurados, cujas forças atuantes em um bloco de rocha isolado, podem vencer seu peso submerso e o destacar da matriz. / In hydroelectric plants, which may be involved elevated heights of stored water, the dam spillway is responsible for safely flow the water that exceeds the storage capacity of the reservoir. In this respect, it is necessary to consider the process of energy dissipation in order to protect the base of the dam and the spillway structure itself against the erosive action of the water. This stream discharged is usually cushioned by a waterbed, which is bounded into a stilling basin designed with the purpose of resist the efforts imposed by the flow. In large dams, the use of a ski jump spillway type, which is characterized by a flow deflector at the end of its chute, allows no need lining the bed near the foot of the dam, since the impact of the jet is launched away this location. Thus, the energy dissipation is performed on the riverbed itself, generating a scour hole, however, depending on the resistance of the bed and its anisotropic features, patterns of flow recirculation can evolve the pit into a harmful state. For this reason, since the design phase of this type of spillway, monitoring and predicting the progression of the pit are essential. Then, according to the proposal of this work, it was dealt with each phenomenon that influences the erosive potential of the jet, as the turbulence at its issue on the air, and the level of its diffusion of on waterbed. Based on physical model tests, it was possible to develop two methodologies, applicable both for verifying erosion of granular material from the surface of the bottom, as for analyze the interior of a fissured bedrock, which the forces acting on an isolated block of rock can overcome its submerged weight and uplift it off the matrix.

Em aproveitamentos hídricos, onde podem estar envolvidas elevadas alturas de água armazenada, o vertedouro é a estrutura hidráulica responsável por conduzir com segurança o escoamento que excede a capacidade de armazenamento do reservatório. Neste aspecto, é necessário considerar o processo de dissipação de energia a fim de proteger o pé da barragem e a própria estrutura do vertedouro contra a ação erosiva da água. Este fluxo que é descarregado é usualmente amortecido por um colchão d’água, o qual é delimitado em uma bacia de dissipação projetada com intuito de resistir aos esforços impostos pelo escoamento. Em grandes barramentos, a utilização de um vertedouro tipo salto esqui, que é caracterizado por um defletor de fluxo no final de sua calha, possibilita que não haja necessidade de revestir o leito próximo do pé da barragem, pois a incidência do jato lançado ocorre distante deste local. Desta maneira, a dissipação da energia é efetuada sobre o próprio leito do rio, sendo formada uma fossa de erosão, contudo, dependendo da resistência do leito e de suas características anisotrópicas, os padrões de recirculação do fluxo podem fazer a fossa evoluir para uma situação nociva. Por isso, desde a fase de projeto desse tipo de vertedouro, monitoramento e previsões da progressão da fossa são essenciais. Então, conforme proposta deste trabalho, abordou-se cada fenômeno que influencia no potencial erosivo do jato, como a turbulência em sua emissão e o grau de difusão do mesmo no colchão d’água. Assim, com ensaios sobre modelo físico, foi possível desenvolver duas metodologias, aplicáveis tanto para a verificação da erosão de material granular na superfície de leitos, quanto para o interior de leitos rochosos fissurados, cujas forças atuantes em um bloco de rocha isolado, podem vencer seu peso submerso e o destacar da matriz. / In hydroelectric plants, which may be involved elevated heights of stored water, the dam spillway is responsible for safely flow the water that exceeds the storage capacity of the reservoir. In this respect, it is necessary to consider the process of energy dissipation in order to protect the base of the dam and the spillway structure itself against the erosive action of the water. This stream discharged is usually cushioned by a waterbed, which is bounded into a stilling basin designed with the purpose of resist the efforts imposed by the flow. In large dams, the use of a ski jump spillway type, which is characterized by a flow deflector at the end of its chute, allows no need lining the bed near the foot of the dam, since the impact of the jet is launched away this location. Thus, the energy dissipation is performed on the riverbed itself, generating a scour hole, however, depending on the resistance of the bed and its anisotropic features, patterns of flow recirculation can evolve the pit into a harmful state. For this reason, since the design phase of this type of spillway, monitoring and predicting the progression of the pit are essential. Then, according to the proposal of this work, it was dealt with each phenomenon that influences the erosive potential of the jet, as the turbulence at its issue on the air, and the level of its diffusion of on waterbed. Based on physical model tests, it was possible to develop two methodologies, applicable both for verifying erosion of granular material from the surface of the bottom, as for analyze the interior of a fissured bedrock, which the forces acting on an isolated block of rock can overcome its submerged weight and uplift it off the matrix.

Em aproveitamentos hídricos, onde podem estar envolvidas elevadas alturas de água armazenada, o vertedouro é a estrutura hidráulica responsável por conduzir com segurança o escoamento que excede a capacidade de armazenamento do reservatório. Neste aspecto, é necessário considerar o processo de dissipação de energia a fim de proteger o pé da barragem e a própria estrutura do vertedouro contra a ação erosiva da água. Este fluxo que é descarregado é usualmente amortecido por um colchão d’água, o qual é delimitado em uma bacia de dissipação projetada com intuito de resistir aos esforços impostos pelo escoamento. Em grandes barramentos, a utilização de um vertedouro tipo salto esqui, que é caracterizado por um defletor de fluxo no final de sua calha, possibilita que não haja necessidade de revestir o leito próximo do pé da barragem, pois a incidência do jato lançado ocorre distante deste local. Desta maneira, a dissipação da energia é efetuada sobre o próprio leito do rio, sendo formada uma fossa de erosão, contudo, dependendo da resistência do leito e de suas características anisotrópicas, os padrões de recirculação do fluxo podem fazer a fossa evoluir para uma situação nociva. Por isso, desde a fase de projeto desse tipo de vertedouro, monitoramento e previsões da progressão da fossa são essenciais. Então, conforme proposta deste trabalho, abordou-se cada fenômeno que influencia no potencial erosivo do jato, como a turbulência em sua emissão e o grau de difusão do mesmo no colchão d’água. Assim, com ensaios sobre modelo físico, foi possível desenvolver duas metodologias, aplicáveis tanto para a verificação da erosão de material granular na superfície de leitos, quanto para o interior de leitos rochosos fissurados, cujas forças atuantes em um bloco de rocha isolado, podem vencer seu peso submerso e o destacar da matriz. / In hydroelectric plants, which may be involved elevated heights of stored water, the dam spillway is responsible for safely flow the water that exceeds the storage capacity of the reservoir. In this respect, it is necessary to consider the process of energy dissipation in order to protect the base of the dam and the spillway structure itself against the erosive action of the water. This stream discharged is usually cushioned by a waterbed, which is bounded into a stilling basin designed with the purpose of resist the efforts imposed by the flow. In large dams, the use of a ski jump spillway type, which is characterized by a flow deflector at the end of its chute, allows no need lining the bed near the foot of the dam, since the impact of the jet is launched away this location. Thus, the energy dissipation is performed on the riverbed itself, generating a scour hole, however, depending on the resistance of the bed and its anisotropic features, patterns of flow recirculation can evolve the pit into a harmful state. For this reason, since the design phase of this type of spillway, monitoring and predicting the progression of the pit are essential. Then, according to the proposal of this work, it was dealt with each phenomenon that influences the erosive potential of the jet, as the turbulence at its issue on the air, and the level of its diffusion of on waterbed. Based on physical model tests, it was possible to develop two methodologies, applicable both for verifying erosion of granular material from the surface of the bottom, as for analyze the interior of a fissured bedrock, which the forces acting on an isolated block of rock can overcome its submerged weight and uplift it off the matrix.