Estudo experimental da erosão localizada a jusante da descarga de fundo de uma barragem

Abstract

Os fenómenos de erosão localizada assumem um papel importante nas obras fluviais e marítimas. A compreensão deste fenómeno e a sua correta previsão é fundamental para um projeto bem-sucedido e pode ser alcançada recorrendo a uma abordagem experimental simplificada, essencial para a validação de modelos teóricos e numéricos. A presente dissertação descreve um estudo tudo experimental sobre a evolução temporal das dimensões das cavidades de erosão, provocada pelo modelo simplificado de uma descarga de fundo de uma barragem, demostrando a possibilidade de estudar estes fenómenos de forma rápida e económica. Adotou-se uma barragem de paramento vertical à escala 1/500 e simulou-se a descarga de fundo recorrendo a um orifício de eixo horizontal. Utilizaram-se diâmetros dos orifícios iguais a 5, 3,6 e 2 mm, localizados a distâncias do fundo iguais a 0, 1 e 2 cm. Adotou-se para cada orifício um caudal máximo e repetiram-se os mesmos ensaios para um caudal reduzido em 20%. Avaliou-se a influência da granulometria dos sedimentos recorrendo a areias de diâmetros médios iguais a 1,425, 0,638 e 0,338 mm e estudou-se a influência da altura da água a jusante da descarga variando-a entre 0 e 2 cm. Para caracterizar as cavidades de erosão, recorreu-se ao registo em vídeo dos ensaios utilizando uma máquina de filmar digital vulgar e à posterior análise das imagens recolhidas. Esta técnica revelou-se de simples utilização e adequada aos objetivos pretendidos. Foi possível determinar o perfil longitudinal do leito de sedimentos a jusante da descarga de fundo em diferentes instantes, e determinar a evolução temporal do fenómeno.

The phenomenon of localized erosion, i.e. scour, plays an important role in maritime and river works. The understanding of this phenomenon and its correct prediction is crucial for a successful design and can be achieved using a simplified experimental approach, essential for the validation of theoretical and numerical models. The present dissertation describes an experimental study about the temporal evolution of the dimensions of erosion cavities caused by the simplified model of a dam’s bottom discharge, showing the possibility of studying these phenomena quickly and inexpensively. A vertical dam at a length scale equal to 1/500 was adopted, and to the bottom discharge was simulated by means of an horizontal axis orifice. The orifice diameters were equal to 5, 3.6 and 2 mm, and were located at distances from the bottom equal to 0, 1 and 2 cm. For each orifice diameter a maximum flow rate was adopted, and the same tests were repeated reducing the flow rate by 20%. The influence of particle size was evaluated using sand of mean diameters equal to 1.425, 0.638 and 0.340 mm and the influence of the water level downstream of the discharge varying it between 0 and 2 cm was studied. It was possible to characterize the erosion cavities by means of recording the video images of the tests, using a camcorder and ordinary digital image analysis. This technique proved to be simple to use and appropriate to the intended objectives of this work. It was possible to determine the longitudinal profile of the sediment bed downstream of the bottom outlet at different times, and to determine the time evolution of the phenomenon.