Manual De Hidraulica De Hecras.docx

Modelando compuertas, vertederos Esta versión de hecras permite al usuario modelar estructuras lineales tales como vertederoscompuerta, vertederos de excedencia, caídas, asi como estructuras laterales. Hecras tiene la habilidad de modelar compuertas radiales, planas (sluice) o compuertas de excedencia. La cresta del vertedero de las compuertas puede ser modelo tal que sea tipo creager (ogee), vertedero ancho (broad) o de cresta delgada (Sharp). En adición a la abertura de compuertas, el ususario puede tambien definir separadamente un vertedero de excedencias sin compuertas. Este capítulo describe los lineamientos del modelamiento general para uso de compuertas y vertderos en hecras, asi como tambien de las ecucación de hidráulica usadas. Se expone tambien información sobre modelamiento de caídas en hec ras. Para tener información de cómo se ingresan los datos en el software ver los capítulos 6 y 8 del manual del usuario. Contenidos -lineamiento general para modelar -calculos hidráulicos a través de compuertas -vertedero de excedencias sin compuertas -modelamiento de tomas laterales -caidas lineamiento general para modelar la opción de aliviadero tipo compuerta (gated spillway) y vertedero (weir) pueden ser usadas en hecras para estructuras transversales al curso de agua principal o estructuras laterales. Se pueden usar separadamente o una combinación de ambas. En la siguiente figura se muestra un dique con compuertas y un vertedero de excedencias.

En la figura mostrada arriba hay 15 compuertas idénticas y el total de la parte superior del dique es considerado como un vertedero de excedencias.

Las compuertas en hecras pueden ser modeladas como radiales, planas (sluice) y overflow gates. Las ecuaciones usadas para modelar la abertura de las compuertas pueden manejarse tanto para condiciones de sumergencia y no sumergencia en la entrada y salida de las compuertas (aguas arriba o aguas abajo). Si las compuertas están abiertas lo suficiente como para que existan una condición de no sumergencia en la cara aguas arriba, el programa automáticamente cambia a la ecuación de vertedero para calcular la hidráulica del fluido. La cresta del vertedero a través de las aberturas de las compuertas puede ser especificado como tipo creager (ogee), tipo ancho (broad) o tipo delgado (Sharp). El programa tiene la habilidad de calcular condiciones de flujo libre o condiciones de vertedero sumergido a través de la abertura de las compuertas. La siguiente figura muestra un diagrama de compuertas radiales y planas con diferentes crestas de vertedero.

Se pueden ingresar hasta 10 grupos de compuertas en el programa en cualquiera de las secciones transversales. Cada grupo puede tener hasta 25 compuertas idénticas. Las compuertas idénticas deben ser del mismo tipo, tamaño, elevación y coeficientes. Si todas las caracterís ticas de las compuertas son distintias excepto su ubicaicón física a lo largo del curso de agua, entonces las compuertas deben ingresarse como de grupos separados. La opción de vertedero de demasías puede ser usado por si solo o conjuntamente con la opción de compuertas. El vertedero es ingresado como una serie de puntos de estaciones y elevaciones a lo largo de la sección, lo que permite modelar formas de vertedero complicadas. El usuario debe especificar si el vertedero es tipo creager (ogee) ancho o delgado. El software tiene la habilidad de considerar sumergencia debido al tirante de agua aguas abajo. Adicionalmente, si el vertdero tiene forma creager (ogee) el programa puede calcular el coeficiente de vertedero apropiado para una carga de diseño dada. El coeficiente de vertedero decrecerá o se incrementará automáticamente cuando la carga real sea mas baja o mas alta que la carga de diseño. Ubicación de las secciones transversales 4 secciones transversales son requeridas en la vecindad de la estructura hidráulica para un modelo completo, dos aguas arriba y dos aguas abajo. En general debería haber secciones transversales adicionales aguas abajo para cualquiera de las esctructuras (puentes, alcantarillas, vertderos, etc) tal que la condición de contorno aguas abajo ingresada por el usuario no afecte el calculo hidráulico del flujo a través de la estructura. Con el propósito de simplificar la discusión de las secciones tranversales alrededor del vertedero o compuertas, solo se discutirá acerca de las 4 secciones tranversales mas cercanas a la estructura. Estas 4 secciones incluye: una sección suficientemente aguas abajo tal que el flujo se expanda totalmente, una sección ubicada

inmediatamente aguas abajo de la estructura tal que representa el tirante aguas abajo, una sección inmediatamente aguas arriba de la estructura tal que represente el tirante aguas arriba, y una sección aguas arriba lo suficientemente alejada tal que se ubique en donde el flujo empieza a contraerse. Tenga en cuenta que las secciones que rodean la estructura representan la geometría del rio o quebrada. La siguiente figura muestra lo descrito:

Sección 1: se debe ubicar lo suficientemente lejos de la estructura tal que en dicha ubicación el flujo se halle completamente extendido. Seccion 2: El computo de la superficie de agua en esta sección representará el tirante aguas abajo del vertdero y/o compuertas. Esta sección no deberá incluir ninguna parte de la estructura o dique, pero representa la forma física del rio justo aguas debajo de la estructura. La forma y ubicación de la sección es ingresada separadamente de la información de vertedero y compuertas. La opción de area no efectivas (ineffective area) es usada para restringir el area de la sección transversal en la sección 2 a una área tal que el ancho efectivo se acerque al ancho de las compuerta, hasta un punto en la vertical a partir del cual el flujo fluye sobre el vertedero . Las areas no efectivas son usadas para representar la correcta cantidad de area mojada, justo aguas debajo de la estructura. Establecer una cantidad correcta de area efectiva es muy importante a la hora de calcular de forma precisa el tirante aguas debajo de la estructura. Debido a que el flujo empezará a expandirse conforme sale de las ventanas de las compuertas, el area efectiva mojada en la sección 2 es generalmente mas amplia que el ancho de las compuertas. El ancho del area mojada efectiva dependerá en cuán lejos, aguas abajo, se ubica la sección 2 de la estructura. En general, una suposición razonable sería asumir una tasa de expansión de 1:1 sobre esta distancia corta. La Figura 8-4 ilustra la sección 2 de una estructura típica de vertedero y compuertas. En la Figura 8-4, la ubicación de los bordes del rio o quebrada se indica mediante pequeños círculos y las áreas de flujo inefectivas se indican mediante triángulos verdes.

La secciones 1 y 2 estan ubicadas tal que crean un tramo aguas debajo de la estructura en el cual HECRAS puede calcular de forma aproximada las perdidas por fricción y expansión que ocurren conforme el flujo se expande

Sección 3: se ubica inmediatamente aguas arriba de la estructura y representa la configuración o relieve del cauce aguas arriba de la estructura. La superficie de agua calculada en esta sección representa el tirante aguas arriba del vertedero o compuertas. La información ingresada al software acerca del vertedero y las compuertas se ubicará entre las secciones 2 y 3. La opción de area no efective (inefective area) es usada para restringir el area efectiva de flujo de la sección 3 hasta el punto en que el flujo pasa por encima del vertdero. La area de flujo no efectiva es usada para representar la correcta cantidad de área por la cual el caudal fluye. Debido a que el flujo se contrae rápidamente al entrar en las aberturas de las compuertas, el área efectiva de flujo en la sección 3 es generalmente más amplia que el ancho de las ventanas, El ancho del area efectiva en la sección 3 dependerá de cuán lejos está ubicada desde la estructura (la sección 3) En general es razonable asumir un contracción 1:1. La figura 8-5 ilustra la sección 3 para un modelo típico que incluye vertedero y compuertas. En la figura, los limites del cauce estan indicados con círculos y las estaciones y elevaciones de las areas no efectivas estan indicadas con triangulos

Seccion 4: La sección final es ubicada en un lugar donde el flujo no ha empezado a contraerse. La distancia es normalmente determinada asumiendo un contracción uno a uno. En otras palabras, el ratio promedio por el cual el flujo se contrae para pasar a través de las ventanas se asume que es un metro lateral por cada metro que se avanza hacia aguas abajo. El area total de la sección 4 es usualmente considerada como efectiva para conducir el flujo. Coeficientes de contracción y expansión: Los coeficientes son definidos por el usuario y son requeridos para calcular las predidas de carga debido a contracción y expansión del flujo. Se calcula multiplicando los coeficientes por la diferencia absoluta de la energía de velocidad entre 2 secciones. Si la energía de velocidad aumenta en la dirección aguas abajo se aplica el coeficiente de contracción. Si la energía disminuye se usa el coeficiente de expansión. La expansión de flujo causa mayores perdidas que la contracción. Hidráulica a través de compuertas. Como se menciono previamente, el programa es capaz de modelar compuertas radiales, planas, y vertderos. Las ecuaciones usadas para modelar pueden manejarse en condiciones sumergidas y no sumergidas, en la cara aguas arriba o aguas debajo de la compuerta. Cuando las compuertas están abiertas a una elevación mayor que el tirante aguas arriba, el programa cambia automáticamente a flujo sobre vertederos. Cuando el tirante aguas arriba es mayor o igual a 1.25 veces la altura de la abertura de la compuerta (con respecto a la cresta del vertdero de la compuerta) se usan las ecuaciones de flujo a través de las compuertas. Cuando el tirante aguas arriba esta entre 1 a 1.25 veces la altura de la abertura de la compuerta, el flujo se haya en una zona de transición entre flujo sobre vertederos y flujo en compuertas. El programa calcula la energía aguas arriba con ambas ecuaciones y luego calcula un promedio ponderado lineal de los dos valores ( este es un proceso iterativo para obtener la elevación final de tirante aguas arriba para un flujo en el rango de transisción). Cuando el tirante aguas arriba es igual a 1 o menos veces la abertura de la compuerta, entonces el flujo se calcula con la ecuación del vertedero.

Compuertas radiales Un ejemplo de compuerta radial con vertedero tipo ogee (creager) es mostrado en la siguiente figura:

El flujo a través de la compuerta es considerado como flujo libre cuando el tirante aguas abajo (ZD) no es lo suficientemente alto para incrementar la elevación del tirante aguas arriba para un flujo dado. La ecuación usada para compuertas radiales bajo condiciones de lfujo libre es como sigue:

Donde Q es caudal C coeficiente de descarga (típicamente varia entre 0.6 y 0.8) W ancho de la compuerta T altura trunnion (desde el vertedero hastal el punto pivot trunnion) TE exponente de altura trunnion (típicamente 0.16, por defecto es 0) B altura de abertura de la compuerta. BE exponente de abertura ( típicamente alrededor de 0.72, por defecto 1) H: energía aguas arriba por encima del vertedero (Zu-Zsp) HE exponente de energía, típicamente alrededor de 0.62 ( por defecto 0.5) Zu: Elevación de la línea de energía aguas arriba Zd: elevación de la superficie de agua, aguas abajo Zsp: elevación de la cresta del vertedero de la compuerta Cuando el tirante aguas abajo crece al punto que en la compuerta no hay flujo libre (la sumergencia aguas abajo esta causando un tirante aguas arriba mayor para un caudal dado) el programa cambia a la siguiente ecuación

….8.2 Donde H es Zu-Zd

La sumergencia empieza a ocurrir cuando el resultado de dividir el tirante aguas abajo entre el tirante aguas arriba del vertedero es mayor a 0.67. La ecuación 8.2 es usada para transición entre flujo libre y completamente sumergido. Esta transición está configurada de manera que el programa va a cambiar gradualmente a la ecuación de orificio (completamente sumergido) cuando las puertas alcancen una sumergencia de 0,80. La ecuación de orificio totalmente sumergido se muestra a continuación:

…8.3 Donde A : área de abertura de la compuerta H: Zu-Zd C: Coeficiente de descarga (típicamente 0.8) Compuerta Plana La siguiente figura muestra un ejemplo de compuerta plana con vertedero ancho (broad crest).

La ecuación para flujo libre es:

Donde: H: carga de energía aguas arriba, por encima del vertedero (Zu-Zsp) C: coeficiente de descarga (típicamente entre 0.5 a 0.7) W: ancho Cuando el tirante aguas abajo crece al punto en el cual el flujo a través de la compuerta ya no esta en condiciones libres (la sumergencia aguas abajo está causando un tirante aguas arriba mayor para un caudal dado) el programa cambia a la siguiente ecuación

…8.5 Donde H= Zu-Zd La sumergencia empieza a ocurrir cuando el tirante aguas abajo dividido entre la carga de energía aguas arriba por encima del vertedero da un resultado mayor a 0.67. La ecuación 8.5 es usada para la condición de transición entre flujo libre y sumergido. Cuando la compuerta llega a un grado de sumergencia de 0.8 usa la ecuación 8.3.

Compuerta de rebose las compuerta de rebose representan una compuerta en la cual la parte inferior se puede mover hacia arriba o abajo. Las compuertas de rebose pueden estar completamente abiertas al aire libre en la parte superior, o la parte superior puede estar cerrada. A continuación se muestra un ejemplo.

Las compuertas de rebose se modelan generalmente con la ecuación estándar de vertdero.

….8.6 C: coeficiente de vertdero, típicamente varía entre 2.6 a 4.0 dependiendo de la forma de la cresta del vertdero ( ancho, delgado o creager) La mayoría de este tipo de compuertas tiene a ser de vertedero delgado, entonces un valor típico de C es 3.2. L: longitud del vertdero H: carga de energía aguas arriba por encima del vertdero. Flujo bajo a través de las compuertas Cuando la superficie de agua es igual o menor que la parte superior de la abertura de las compuertas, el programa calcula el flujo a través de ellas con la ecuación del vertedero. Uun ejemplo es mostrado a continuación:

La ecuación estándar a usar es la siguiente:

C: coeficiente de vertedero, típicamente varía entre 2.6 a 4.1 dependiendo de la forma de la cresta del vertdero ( ancho, delgado o creager)

L: longitud del vertdero H: carga de energía aguas arriba por encima del vertdero. El usuario puede especificar qué tipo de vertedero usar para la cresta de la compuerta: ancho, creager o delgado. Si la cresta es del tipo creager (ogee) el coeficiente automáticamente será ajustado cuando la carga de energía aguas arriba es mayor o menor que un carga de diseño especificada por el usuario. El ajuste se basa en la curva mostrada en la figura 8-10 (berau of reclamation, 1977) La curva provee ratios para el coeficiente de descarga, basado en el ratio de la actual carga respecto a la carga de diseño del vertedero. En la figura He es la carga de energía aguas arriba, Ho es la carga de diseño, Co es el coeficiente de descarga para la carga de diseño (Ho), y C es el coeficiente de descarga para la carga de energía actual. Figura 8-10

El programa tiene en cuenta automáticamente la sumergencia en el vertedero cuando el tirante de agua a la salida (aguas abajo) es lo suficientemente alta para reducir la velocidad del flujo. Sumersión se define como la profundidad del agua por encima del vertedero en el lado aguas abajo dividida por la profundidad de energía de agua por encima del vertedero en el lado aguas arriba. Como aumenta el grado de sumersión, el programa reduce el coeficiente sobre el vertedero. Correcciones por sumersión se basan en la forma de la cresta del vertdero (cresta ancha, en forma creager o afilada). Si el aliviadero es una amplia forma de cresta, a continuación, la misma curva de inmersión que se utiliza para el flujo a través de una carretera en un puente (Figura 5-8) se utiliza. Si la cresta del aliviadero es de forma creager, una curva de la sumersión de la USACE EM 1110-2-1603 (placa de 3-5, AA) se utiliza. Si el vertedero es delgado, entonces la ecuación Villemonte (Villemonte, 1947) se utiliza para calcular el coeficiente de reducción de flujo.

Vertederos de rebose o demasías no controlados (sin compuertas) En adición a las compuertas el usuario puede definir vertederos de rebose o demasías no controlados en la misma sección. El vertedero puede representar un aliviadero de emergencia o la parte superior de la estructura. La ecuación estándar de vertedero es usada (ecuación 8.6). El vertedero puede tener forma ancha, creager o delgada. La selección del vertedero no limita el modelar otras formas pues el factor limitante es el coeficiente de vertedero, entonces el usuario es capaz de modelar otras formas de vertedero de las 3 que vienen por defecto en el programa mediante el uso de un coeficiente de vertedero apropiado. Sin embargo la selección de una de las formas de vertedero que vienen con el programa (ancho, creager o delgado) establece como el programa calculará el flujo sumergido sobre el vertedero. La siguiente tabla es una lista de típicos coeficientes de vertedero para varias formas de cresta: