Diseño Hidraulico De Vertederos Escalonados.hidraulica

DISEÑO HIDRAULICO DE VERTEDEROS ESCALONADOS

I.

Introducción

El uso de los canales escalonados ha aumentado debido al desarrollo de nuevas técnicas y materiales de manera rápida y económica. Actualmente, los canales escalonados se usan como vertederos y/o canales presas, diques, disipadores de energía en canales y ríos, o como aireadores en plantas de tratamiento y torrentes contaminados. II.

Conceptos

El uso de canales escalonados como vertederos es común, debido a que el método del CCR (Concreto Compactado con Rodillo) es compatible con las superficie escalonada de la cara de aguas abajo dela cortina de la presa. La presencia de escalones aumenta la resistencia al flujo y la disipación de energía, lo cual permite resistir el tamaño de las estructuras dicipadoras de energía aguas debajo de la rápida. Diversos investigadores han estudiado el flujo en vertederos escalonados. La mayoría de los estudios se han enfocado en vertedror escalonados con grandes pendiente (θ = 45°), típicas en presas de gravedad. En la actualidad son usados para todo tipo de estructuras como diques, disipadores de energía, etc.

Figura N° 1 Otra aplicación se trata de los “Vertederos dederrame en presas de materiales sueltos o enrocamiento”, consiste en colocar escalones de CCR o bloques de

concreto pre fabricado sobre cara aguas debajo de la cortina de la presa para que una sección o toda la cortina funcione como vertdero al ser rebasada. III.

Vertedero Escalonada

Un Vertedero escalonado que contenga escalones, donde: h (altura), L (huella) y θ (Pendiente del escalon). Su flujo es altamente turbulento y presenta autoaireación o aguas blancas

Figura N°2 A. Tipos de Flujo El flujo sobre le vertedro escalonado se divide en función del gasto de operación en tres diferentes regímenes. Flujo saltante (Nappe), flujo transitorio y flujo rasante (Skimming) Para gastos pequeños, el flujo escurre sobre el vertederoen forma de caídas sucesivas que saltan de un escalon a otro impactando en la huella del escalon.

Figura N°3

A.1 Características de Flujo Definida la geometría de un aliviadero escalonado se distingue, en función del caudal circulante, dos tipos de flujos: Flujo escalón a escalón: Se caracteriza por la formación de una lámina de agua en cada salto de cada escalón. Así, todo el caudal que sale de un escalón golpea en el escalón inferior, pre-sentando un aspecto de lámina aislada. En tal caso, la aproximación del flujo a la arista del escalón sobre la cual se produce el vertido libre hacia el escalón inferior se realiza en régimen subcrítico. Este esquema se establece para rangos de caudales relativamente pequeños, y se observa la formación de un colchón sobre la superficie del escalón. De esta manera, un determinado flujo que deja un escalón, pasará de un calado subcrítico ha calado crítico para, en el vertido, pasar a un régimen supercrítico. Esto implica que se pasará de régimen supercrítico a subcrítico en cada escalón. El resalto hidráulico es, por tanto, una característica importante de esta categoría de flujos. Flujo rasante: Éste se caracteriza por el completo sumergimiento de los escalones, de manera que no presenta el aspecto de una lámina fluyente que salta de escalón a escalón, así como de la elevada concentración de aire que aparece en el flujo. Fijada la geometría del aliviadero escalo-nado, se pasa de flujo escalón a escalón a flujo rasante, de manera progresiva para caudales crecientes. Tras una observación detallada se distinguen dos zonas claramente diferenciadas en el vertido Una zona inferior; formada por celdas casi triangulares en las que el agua permanece atrapada, salvo la que se intercambie con el flujo superior gracias a la elevada turbulencia. En Sánchez-Juny (2001) se presenta la siguiente expresión para definir el umbral de cambio de régimen (flujo escalón a escalón a flujo rasante), válida para estructuras escalonadas con pendientes entre 0.2v:1h y 1v:0.78h:

𝑌𝐶 ℎ = 0.983 − 0.171 ℎ 𝑙 Yc = es el calado crítico (m), correspondiente al caudal unitario, q h = altura del escalon (m) l = longitud de la huella del escalon (m)

Aireación del flujo En Matos et al. (1999) se presentan los primeros resultados de la investigación que llevan a cabo acerca de la caracterización de la aireación en el flujo sobre aliviaderos escalonados. Para ello se desarrolla un sensor cuyo principio de medida se basa en la distinta resistividad eléctrica que presentan el agua y el aire. Así, si se introduce dicho sensor en el flujo, cada vez que una burbuja de aire pase a través de los dos conductores que lo conforman, entre los cuales existe una diferencia de potencial, se registrará una caída en la tensión eléctrica. Haciendo un mues-treo a una cierta frecuencia e integrando la señal resultante a lo largo de un período de tiempo fijo podrá estimarse la probabilidad de encontrar una cierta concentración de aire en la mezcla. Así, si se asume que en el flujo la velocidad del aire es aproximadamente igual a la del agua, entonces la concentración de la mezcla aire

Figura N°4

Se muestran los perfiles de concentración de aire presentados en la citada referencia para un caudal líquido 0.1 m²/s, obtenidos en la dirección normal al flujo sobre la arista exterior de los peldaños ubicados a una distancia en la dirección vertical de 0.66 m, 1.30 m y 2.10 m del umbral del aliviadero. Las variables utilizadas son las ya definidas Y90 y, C además de Ce que es la concentración media de equilibrio en un aliviadero liso, no escalonado. También se muestra la distribución de la concentración de aire estimada por Wood (1985), para una aliviadero liso de idéntica pendiente en la zona de régimen uniforme. Otros autores también hacen notar que:  La concentración de aire cercana al fondo, junto a la arista exterior del peldaño se incrementa considerablemente desde el punto de medida más aguas arriba a un punto intermedio, al igual que la concentración media. Dicho incremento, en cambio, es menor si se compara la concentración de aire del peldaño intermedio de medida con uno ubicado casi en el extremo aguas abajo  Los perfiles de concentración de aire parecen mostrar la existencia de una capa límite de unos 13 mm de espesor.  La distribución de la concentración de aire en la sección más aguas abajo muestra una buena concordancia con el ajuste de Wood (1985) realizado para una rápida lisa, no escalonada, dela misma pendiente.

Chason (2002).- Propuso que el flujo saltante puede a su vez ser dividido en tre Subtipos  Flujo saltante con salto hidruaulico total o parcialmente desarrollado (Tipo NA1 o NA2, respectivamente)  Flujo saltante sin salto (Tipo NA3) El flujo de transición se observa cuando el vertedero opera con gastos intermedios. Este régimen presenta fuertes fluctuaciones hidrodinámicas y una apariencia caótica con gran aireación de flujo y gran cantidad de atomización o “Spray”. Debe Cumplir con la siguiente relación

𝑞 √𝑔 ℎ𝑝𝑒 q = gasto unitario (m²/s) g = Aceleracion de la gravedad (m/s²) hpe = altura del escalón (m) θ = Angulo entre la horizontal

< 60 (cos 𝜃 )1.5

Figura N°4

A pesar de no haberlo estudiado a fondo, Elviro y Mateos (1995), y Qhtsu y Yasuda (1997) fueron los primeros en describirlo. Chanson y Toombs (2004) realizaron una de las pocas caracterizaciones de flujo transitorio con las que se cuenta hasta la fecha; sin embargo, la informacion que se tiene acerca de este tipo de flujo es aún muy limitada. A. Predicción del tipo de flujo El tipo de flujo sobre canales escalonados es función del gasto de operación y de la geometría de los escalones. Chanson (2002) y Yasuda (2001) recomendaron límites para predecir los tipos de flujo en canales escalonados. Ohtsu (2004) propusieron un criterio que permite predecir el límite entre los subtipos SKI y SK2 en canales con pendientes entre 5.7 y 19°.

Figura N°5 El flujo rasante tiene una apariencia similar al flujo en rapidas de fondo liso. En la parte aguas arriba, el flujo es transparente, sin embargo en la cresta del vertedor se genera turbulencia y se desarrolla una capa limite turbulenta. Cuando esta alcanza la superficie libre del flujo se inicia el proceso de auto-aireacion del flujo. A este punto se le conoce como punto de inicio de ingreso de aire. En las inmediaciones del punto de inicio de ingreso de aire

IV.

Criterios de Diseño

En aliviaderos escalonados en presas de hormigón compactado el tamaño de los escalones (longitudes de huella y contrahuella) viene condicionado por el proceso constructivo. Esto es, dependiendo del espesor y número de tongadas que se planteen durante la construcción del cuerpo de la presa. Los valores más habituales, como puede verse en la Tabla 1, normalmente se encuentran entre 0.90 m y 1.20 m.

Tabla N° 1 El riesgo en el caso de vertido por coronación (overtopping) de ciertas presas de materiales sueltos, ha conducido a soluciones de protección del paramento aguas abajo con HCR. Éste se coloca mediante una sucesión de capas de 0.20m a 0.40 m de espesor, con un ancho superior a los 2.5 m (Chanson (2002)). El mismo autor sugiere que estos diseños son adecuados para vertidos inferiores a 5 m²/s, en caso contrario se recomienda un recubrimiento de hormigón convencional sobre el de HCR. Igualmente, puede optarse por una solución de protección mediante bloques de hormigón prefabricado. Algunos de dichos diseños pueden verse en Baker (2000a, 2000b). A. Diseño de transición desde el Umbral

Entre la cresta del aliviadero y la zona de pendiente constante, donde puede ya suponerse que el flujo se encuentra totalmente desarrollado, se destaca la existencia de una zona de transición que ocupa los primeros peldaños, en los cuales se puede observar como el primer escalón puede actuar como deflector del flujo, enviándolo hacia los escalones inferiores en forma de chorro. Para corregir este efecto, se construye en esta zona de transición escalones de menor tamaño, que vayan tendiendo de manera gradual a las dimensiones de los escalones establecidas para aquella estructura. Mateos y Elviro (1995) proponen para el diseño de dicha zona de transición el gráfico adimensional, obtenido de los estudios desarrollados sobre aliviaderos

escalonados con taludes de 1v/0.75h y altura de escalón de 0.9m a 1.2 m, de las presas de la Puebla de Caza-lla, Sierra Brava y Val

Figura N° 6

V.

Formulas

A. Altura de las gradas

h = Cota inicio − cota final B. N° Escalones (Zb)

N° Esc. = h = Altura de gradas (m)

𝐻 4

C. Carga sobre el Vertedero (h0) 3

Q = C ∗ b ∗ 𝐻2 Q = Caudal (m³/s) C = Coeficiente de descarga b = base del canal h0= Carga de Velocidad D. Sobre elevación del escalón (Y1)

Y1 = Y canal − ℎ0 Y canal = Tirante del canal h0= Carga de Velocidad E. Tirantes Conjugados (d1 y d2)

d1 =

𝑞

√2 ∗ 𝑔 (𝑇 − 𝑑1)

𝑑1 𝑑1 2 2 ∗ 𝑑1 ∗ 𝑣 2 d2 = + √ + 2 4 𝑔 q = Caudal unitario

q=

Q 𝑏

T = Transición

T = Zb + Y1 + ℎ0 V = Velocidad (m/s)

𝑉1 =

q 𝑑1

F. Verificación de Sumergencia (Debe Cumplir)

H + Y2 > 0.9 ∗ 𝑑2 Y2 > 0.25 ∗ 𝑑2 F.1. Recalculando el Y2

𝑌2 = 𝑍𝑏1 + 𝑍𝑏2 + 𝑌1

G. Ecuación de Bernoulli

𝑑1 +

𝑣1 2 𝑣1 2 = 𝑌1 + 2𝑔 2𝑔

H. Longitud de posas – Cajones (Lp)

𝐿𝑃 = 1.04 𝑥 𝑞1/3 √(𝑍𝑏 + 𝑌1) + 0.22(𝑞)2/3

VI.

Conclusiones

Se han presentado los principales criterios de diseño de aliviaderos escalonados. Estos pueden resumirse en:  caracterización de la geometría del aliviadero, esto es el tamaño del escalonado y el diseño de la transición desde el umbral del mismo a la zona de escalonado uniforme  la caracterización de los calados y velocidades del agua, así como de la energía que se disipa sobre el aliviadero, tomando en consideración el importante efecto que sobre todos estos conceptos tiene la aireación del flujo  Finalmente la caracterización del campo de presiones que el flujo desarrolla sobre los escalones