Diseño Hidráulico De Estructuras

Apuntes de hidráulica 11 Capítulo S"

Diseño hidráulico de estructuras

Gilberto Sotelo Avila "

Apuntes de Hidráulica JI CAPITULO 8

,.,.,

DISENO HIDRAULICO DE ESTRUCTURAS

Gilberto Sote lo Avila

SOTELO Á VILA, Gilberto. Apuntes de hidráulica 11. Capitulo VIlI. Diseño hidráulico de obras. México, UNAM, Facultad de Ingeniería, 1994, p. 509-641.

Apuntes de hidráulica 11. Capítulo VllI. Diseño hidráulico de obras Prohibida la reproducción o transmisión total o parcial de esta obra por cualquier medio o sistema electrónico o mecánico (incluyendo el fotocopiado, la grabación o cualquier sistema de recuperación y almacenamiento de información), sin consentimiento por escrito del editor. Derechos reservados. @ 1994, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Ciudad Universitaria, México, D. F. Primera edición, junio de 1994. Impreso en México.

El contenido del capítulo 8 que aquí se presenta tiene mayor aplicación al tema de Obras

de control y excedencias de la asignatura Obras Hidráulicas de la carrera de ingeniero civil. Sin embargo, para no publicarlo como un tema aislado, se le ha considerado una continuación de los apuntes de Hidráulica 11 de la asignatura Hidráulica de Canales de la

misma carrera, a fin de facilitar las aplicaciones y referencias a los criterios empleados y como un complemento de dicha asignatura.

El autor

510

8.

8.1

DISEAo HIDRAULICO DE ESTRUCTURAS

Antecedentes -----------'.

El control del nivel del agua y la regulaci6n de des cargas son necesarios para propósitos de irrigación, energía hidroe16ctrica, conservación del agua, prevención y control de avenidas, navegaci6n interior, etc.Para ello se dispone de una amplia variedad de estructuras hidráulicas de control, adecuadas a las necesida des particulares, que varian desde vertedores o com-= puertas utilizadas en pequefios ríos y canales, hasta obras de excedencias en grandes presas. Las obras hidráulicas accesorias en los sistemas de aprovechamiento tienen como objetivo controlar y condu cir el volumen de agua necesario o el excedente hasta= el sitio en que se ~ppovecha o hacia el cauce del río. La obra de excedencias, la obra de toma y la obra de desvio son ejemplos de obra~ hidráulicas accesorias de gran utilidad en los aprovechamientos superficiales. Para alcanzar su objetiva estas obras están constituidas de diferentes componentes; cada una de ellas involu era distintos problemas en su diseño, que se relacio¡·= nan con las condiciones topográfi~as y geológicas dellugar, el diseño del vaso de almacenamiento, el control de las 'descargas, las necesidades de operaci6n y servi cio, los dafios a otras estructuras o al sitio de des-=

511

carga, pero esencialmente con su economia. La teoria básica para el disefiode estructuras hidráulicas con flujo permanente ha sido presentada en los capitulas anteriores, incluido también lo expuesto enel volumen l. El objeto de este capitulo es de presen tar las aplicaciones de dicha teoria al disefto hidráu= lico de algunas estructuras hidráulicas acce sorLas cui dando del doble aspecto del funcionamiento del controT mismo (como la capacidad misma de un cimacio para descargar avenidas en la magnitud requerida), como el deconocer qu~ controles pueden interferir o aón dominarla forma del perfil longitudinal del flujo del agua, -

Lo anterior tiene como objetivo adicional incluir aque llas consideraciones particulares que ameritan menci6~ especial, teniendo presente la dificultad que conlleva la generalizaci6n de conceptos y criterios aplicados a una obra de t e rmi nada . Es posible afirmar "a priori" -

que un factor importante en el éxito de un proyecto es tá represen tado por la experiencia y pr ác t i.c a profesio nal del proyectista, que encuentra un auxiliar valios~ en el estudio en modelo reducido al conducirlo parale-

lamente con la fase de proyecto. En este capitulo se incluye tambi~n el comportamiento~ de otras estructuras,como las terminales,que aunque no son de control, comunmente se asocian con ellas en las obras de ingenieria hidráulica.

En el dise~o hidráulico de las obras que aqui se tra-tan se maneja principalmente flujo permanente a superficie libre y es lo que hasta ahora se ha expuesto enlos anteriores capitulas. Por otra parte, considerando que un vertedor contituye una sección de control de apl í.c ací.ónmuy amp.í.i.a en las obras hidráulicas, se presentan enseguida los méFodosde d i scño de los ver-t edor-es de cimacio, que amplian 10 expuesto en el capitula 7 del vol. 1 e introducen consideraciones muy importantes en el disefto de obras deexcedencia u obras de control en general,con aplica- Clon en aprovechamientos para riego o generaci6n de energia hidroel&ctrica. 8.2

Vertedores de cimacio

8.2.1 Aspectos generales Los vertedores de cimacio consisten de una cresta de -

, 512

control de pared gruesa, cuyo perfil tiene aproximadamente la forma de la superficie inferior de una Lám i, na ventilada que vierte libremente sobFe la cresta (supcapitulo 7.4 del vol. 1); esto permite alcanzar un mejor coeficiente de descarga y mantener la estabili-dad estructural a trav~s del peso del concreto o mam-postería utilizado· en el cuerpo de la obra. El perfil puede abandonar dicha forma, una vez que se garantizapoco cambio en el coeficiente de descarga. Normalmente contin6a con una rápida tangente, de gran pendiente y relativamente corta, que remata en otra superficie de curvatura contraria a la de:)a,"'cresta y termina en tangente a la plantilla de un, canal' de conducción, tanq~e de amortiguación o a un salto de esquí.

=

t

El cimacio descri to consti tuye una "sección de control l' cuya descarga puede ser libre o controlada. En el dedescarga libre no' se utilizan elementos adicionales para regular las descargas, y el vertido se produce libremente sobre la cresta, permitiendo que su forma enplanta pueda ser recta o curva. En el de descarga con trolada se utilizan diferentes tipos de compuertas sobre la cresta y su forma en planta sólo puede ser recta o poligonal, con pilas intermedias para apoyo de las compuertas.

Para conducir el agua hasta el vertedor suele necesi-tarse un canal de acceso corto, casi siempre horizon-tal, que capte el agua del vaso de almacenamiento y la conduzcahasta la cresta del cimacio con velocidad peque fta, de distribución transversal uniforme para eliminarzonas muertas, y en dirección perpendicular a la cresta en cada punto (sección 8: 3.2). La velocidad del agua en el canal de acceso y la profundidad de ~ste respecto de la cresta vertedora tienen influencia importante en la descarga y en el disefio del perfil del cimacio. La lámina vertiente sobre el cimacio en su libre c~id~ se acelera y produce un flujo rápidamente variado porlos cambios tan bruscos y frecuentes en la curvatura de las líneas de corriente y junto con el salto hidráu lico, constituyen los casos más frecuentes de ocurren= cia de est~ flujo en la práctica. Su tratamiento difie re del expuesto para el gradualmente variado en el capítulo 5, ya que se realiza prácticamente con base en re sultados experimentales. Debido a que hay diferencias en el comportamiento y evaluación del flujo entre los cimacios de cresta libre y 103 con t r-o adós por compuer t as , se presentan ambos casos por separado. í

8.2.2

Cimacias

de cresta

llbr~

8.2.2. 1 Condiciones de d.iseño El caudal que vierte sobre un c í.mac o y la carga sobre la cresta son,en general, variables, seg6n la magnitudde los excedentes que se desea desalojar del almacenamiento. Sin embarg~ es evidente que el perfil del cimacia puede adaptarse de manera 6ptima a la lámina ver tiente que corresponde a un solo caudal o carga,y fun~ ciona con menor o mayor e f i c i enc i a en otras condiciones de o~0raci6n. Es motivo de análisis estohlccer qué caudal o cor.d i.c í.ón de de sc ai-qa debe e Leq.i rse comola "condición del d i.seño " del perfil del cimacio. í

Con f roc uo nc La d i.ch a condi cor-r-espond a a la de qasto

c ión s o elige de m.mo r-a quco c ar-qa máxima que se e spe ra

descargue el vertedor; en otros casos puede ser una in termedia, pero en la elección final debe tratar de· lo=- . grarse el mejor funcionamiento de la obra para cualquier condici6n de operación. El diseño

del

perfil

de un cimac o implica í

en t once s

-

e]. e9 i r' . un (1 " e E.1e~Ja el e el Ls (J ño ti H d o u 11 11 9 a s t o d e el .i s eñ o n .... Qd t de los que c1(:!f)en(lc~n. la forma y dimensiones de di .... -

eho perfil.

seg6n se indica en la Fig. 8.1, la carga-

la carga de velocidad de llegada enel canal de acce so (correspondiente al caudal. de diseño), la que a, .su vez depende de las dimensiones y profundidad P (respecto de In cresta) en dicho canal. Esto es: Hd = hd + ha, donde ha = (VO~2g~ de disefto incluye

8.2.2.2 Capacidad de descarga La capacidad

de descarga

de un cimacio,para la condi otra condición de ope~ ración, es Funci ón de la. longitud efectiva de la cres-:ta vertedora, de la carga real con que opere, de la geometria dol perfil y de las dimensiones y profundi dad del canal de acceso.

ci6n de disefto o para cualquier

En el caso de vertido libre (Fig. 8.1), con o sin pi las intermedias, la ecuaci6n para el c~lculo de la capacidad de descarga es la general de verLedores (ec. 7.6 del

vol.

1):

(8 . 1 )

514

donde

C coeficiente de descarg~ en H car~a total de operaci6n,

J4 /s inclciyendo carga de veloci

dad de llegada, en m Le Longitud efectiva de cresta,en m Q descarg~ en m Js En el cálculo de H se considera que: H = h + Vd/2g, donde Vo = q/ (P+h) es la velocidad de llegada y q ga~ to unitario en el canal de llegada. 8.2.2.3 Coeficiente de descarga El coeficiente C de la eco (8.1) depende principalmente de la carga H con que opera el vertedor en un ,mo-" ,

me~to dad~ de la carga Hd elegid~ para diseftar el per fiI del cimacio, de la profundidad del canal de acce so.T del talud de la cara aguas arriba y del grado de ahog~ miento de la descarga. La interrelaci6n de e con to dos estos elementos ha sido obtenida ónicamente de manera experimental y la que se presenta a continuaci6ncorresponde al U.S. Bureau of Reclamation (ref. 21).

=

La Fig. 8.2 muestra la gráfica principal que relaciona el valor de C, que en este caso adquiere el valor Co,con el de P/Ha (profundidad del canal de acceso ~ntrecarga de diseno) para el caso en que la carga deoperaci6n sea igual a la de diseno (H/Hd = 1) Y que ~l para mento aguas arriba del cimacio sea vertical. Aqui se= observa que cuando P = O, Ca = 1.705,que corresponde a un vertedor de cresta ancha y que cuando P crece, Co tambié~ hasta un máximo de 2.181, a partir del cual s~

mantiene constante. Cuando la carga de operaci6n es distinta de la de dise ño y se mantiene vertical la cara aguas arriba, el cae

ficiente de descarga varia con la relaci6n H/Hd, como= lo muestra la Fig. 8.3, en la que Co es el coeficiente obtenido de la Fig. 8.2. Es interesante observar que el coeficiente e es mayor que Ca cuando la carga de operaci6n es mayor que la de diseflo. Esto implica que es conveniente elegir una carga de diseño que sea me-nar que la máxima con que opere el cimacio, a fin de lograr mejores condiciones de operaci6n cuando la 61ti ma se presente; esto tiene la limitaci6n de presi6n n~

515

gativa máxima tolerable sobre la espalda del cimacio,de acuerdo con lo que se expone en el inciso 8.2.2.8~

Vo .., p Paramento aguas arribo

Fig. 8.1

Vertido libre sobre un cimacio