ALIVIADEROS DE CIMACIO CON RÁPIDA

Integrantes: Bringas Segura, Aldo  Carbajal Alvarado, Janmarco  Moguel Morillas, José  Maldonado Ramírez, Víctor  Ruíz Vásquez, Alexander  Ruíz Figueroa, Edin 

Docente: Ing. Ricardo Narváez Aranda Curso: Estructuras Hidráulicas Ciclo:

IX

Trujillo – Perú Perú 2017

Informe N°02 Contenido I. I I.

INTR ODUCC IÓN .............................. .............................................. ................................ ................................. ................................. ............................... ............... 3 CO NJ UNTO H IDR Á ULICO ..................... ..................................... ................................ ................................. ................................. ......................... ......... 4 2.1 DEFINICIÓN .................................................................................................................................. ................................................................................................................................. 4 2.1 LAS PARTES PRINCIPALES QUE COMPONEN UN CONJUNTO HIDRÁULICO .......... 4 2.2 FACTORES A CONSIDERAR .................................................................................................... ................................................................................................... 4

III. A L IV IA D E R OS .... .. .............................................................................................................................................................................................................................. 5 3.1 INTRODUCCION: ......................................................... ......................................................................................................................... ................................................................ 5 3.2 Criterio de diseño de un aliviadero ............................................................................................. ............................................................................................ 5 3.3

Componentes de un Aliviadero ............................................................. ............................................................................................. ................................ 6

3.3.1 Canal de aproximación: ............................................................................................................ ............................................................................................................ 6 3.3.2 Estructuras de control: .............................................................................................................. .............................................................................................................. 7 3.3.3 Cimacio: ............................................................ ............................................................................................................................ .......................................................................... .......... 7 3.3.4 Canal Rápido: ............................................................................................................................. ............................................................................................................................ 8 3.3.5.- Estructuras finales, o disipadoras de energía: ................................................................ ................................................................ 9 3.3.6.- Sección Vertedero: ............................................................................................................ ........................................................................................................... 11 3.3.7.- Transición: ............................................................ .......................................................................................................................... .............................................................. 11 3.3.8.- Canal de salida ...................................................... .................................................................................................................. ............................................................ 11

IV. AL IVIA DE R O D E CIMAC IO CON R AP IDA ......... .............. .......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... .......... ......... ......... ......... .... 14 14 4.1 MARCO TEORICO: .................................................................................................................... ................................................................................................................... 14 4.2 ASPECTOS GENERALES DEL DISEÑO ............................................................................... .............................................................................. 14 4.3 ALIVIADEROS DE CIMACIO CONTROLADO POR COMPUERTAS ................................ ................................ 17

V. PROBLEMAS RESUELTOS ............................................................................................. 18 VI. B IB LIOG R A FÍA ............................ ............................................. ................................. ................................. ................................. ................................ .................... 26 26 VII . LI NK OG R A FÍA .................................. .................................................. ................................. ................................. ................................. ............................. ............ 26 26

I.

INTRODUCCIÓN Las grandes obras Hidráulicas deben contar con grandes de mecanismos de defensa contra desastres naturales y también debe contar con un sistema de seguridad para evitar posibles fallos de la estructura (Por Presión y rebalsamiento). Por eso las obras hidráulicas cuentan con 3 principales componentes, que aseguren un buen diseño hidráulico: Presa, Aliviadero y obras de toma. Estos mecanismos aseguran que la estructura hidráulica sea bien diseñada y construida en su margen. Para poder contar y precisar con el diseño de estas estructuras, se deben contar con los datos hidrológicos, brindados por SENAMHI. También la evaluación de impacto ambiental como herramientas de planificación es usada para predecir, analizare interpretar los efectos ambientales significativos de una propuesta, así mismo permite armonizar la economía como el entorno a ser intervenido. Estos tipos de estructuras nos ayudaran a descargar el agua excedente de avenidas que no cabe ser encargado destinado para almacenamiento y en las presas derivadores dejar pasar los excedentes que no desvíen el sistema de derivación.

II.

CONJ UNTO HIDR Á ULICO

2.1 DE FINIC IÓN Se define como Conjunto Hidráulico, al conjunto de obras que se construyen con el propósito de almacenar, evacuar y distribuir un cierto volumen de agua para satisfacer determinadas demandas de la zona donde se ubique.

2.1 LAS PA R TE S PR IN CIP ALE S QUE COMP ONE N UN C ONJ UNTO HID R ÁUL IC O a. Presa Es aquel objeto de obra dentro del Conjunto Hidráulico que se construye para embalsar el agua durante el período húmedo, con el propósito de crear una reserva para satisfacer las demandas de los usuarios en el período de seca.

b. Aliviadero Es aquella obra que se construye para evacuar el agua excedente o de avenida que no cabe en el espacio destinado para el almacenamiento.

c. Obra de toma Es aquel elemento dentro del Conjunto Hidráulico encargado de regular o dar salida al agua que se desea aprovechar del embalse.

2.2 FACTOR E S A CON S ID E R AR       

Topografía Geología Finalidad de embalse Estabilidad de taludes de excavación Permeabilidad y resistencia del suelo Tipo y volumen de excavación Posibilidad de erosión en el conducto de descarga

III.

ALIVIADEROS

3.1 IN TR OD UC CION: 





En un embalse, se señala la necesidad de amortiguar el volumen de una creciente o de un event o similar. Es por eso que la existencia de estructuras de alivio que tienen como finalidad retirar esos volúmenes de agua adicionales y cuyo almacenamiento, no ha sido considerado en el diseño de la presa. La ubicación de la estructura del aliviadero puede estar integrada a la presa o fuera de ella emplazado en el embalse. El aliviadero debe tener la capacidad de retirar esos volúmenes de agua adicionados, mediante el transito del progresivo del flujo, a través de los elementos estructurales que componen el aliviadero. El diseño de esta estructura, debe considerar el vertido atendiendo la seguridad de otros elementos del embalse y la disposición de las aguas deben estar diseñadas de tal manera para el impacto aguas abajo, sea el mínimo posible. El aliviadero puede presentar varias magnitudes del flujo a descargar, pero en realidad el diseño del aliviadero se basa en el cálculo de la máxima creciente por la hidrología de la cuenca de aporte. La descarga de cualquier magnitud que pueda presentar el aliviadero acumula grandes cantidades de energía cinética, para lo cual también se proyectan estructuras para disipar esta energía, las cuales serán señaladas.

3.2 C ri terio de dis eño de un aliviadero 





Un aliviadero es seleccionado de acuerdo a requerimientos de descarga, diseño de la presa, utilidad de la presa. La capacidad del aliviadero debe ser necesariamente igual pero generalmente mayor al caudal máximo de descarga. El caudal máximo de salida seria la creciente de diseño, termino obtenido del aporte de la cuenca en eventos de alta ocurrencia de la precipitación. Las crecientes en el aporte de la cuenca, son consideradas eventos aislados y ocasionales, y están relacionados con una probabilidad de ocurrencia, por lo que la determinación de estos se realiza por medio de un artificio matemático. Esta determinación se basa en seleccionar la capacidad del aliviadero en relación al riesgo de colapso e importancia de la presa. La selección del riesgo posible está relacionada con el periodo de retorno Tr, pues se evalúa la ocurrencia de la crecida máxima en un periodo de mil años. También tiene importancia en la determinación de l embalse el impacto de una ruptura, el material que se usó para la construcción, y la función del embalse. La ruptura de una presa, puede producir numerosos da ños destacándose una posible pérdida de vidas humanas, no menos importante, daños aguas abajo a la infraestructura, tierras cultivables y otros. Es el daño directo por la ruptura y el efecto de su acción es inmediato. También el factor bajo el cual se determina la capacidad de un aliviadero, es aquel asociado al material de construcción de la presa, pues una presa de concreto permite un mínimo vertido a través de la cresta de la presa, sin que peligre su infraestructura. Esta acción no es permitida por una presa de tierra, bajo ningún motivo. Finalmente, la función del embalse es un factor importante dado que su ruptura puede alterar la función que lo hacía indispensable, bien sea en el suministro de energía, agua, riego, o en el caso de control de inundaciones, la interrupción de esta función.

3.3 Componentes de un Alivi adero 

Cada aliviadero está conformado por una aproximación, cuya función es la de encausar el flujo de las aguas del reservorio, para el desalojo. La disposición de este flujo se regula con un control hidráulico, que en muchas ocasiones es un Cimacio, o como se ha venido haciendo, implica la utilización de un vertedero en laberinto. La cota de estructura de control es la que determina el nivel de aguas máxima. Aguas abajo a la estructura de control, el aliviadero debe poseer un conducto, que conduce el flujo hacia el antiguo cauce del rio, y que puede ser un túnel o canal con superficie libre, en régimen supercrítico, aunque en muchos casos se incluye aguas debajo de este canal una estructura de disipación de energía cinética.

3.3.1 Canal de aproximaci ón: 



Lo constituye un área dentro del vaso de almacenamiento en la cual el agua pasa del estado de reposo, desde el reservorio y de una velocidad mínima, a la estructura de control. Este canal se inicia con un tramo excavado en tierra o proyectado en la de presa, canal que normalmente conduce a un segundo tramo en concreto. El tramo excavado en tierra, presenta un ancho mayor que el tramo de concreto, motivado por la transición usada entre ambos canales. Se ilustra esta definición en las figuras II.7 y II.8, una vista axonometría y una vista en planta.

Fi g ura II.1 Pers pectiva de un canal de aproximación Fuente: apuntes Prof. J. J. Gaspar

Fi g ura II.2 V is ta en planta de la pers pectiva de canal de aprox imación Fuente: apuntes Prof. J. Gaspar

.







El tramo excavado en tierra es un canal de sección constante o variante. En algunos casos en su cercanía con el tramo en concreto, sus taludes y fondo se recubre con enrocado. El tramo en concreto es rectangular formado por la prolongación hacia aguas arriba, de las paredes del canal que constituye el vertedero, estas paredes alcanzan una cota igual a la de la cresta de la presa, el fondo de este tramo se reviste con losa de concreto que se extiende desde el cimacio hacia aguas arriba hasta la transición entre ambos tramos. La cota de fondo del canal de aproximación, corresponde a la del nivel de aguas normales restándole la altura de la estructura de control. Esta cota tiene efectos significativos en el coeficiente de descarga de la estructura de control, dado que, a mayor altura de estructura, mayor será el coeficiente de descarga y viceversa, pero al aumentar su altura también aumentan los costos de excavación. No existe en la bibliografía, parámetros de diseño del canal de aproximación, y es importante tener en cuenta que es difícil encontrar en la geomorfología de todas las presas construidas y a construir condiciones totalmente ajustadas a tablas de datos para la proyección de este. Por esta razón, se indica la particularidad de cada diseño de aliviadero. Sin embargo, existen una serie de normas de diseño, determinadas por las características que debe presentar el flujo de agua en la entrada de la estructura de control, que deben cumplir ambos tramos del canal de aproximación.

3.3.2 Es tructuras de control: 

La estructura de control, es el elemento que determina el nivel de aguas normales del embalse. Sobre este nivel se proyecta el aliviadero realice la descarga del excedente, a través de la estructura de control. Se espera que, durante la descarga, el nivel del embalse alcance el nivel de aguas máximas, sobre este nivel estaría en peligro la presa. Aun así, el canal del aliviadero tiene previsto un borde libre, como factor de seguridad.

3.3.3 Cimaci o: El cimacio es una de la estructura de control más usado, generalmente construida en concreto, que se obtiene, de inclinar un vertedero de pared en un vertedero de cresta viva, ajustándolo a la hidrodinámica del vertido del

flujo.

El cimacio es básicamente una estructura masiva de concreto, lo cual lo hace estable; está separado del resto de los componentes del aliviadero por juntas de dilatación, e igualmente dividido en varios bloques, cuando la longitud, determinada por el ancho del aliviadero, así lo requiere. En su base, normalmente se coloca un drenaje, cuya finalidad es captar cualquier filtración que pueda dar origen a inestabilidad de la estructura. El perfil de aguas abajo del cimacio debe unirse con el canal rápido. Sobre la cresta del cimacio, el flujo de agua alcanza la altura crítica haciéndose, el régimen hidráulico, antes del cimacio el flujo es subcritico y a partir de este punto es supercrítico. La figura II.3 ilustra las partes y la forma de lo que es un cimacio y su funci onami ento.

Fi g ura II.3 Ilus tración de un cimacio ag uas arri ba vertical Fuente: apuntes Prof. J. J. Gaspar

3.3.4 Canal Rápido: El canal rápido es un canal en régimen supercrítico que conduce el flujo desde el pie de la estructura de control, hasta la estructura final de disipación de energía. Sus dimensiones están determinadas tanto por la magnitud del caudal a descarga, el estudio económico del aliviadero como a las características morfológicas del sitio de aliviadero. Con respecto a estos canales se pueden destacar los siguientes aspectos:

1) Generalmente el canal rápido es un canal de ancho cons tante: Igual al ancho de la estructura de control, aunque en algunos casos se puede hacer convergente; o se hace necesario hacerlo divergente; con la finalidad de modificarlas condiciones hidráulicas en la entrada de la estructura final de disipación, para obtener las condiciones de disipación deseadas. En el caso del canal rápido convergente, se obtiene un ahorro con las cantidades de concreto y excavación. Debido a que el régimen del canal rápido es supercrítico, y la introducción de un elemento orientador del flujo, como lo son las paredes del canal, en una dirección distinta a la de la corriente, introduce en éste un sistema de olas cruzadas estacionarias. En el caso de la utilización de un vertedero de laberinto la generación de oleaje cruzado se incrementa. El efecto de este oleaje aumenta con el número de Froude, muchas veces la convergencia se hace mayor en la salida del cimacio, inicio del canal rápido, en donde el número de Froude es menor.

2) Por ser siempre el régimen hidráulico supercrítico, el alineamiento de los canales rápidos casi siempre es recto, aunque en algunos casos por razones de espacio y disponibilidades de topografía su alineamiento se hace curvo ajustándose así a las condiciones del sitio. En estos casos de rápidos con cambio de alineamientos, se producen ondas que se cruzan y que viajan aguas. abajo produciéndose sobre-elevación en la lámina de agua, que pueden pasar la altura de las paredes laterales del vertedero. Esto obliga a hacer estudios en modelos, para determinar sobreelevaciones y radios de curvatura y poder así proyectar las alturas de los muros laterales y mejorar el alineamiento del rápido, mediante modificaciones de diseño por sus dimensiones o incorporación de dispositivos.

3) Otro fenómeno propio del régimen supercrítico, es el de aire atrapado en la superficie libre cuando se desarrolla a lo largo de la lámina vertiente toda la capa límite turbulenta, esto produce, también, un incremento en la altura del nivel de aguas y debe ser considerado en el diseño de la altura de los muros laterales.

4) En rápidos donde los caudales a aliviar son grand es y se presentan notables diferencias de cotas entre inicio y fin del rápido: puede presentarse la destrucción del concreto, por el efecto de la cavitación dada la gran velocidad que alcanza el agua. Como medidas para evitársete suceso se aplica un acabado al concreto lo más liso posible. También se ha dado el caso de ser necesario, incorporar aire al flujo en las zonas de baja presión, o presión negativa mediante dispositivos transversales a la dirección del rápido, estos dispositivos están abiertos a la atmósfera mediante un sistema de tuberías. Los dispositivos incorporado res de aire comúnmente usados, son ranuras o canaletas, lanzadores y combinaciones de ambos. Su diseño requiere el uso de modelos e incluso se han hecho estudios en prototipo.

5) Los rápidos de los aliviaderos son casi siempre canales rectangulares, revestidos de concreto, con suficiente borde libre para evitar el derrame de agua y consecuente socavación del suelo adyacente, generalmente las paredes laterales son muros que funcionan como muros en voladizo empotrados a una zapata de fundación, la solera del canal se completa con losas. Los espesores de los muros laterales y zapatas dependen de las cargas a las que el muro está sometido. (Figura II.10a y II.10b)

Fi g ura II.4a Ilus tración de una s ecci ón transver s al de un canal rápido. Fuente: apuntes Prof. J. J. Gaspar

Fi g ura II.4b Ilus tración de una s ecci ón transvers al de un canal rápido. Fuente: apuntes Prof. J. J. Gaspar La losa central puede variar en espesor influyendo en esto las condiciones del suelo, carga de agua, etc... En los casos en que este canal se coloca sobre rocas de buenas características de fundación, se puede evitar los muros de voladizo, anclando la pared lateral a la roca, mediante estructuras particulares, según las necesidades específicas de cada aliviadero.

3.3.5.- E s tructuras finales, o dis ipadoras de energ ía: 

Las estructuras finales, cumplen en algunos casos la función de cambiar el régimen propio del canal rápido, supercrítico, a subcritico, así como minorizar o disipar la energía cinética contenida en el fluido descargado. En estos casos las estructuras utilizadas son los denominados estanques o pozos disipadores, y estos trabajan mediante la formación de un resalto hidráulico dentro de s u configuración. También existen los lanzadores o deflectores sumergidos, para los cuales existen una amplia serie de parámetros de diseño. También la estructurafinal es la responsable de la transición del flujo desde el aliviadero al curso de agua natural.



En otros casos la estructura final está constituida por un deflector o lanzador libre, el cual cambia la dirección de la corriente proyectándola lejos del aliviadero, en donde por su impacto se forma un estanque que constituirá un colchón de aguas en el cual el excedente de energía cinética es disipado.



Los estanques disipadores consisten, como su nombre lo indica en un estanque contiguo al canal rápido, dentro del cual se forma el resalto hidráulico, el régimen pasa a subcritico,

y con las velocidades suficientemente bajas, que pueden ser toleradas por el antiguo cauce del río o canal de descarga que conduce a éste. 

El diseño de estas estructuras, requiere de un gran volumen de material, en la gran mayoría de los casos concreto, para poder soportar las fuerzas de las presiones y vibraciones propias del resalto hidráulico, así la presión de poros desarrollada en la fundación. La presión de poros desarrollada en la fundación puede ser

negativa,

ocasionando la absorción de material, o positiva produciendo una fuerza aplicada, se ha dado el caso, de una combinación ambas. Su buen funcionamiento depende de la altura de restitución que se tenga aguas abajo, la cual debe ser igual a la altura conjugada del resalto para evitar que éste salga del estanque y socave el pie de la estructura. Estas estructuras se utilizan cuando no existen aguas abajo condiciones geológicas que permitan el uso de un lanzador, generalmente, cuando el cauce del antiguo río es erosionable, y se presenta la posibilidad de que la socavación creada por el chorro avance sin control hacia aguas arriba poniendo en peligro la estabilidad del mismo aliviadero y por consecuente el embalse. También se utilizan en aquellos casos en que la energía disponible no es suficiente para hacer funcionar el lanzador como tal. 

En muchos aliviaderos para embalses en Europa es común ver la utilización de los lanzadores. Los estanques disipadores incluyen obras de obras de transición entre el estanque y el curso de agua. (FigurasII.11 y II.12)

Fi g ura II.5 Ilus tración de un es tanque dis ipador.

Fi g ura II.6 Ilustraci ón de un lanzador

3.3.6.- S ección Vertedero: Es aquella que regula la descarga directamente del embalse. Esta sección define la capacidad de evacuación de un aliviadero. Un vertedor mal proyectado puede originar que el nivel de agua sobrepase la corona de la presa y derrame sobre ella, pudiendo ocasionar, sobre todo si se trata de presas de tierra, materiales, graduados o de enrocamiento, la falla de la estructura principal. Teniendo en cuenta que las fallas ocurridas mundialmente en presas de gravedad se han debido principalmente a la insuficiencia del vertedor de demasías, se tendrá especial cuidado en su diseño, basando los cálculos en datos obtenidos de la avenida máxima observada. Además de tener suficiente capacidad, se deberá cuidar que la descarga del vertedor no socave el talón de aguas debajo de la presa.

3.3.7.- Trans ición: Es una estructura que se ubica entre el cimacio y la rápida con el objetivo de cambiar la forma o las dimensiones o ambas, de la sección transversal, de la cual se puede prescindir en dependencia de las dimensiones del vertedor.

Fi g ura II.7 Ilustraci ón de un lanzador 3.3.8.- C anal de s alida Es el encargado de conducir el agua hasta el cauce viejo del río.

3.4 Clas ific ación de los alivi aderos

Los aliviaderos pueden ser clasificados de acuerdos a varios criterios: Tipo de flujo: es una clasificación que va indicado por el funcionamiento del -

aliviadero, porque bien este puede funcionar bajo superficie libre o a presión, o bien una combinación de ambos. Esta clasificación va referida a las estructuras de conducción o disposición de las aguas. 

Ubicación del aliviadero. Es una clasificación, indicada por el punto de emplazamiento de estructura de captación con respecto al cuerpo de la presa.



Regulación de gastos: Señala dos tipos de aliviaderos, unos aquellos con compuertas que regulan el gasto a descargar y otra que permiten el flujo libre a través del aliviadero.

-

S eg ún s u Funci ón: Se distingue tres tipos de aliviaderos: 

Aliviadero Princi pal o de S ervic io: Es aquel que debe funciona regularmente, siempre que las aguas de avenidas no puedan evacuarse por otras estructuras.



Aliviadero Auxiliar o S ecundario: Es aquel que debe trabajar siempre que la capacidad del aliviadero deservicio sea insuficiente para evacuar toda el agua excedente. El funcionamiento del aliviadero auxiliar será poco frecuente y sólo será necesario cuando se presente una avenida de elevado periodo de retorno, para la cual el aliviadero de servicio no se de abasto.



Aliviadero de emerg enci a: Constituye un elemento fusible para la presencia de eventos imprevistos. No es una estructura, sino una vía de escape controlada para la evacuación del agua excedente.

De acuerdo a las características hidráulicas de operación: Se tiene cinco tipos de aliviaderos: 

Aliviadero de cimacio o descarga libre

Fig ura II.8



Aliviadero con rápida (chute)

Fig ura II.9 

Aliviadero de canal lateral

Fig ura II.9 

Aliviadero de pozo (Morning Glory)

Fi g ura II.10



Aliviadero de sifón

Fi g ura II.11

IV. ALIVIADERO DE CIMACIO CON RAPIDA 4.1 MAR CO TEOR ICO: El aliviadero de cimacio es el más común y normalmente se adapta a presas de concreto de gravedad. Los aliviaderos de cimacio provistos de compuertas en la cresta actúan como orificios bajo apertura parcial de las compuertas y como vertederos de descarga libre bajo apertura total de las compuertas.

4.2 AS PECTOS GENE RA LES DEL DISEÑO El diseño de un aliviadero normalmente involucra determinar la longitud de cresta “L”.

Si L es grande => Q es grande (y no debe ser mayor a un Qmax tolerable) => se determina Lmax. Si L es pequeño => H es grande (y no debe ser mayor a un Hmax tolerable)

A modo referenci al, puede señalars e que us ualmente L/H es del orden de 8 a 10. 

El aliviadero de cimacio con rápida tiene, para el caudal de diseño, una forma geométrica que se encuentra estrechamente relacionada con la forma del chorro de descarga sobre un vertedero rectangular de arista aguda. La forma de la estructura debe ajustarse a la curvatura que desarrolla la napa inferior del chorro de descarga.

Para un aliviadero de cimacio se tendrá:

Donde:

 =   / 

Cd = 0.75 L=longitud efectiva (m) Hd = carga sobre la cresta para el caudal de diseño (m) g = 9.81 m/s2

UPAO 

ALIVIADEROS DE CIMACIO CON RÁPIDA

Di s eño Hidráulico de aliviadero de cimacio con rápida

Cuando la cara anterior del aliviadero es vertical, la ecuación que describe la forma de la cresta es:

. = .   X = Eje vertical (m) Y = Eje Horizontal (m) 

Cuando el caudal circulante (Q) es menor que el de dis eño (Qd), el chorro de descarga se pega al contorno del aliviadero, ejerce presión y se desarrolla fricción. De esta manera, el aliviadero actúa hidráulicamente como un vertedero de pared gruesa, generando tirante crítico sobre la cresta. Se demuestra que, en este caso, Cd se reduce a 0.58.



Cuando el caudal de descarga (Q) es mayor que el de diseño (Qd), el chorro se desprende de la superficie, generando en la zona de separación presiones negativas o succión. En este caso, debe asegurarse que las presiones negativas no caigan a un valor cercano al de la presión de vapor, lo cual daría lugar a la generación del fenómeno de cavitación.

Las pruebas experimentales han permitido establecer lo s ig uiente: 

Para H=Hd => Cd=0.75



Para H=1.65*Hd => Cd=0.81 (este estado corresponde al límite práctico seguro frente a cavitación)



Para H=2*Hd => Cd=0.825 (en esta condición se está en riesgo inminente de cavitación)

En muchos casos, sobre todo para brindar facilidades de circulación sobre la cresta de la presa y/o para tener mayor control sobre la descarga mediante el empleo de compuertas, se intercala pilares en la cresta del aliviadero; los mismos que servirán de soporte para las losas de un puente o para fijar las compuertas de regulación de la descarga. En cualquier caso, hay que tomar en cuenta el efecto de contracción lateral que motivan los pilares y estribos, al modificar el patrón uniforme de las líneas de flujo. El efecto de contracción lateral se incorpora en los cálculos efectuando una corrección a la longitud de cresta del aliviadero.

Universidad Privada Antenor Orrego

UPAO


Long itud efectiva (Lef):

 = −  +   L – longitud real (m) N – número de pilares (unidades) KP – coeficiente de contracción debida a los pilares KA – coeficiente de contracción lateral debida a los estribos H – altura de carga sobre la cresta (m)

Valores de "Kp" Forma de la cabeza del pilar

Kp

Rectangular con esquinas redondeadas Redonda Triangular

0.02 0.01 0.00

Valores de "Ka" Forma del Estribo

Ka

Muro perpendicular al eje de la corriente, con arista viva

0.20

Muro perpendicular al eje de la corriente, con esquina redondeada

0.10

Muro a 45° con el eje de la corriente


0.00

UPAO


4.3 ALIVIADE ROS DE C IMACIO CONTROLADO POR C OMPUER TAS Calculo Cd por medio del siguiente abaco:


UPAO


V. PROBLEMAS RESUELTOS 1. Diseñar el un aliviadero de cimacio con descarga rapida con una pendiente de 5/3 con los siguienetes datos: 

4 vanos de 8 m c/u



3 pilare de secion rectangular con bordes redondeados



Estribos laterales a 90 grados, con bordes redondeados



4 compuertas ed arco de cilindro de 8m c/u



Caudal de diseño: 365 m3/s



Cd = 0.75

S olucion:

 = −  +   Long itud real = 8x4 => Lef = 32 m N = # de pilares => N = 3


UPAO


K p = 0.02 y K a = 0.10 => Lef = 32 – 2(3x0.02 + 0.10)xHd …..(1)

 =   / 

√ 29.81 ) (0.75) (Lef) ( / )……. (2)

=> Q = (2/3) (

y Q = 365 m3/s

R eemplazando (1) en (2) => Hd = 3.044 m Considerando los límites que se han hallado experimentalmente para los coeficientes de descarga 

Para H=Hd => Cd=0.75



Para H=1.65*Hd => Cd=0.81 (este estado corresponde al límite práctico seguro frente a cavitación)



Para H=2*Hd => Cd=0.825 (en esta condición se está en riesgo inminente de cavitación)

H = 3.044 m => Cd = 0.75 H = 5.0226 m => Cd = 0.81 H = 6.088 => Cd = 0.825

. = .   . = .. . . = 5.152 =>  = . X

Y

PENDIENTE

1

0.19409938

0.35908385

2

0.69972862

0.64724897

3

1.48148912

0.91358496

4

2.52252297

1.16666687

5

3.81169949

1.41032881

6

5.34077103

1.64673773

6.085

5.48158589

1.66654624

PENDIENTE = 1.667

A partir de 6.085 m s e tomará una line recta con pendiente 5/3 = 1.667


UPAO


PROBLE MA 2. Con los datos del problema anterior, obtener los caudales cuando las compuertas están abiertas una distancia de 0.5 m, 1 m, 1.5 m, 2 m, 2.5 m y 3 m. Para una carga constante de 3 m.

S olución:

 = −  +   Long itud real = 8x4 => Lef = 32 m N = # de pilares => N = 3 Haltura de carga (Hd) = 3m Lef = 32 – 2(3x0.02 + 0.10)x3 => Lef = 31.04m Para calcular los caudales se va ser uso del abaco y la formula que se muestran a continuacion:

H= 3

d

Lef = 31.04

d/H

Cd

Q

0.5

0.167

0.702

80.001

1

0.333

0.687

149.097

1.5

0.500

0.667

205.362

2

0.667

0.652

250.772

2.5

0.833

0.640

284.079

3

1.000

0.738

351.494


UPAO


PROBLE MA 3. Con los siguientes datos determinar la longitud y altura del aliviadero de cimacio 

Usar 4 pilares de sección redonda y 5 vanos



Estribos laterales a 90 grados, con arista viva



Longitud de embalse 10 Km



Longitude de la cresta 120 m



Cd = 0.75 T(h) I(m3/s) T(h) I(m3/s)

1 13 7 421

2 15 8 395

3 25 9 236

4 70 10 156

S olución:

 =   /  √ 29.81 ) (0.75) (Lef) ( / ) Q = 2.215 (Lef) ( / )…(1) Q = (2/3) (

Asumiendo criterio L/H es del orden de 8 a 10 L/H = 10 => L = 10H

 =  −  +  

K p = 0.01; K a = 0.20 Lef = 10H – 2(4x0.01 + 0.20)



Lef = 9.52H….(2)

(2) en (1)

/ ) => H = 0.294 ( / )

Q = (21.0868) (


5 120 11 95

6 245 12 65

UPAO


Calculo del volumen de embalse y la funci ón de almacenamiento

/ ) => V = 176400 /  + .  = 

V = (1/2) (10000) (120) (0.294) (

N = 49

/ + 0.5Q

/ ) H = 0.294 396.25/ H = 0.294 (

=> H = 3.21

X

Y

PENDIENTE

L = 10H

1

0.1855

0.34317

L = 10 (32.1)=> L = 32.1 => vanos de = 6.42m

2

0.66872784

0.61856424

3

1.41585323

0.87309677

4

2.41076511

1.11496262

5

3.64282595

1.34782596

6

5.10415351

1.57375773

6.42

6.05290625

1.66691743

. = .  . = .. Y = 0.1855  .


UPAO


PR OBLE MA 4. Con los datos del problema anterior obtener los caudales, considerar compuertas en los vanos de 6,42 m de longitud cuando estas abiertas una distancia de 0.5 m, 1 m, 1.5 m, 2 m, 2.5 m y 3 m. Para una carga constante de 3 m.

S olución

 = −  +   Long itud real = 6.42x 5 => Lef = 32.1 m N = # de pilares => N = 4 Haltura de carga (Hd) = 3m Lef = 32.1 – 2(4x0.01 + 0.20)x3 => Lef = 30.66m Para calcular los caudales se va ser uso del abaco y la formula que se muestran a continuacion


UPAO


d

d/H

Cd

Q

0.5

0.167

0.702

79.022

1

0.333

0.687

147.271

1.5

0.500

0.667

202.848

2

0.667

0.652

247.702

2.5

0.833

0.640

280.601

3

1.000

0.738

347.191

PROBLE MA 5. El registro histórico de Qmax anuales: media Qmax=320 m3 /s , desv. Estándar=70 m3 /s. El aliviadero será diseñado para una avenida centenaria determinar el caudal Max. Que podría descargar sin enfrentar problemas de cavitación.

Long . Cr esta. 30 m S olución: Q (t-100): se calcula por Gumbel.



Qmax (t-100) = +ks ………s = desv. Estándar. K=0.78Y – 0.45

-------

Y=- ln (- ln( 1-1/100 ) )=4.6

K = 0.78*4.6 – 0.45 = 3.138 Qmax( t- 100) = 320 + 3.138 x 70 = 539.7 m3 /s

Qmax = 539.7 m 3 /s Para la condic ión de dis eño: aliviadero

 =  .  2 .../

⁄   …=( .   .. ) 

.  ⁄  =   . √  ..  Hd= 4.04 ml H max seguro frente a covitación : 

H = 1.65 Hd



Hmax = 1.65 x 4.04 = 6.67 m.

Qmax seguro frente a covitacón:

 =  . √ 29.81  0.81  30  6.67 /…


Q

max =

1236 m3 /s

UPAO


PROBLE MA 6) Se tiene un rio en el que se va a desarrollar un proyecto de represamiento. De registros de Qmax anuales de dicho río, se sabe que: 

Media Qmax=586 m3/s



Desv. St. De Qmax = 162 m3/s

El aliviadero a proyectar como parte de este esquema de represa miento estará diseñado para evacuar en forma segura la avenida centenaria. Se pide determinar la lon gitud de cresta del aliviadero. Sabiendo que el embalse tiene un efecto atenuador del 25% y que la relación L/H del aliviadero es igual a 10.

S olución: a. Por G umbel:

 = − ∗ − ∗  −   = .∗  −.  = +  ∗ . Para T=100 años

1 ) = 4.6  = − ∗ − ∗ (1− 100  = 0.78∗ 4.6 −0.45 = 3.14  =  + ∗.   = 586+3.14∗162 = 1094.68  

E fecto atenuador del embalse:

   = 1094.68∗ 100% −25% = 821.01  b. Dimensiones del Aliviadero:

   = 821.01 

Relacion: Asumo Hd=4.2424 m

 = 10 

 →  = 10 ∗ 4.2424 = 42.424  =  ∗   ∗∗∗∗/  = 23 ∗ √ 2 ∗9.81∗0.75∗42.424∗4.2424     = 821.01  Finalmente:    = .  − − − −. Universidad Privada Antenor Orrego

UPAO


VI. BIBLIOGRAFÍA 1. Slisskiy, S. (1979). Cálculos hidráulicos para grandes estructuras hidrotécnicas. Ed.

Energía. Moscú, Rusia. 2. United States Departament of Interior, (1982). Diseño de Presas Pequeñas. Ed.

Continental S.A. México, México. 3. Nedrigui B. (1983). Manual del Diseñador de Estructuras Hidráulicas. Ed. Stroyizdat,

Moscú Rusia. 4. Gilberto S.(1995). DISENO HIDRAULICA DE ESTRUCTURAS -México, UNAM, Facultad

de Ingeniería, 1994, p. 9-60. 5. PROYECTO DE PRESAS PEQUEÑAS, Bureau of Reclamation, Autor Floyd E. Dominy,

Commissioner

VII. LINKOGRAFÍA  





  

http://masqueingenieria.com/2015/02/23/morni ng-glory-un-ali viadero-espectacul ar/ http://noticias.espe.edu.ec/wsandoval/files/2013/01/OB RAS -DE-DESVIO-YDESCARGA-HIDR%C3%81ULICA.pdf http://noticias.espe.edu.ec/wsandoval/files/2013/01/OB RAS -DE-DESVIO-YDESCARGA-HIDR%C3%81ULICA.pdf http://www.academia.edu/8350877/ Curso_Ingenier% C3%A Da_de_Recursos_H% C3% ADdricos http://biblioteca2.ucab.edu.ve/anexos/biblioteca/m arc/texto/AAE3203. pdf https://es.scribd.com/doc/59482866/Ejemplo-Del-V ertedero-Morning-Gl ory https://es.scribd.com/doc/105255525/DISENO-HIDRAULICO-DE-VERTEDE ROS


ALIVIADEROS DE CIMACIO CON RÁPIDA

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