UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO FACULTAD DE INGENIERIA E.P. INGENIERIA CIVIL
INGENIERIA HIDRAULICA II
UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO E.P. DE INGENIERIA CIVIL va
COMPUERTAS Y VERTEDEROS Ing° Ing °Carlos °Carlos Carlos A. A. Altamirano Altamirano A. A.
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COMPUERTAS Y VERTEDEROS Ing° Ing °Carlos °Carlos Carlos A. A. Altamirano Altamirano A. A.
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AFORO EN CURSOS DE AGUA CON SUPERFICIE LIBRE
COMPUERTAS VERTEDEROS
COMPUERTAS Y VERTEDEROS Son estructuras de control hidráulico. Su función es la de presentar un obstáculo al libre flujo del agua, con el consiguiente represamiento aguas arriba de la estructura, y el aumento de la velocidad aguas a a o.
COMPUERTAS COMPUERTA TIPO SEGMENTO • Las compuertas de segmento son muy utilizadas en la cresta de los vertederos de las presas. Antiguamente se movían jaladas por cadenas, mediante dispositivos instalados en los pilares del vertedero. Actualmente son accionadas pneumáticos. • Algunas compuertas de este tipo disponen, en la parte superior, de una parte abatiente. Esto permite descargar caudales pequeños, liberar el embalse de materiales fluctuantes y llenar la cuenca de disipación del vertedero para mejorar su funcionamiento en las fases iniciales de grandes descargas.
COMPUERTAS COMPUERTA HIDRÁULICA • Una compuerta hidráulica es un dispositivo hidráulico mecánico est na o a regu ar e pasaje de agua u otro fluido en una tubería, en un canal, presas, esclusas, obras de derivación u otra estructura hidráulica.
COMPUERTAS COMPUERTA TIPO ANILLO • Las compuertas tipo anillo son utilizadas en la cres a e os vertederos tipo "tulipa", en las presas que están equipadas con este tipo de vertedero.
COMPUERTAS COMPUERTA TIPO BASCULANTE • Compuerta basculante o clapeta puede ser utilizada tanto en la cima del vertedero de una presa como instalado en el fondo de un río o canal
COMPUERTAS COMPUERTA TIPO CILINDRO • Las compuertas cilíndricas se utilizan para descargas en resión ermitiendo la colocación de la sección de toma a cualquier profundidad, en un embalse. En el mismo pozo se pueden disponer tomas de agua a diversas alturas. Se acopla fácilmente a una tubería de salida.
COMPUERTAS COMPUERTA TIPO ESCLUSA • Las compuertas tipo esclusa tienen las bisagras verticales, son accionadas or medios mecánicos, o por pistones hidráulicos. La compuerta se abre para permitir el pasaje del buque. Solo puede ser abierta cuando los niveles de agua fuera y dentro de la esclusa se encuentran con pocos centímetros de diferencia.
COMPUERTAS COMPUERTA TIPO LAGARTO • Las compuertas tipo "lagarto" son utilizadas para abrir o cerrar tomas en presión para descargas de fondo o para centrales hidroeléctricas.
COMPUERTAS COMPUERTA TIPO TAMBOR • La compuerta tipo tambor es un tipo de compuerta hidráulica utilizada en vertederos de presas. Es operada utilizando el desnivel r p r yn requiere de equipo mecánico para su operación. • La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace que el vertedero no pueda tener la forma óptima, lo que incrementa el volumen de hormigón del mismo.
COMPUERTAS COMPUERTA TIPO TEJADO • La compuerta tipo tejado es un tipo de compuerta hidráulica utilizado en vertederos de presas. Es operada utilizando el desnivel de agua creado por estas y no requiere de equipo mecánico para su operación. • La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace que el vertedero no pueda tener la forma óptima, lo que incrementa el volumen de hormigón del mismo.
VERTEDEROS Los vertederos establecen un control en la sección de su ubicación, originando una relación definida en re escarga y profundidad en la proximidad del instrumento. Los vertederos se emplean principalmente en el aforo de caudales
CLASIFICACION 1. Por la Forma pueden ser: a. Simples : rectangulares, triangulares, circulares, etc b. Compuestos: trapeciales, secciones combinadas 2. Por el espesor de la pared a. De pared delgada b. De pared gruesa
VERTEDEROS DE CRESTA DELGADA Lados cresta
VERTEDERO RECTANGULAR
talud cresta
VERTEDERO CIPOLLETTI
VERTEDERO TRIANGULAR
VERTEDEROS CON DOS CONTRACCIONES
FLUJO
Perfil de acero
SECCION A-A
napa
VERTEDEROS EN PARED DELGADA
SIN VENTILACION
VENTILACION INSUFICIENTE DEPRESION BAJO LA LAMINA
VERTEDEROS EN PARED DELGADA
VENTILACION SUFICIENTE PRESIONES EQUILIBRADAS
SOBREPRESION BAJO LA LAMINA
NOTESE LAS DIFERENTES ELEVACIONES DEL AGUA BAJO LA LAMINA Y LAS DISTINTAS FORMAS DE ESTA
Respiradero de aire
napa Zona de medición
Sección A-A
Tubos respiraderos
CLASIFICACION
1. Por la Forma de la caida: a. Vertederos no sumergidos o libres
b. Vertederos ahogados o sumergidos
COFICIENTES DE CONTRACCION Cc, VELOCIDAD Cv, y DESCARGA Cq 1. Coeficiente de Contracción (Cc) Es la relación entre el área de la sección recta contraída de una corriente (chorro) y la velocidad media ideal que tendría sin rozamiento A C C =
2.
CHORRO
A
ORIFICIO Coeficiente de Velocidad (Cv) Es la relación entre la velocidad media real en la sección recta de la corriente (Chorro) y la velocidad media ideal
C V
=
Velocidad Media Re al Velocidad Media Ideal
=
V R 2 gH
3. Coeficiente de Descarga (Cq) Es la relación entre el caudal real que pasa a través del aparato y el caudal ideal Caudal Re al QR C q = C C C V C q = = Caudal Ideal A 2hH
VERTEDEROS RECTANGULARES H = Carga sobre el vertedero B = Longitud de cresta p=w
V C = b=B
b
b H
H
H
B VERTEDERO SIN CONTRACCION
2 gh
B VERTEDERO CON UNA CONTRACCION
B VERTEDERO CON DOS CONTRACCIONES
VERTEDEROS RECTANGULARES dh
h
p=w dQ = V C dA = V C b dh
b=B
C
∫
Q = C q V h dA Q=
h
=
∫
C q V h b dh
2 V 0 3 / 2 2 ) C q b 2 g ( H + 3 2g
−
(
V 0
2
2g
)
3 / 2 )
VERTEDEROS RECTANGULARES a. FORMULA DE FRANCIS 2 2 V 0 3 / 2 V 0 3 / 2 nH ) ( H + ) −( ) Q = 1.84(b − 10 2g 2g • •
n=0
para un vertedero sin contracción
•
n=2
para un vertedero con contracción total
b. FORMULA DE BAZIN 0.0133 H 2 3 / 2 ) 1 + 0.55( ) bH Q = (1.794 + H H + W
VERTEDEROS RECTANGULARES Valores de Cq para vertederos rectangulares (De Georgia Institute of Technology) = Cq
VERTEDEROS TRIANGULARES b
x
h
dA = x dh H
θ
b = 2 H tan
dQ = V h dA
∫
Q = C d V h x dy
x
Por semejanza de triángulos
V h
Q=
=
8 15
=
b
H − h H
Θ
2
2 g (h +
V
2
2g 5 / 2
C q 2 g H
)
tan
Θ
2
VERTEDEROS TRIANGULARES Coeficiente de descarga C d
= Cq
VERTEDERO CIPOLLETTI Cipolletti procuró determinar un vertedor trapezoidal que compensase el decrecimiento del caudal debido a las contracciones a
Tan α
α
H
=
1 4
=
a H
Estandar
b
Q=
2 3
3 / 2
C d 1 2 g H b
+
8 15
C d 2 2 g tan α H 5 / 2
Suponiendo que Cd1 = Cd2 se tiene:
Q=
2
4
C q H 2 gH (b + H tan α ) 3 5
W
cresta
VERTEDERO CIPOLLETTI Zona de medición
DETALLE DE UN VERTEDERO CIPOLLETTI Perfil de Flujo acero
Sección A-A
napa
VERTEDERO CIPOLLETTI Descarga en un vertedero Cipolletti estandar en m /seg/m 3
VERTEDERO CIRCULAR
Un vertedero circular tiene bastante contracción, y es mejor ubicarlo en un canal no rectangular.
Q = C qω
4 15
2 .5
2 g d
=
C e
Φi
2.5
d
a
=
Características geométricas Un canal es una estructura de conducción donde el flujo fluye con una superficie libre θ = 2ar cos(1 − 2
T
2
A =
do y
θ
P=
vertedero circular
Radio Hidráulico
R =
A P
0
8
d 0 2
y d 0
)
(θ − senθ )
θ
θ
T = d 0 sen( ) 2
Profundidad Hidráulica D =
A T
VERTEDERO CIRCULAR Coeficiente de descarga Ce para vertederos circulares de cresta delgada
VERTEDERO CIRCULAR Valores de y ω
Φ
VERTEDERO CIRCULAR Valores de
ω
y
Φ
VERTEDERO CIRCULAR Valores de
ω
y
Φ
VERTEDERO SUTRO
VERTEDERO SUTRO En general la descarga a través de cualquier tipo de vertedero puede ser expresado como Q = hn. Un vertedero con n = 1 es llamado un vertedero proporcional. En el vertedero Sutro el caudal es proporcional a la carga h sobre la cresta del vertedero. La ecuación del vertedero es:
x = b (1 − Y el caudal se calcula de :
Q = C q b
2 ga (h1 −
a 3
2
π
)
I
Tan
−1
z
a
)
VERTEDERO SUTRO CUADRO
Coeficiente de descarga Cq para un vertedero Sutro
VERTEDEROS DE PARED GRUESA Son aquellos vertederos cuyo umbral es plano y horizontal, y de un espesor mayor que tres veces la carga H del líquido. El límite máximo de su longitud puede estimarse en 15 H aproximadamente, arriba de este valor las características del escurrimiento son similares a las que se producen en un canal con movimiento cercano al crítico hc = Profundidad crítica
H = hc + hc /2 Sección rectangular Nivel de energía
H Nivel de referencia H
hC
hc
a > 3H
a > 3H
VERTEDEROS DE PARED GRUESA La fórmula para vertederos de pared gruesa esta dado por:
H
Q = C d b hc 2 g ( H − hc )
hc
Tomado en cuenta las consideraciones de flu o crítico en una sección rectangular se tiene que:
hc
=
2 3
H
Por lo que la fórmula en función de la carga H es de :
Q=b
2
1
H 2 g H 3 3
VERTEDEROS SUMERGIDOS Cuando el nivel de aguas abajo está por encima de la cresta del vertedero, éste se denomina sumergido. Este tipo de vertederos presentan inestabilidades. En ciertos casos si el agua tiene alta velocidad se producen ondas estacionarias
Ondas estacionarias en un vertedero sumergido
VERTEDEROS SUMERGIDOS FORMULA DE FTELEY Y STEARNS h Q = C d b 2 g h1 + 2 3 2 2
C d
= 0.63
cuando
+
V 2
V 2
h1 + 2g 2g h2
h1 +
V
2
2
h2
C d
=
0.582
cuando
h1 +
V
2
=
0.63
cuando
h1 +
=
0.5
2g
h2
C d
= 0.1
V
2
2g
= 1.0
− h2
VERTEDEROS SUMERGIDOS FORMULA DE KOZENY
Q=
2 3
3 µ 2 µ 1b 2 g h1 1.5
2
= 1
0 . 66
3 µ 2 µ 1 h1 0.28 + (1 − ) ( ) h 2
= 2
0 . 586
