OBRAS DE DESVIO Y DESCARGA HIDRÁULICA
Ing. Washington Washington Sandoval E., Ph.D. Revisión Re visión 2014
ELEMENTOS ELEMENTOS HIDRÁULICOS •
Estructuras destinadas destinadas a la evacuación evacuación de caudales:
Toma superficial Aliviaderos superficiales Aliviadero de medio fondo
Túnel
Desagüe de fondo
Toma H.
CATEGORIA DE LAS ESTRUCTURAS SP 58.13330.2012 TIPO DE SUELO EL LA CIMENTACIÓN
A (ROCAS) B (GRANULARES) C (ARCILLAS SA SATURADAS) TURADAS)
PRESAS DE MATERIALES SUELTOS CATEGORIA SEGÚN LA ALTURA DE LA ESTRUCTURA I II III IV > 80 8065 6550 50
PRESAS DE HORMIGÓN Y CENTRALES HIDROELECTRICAS HIDROELECTRICAS CATEGORIA SEGÚN LA ALTURA DE LA ESTRUCTURA TIPO DE SUELO EL LA CIMENTACIÓN I II III IV A (ROCAS) > 100 10050 5025 25
CAUDALES DE DISEÑO SEGÚN LAS CATEGORIA S SP 58.13330.2012 58.13330.2012 CAUDAL DE DISEÑO CATEGORIA DE LA ESTRUCTURA PRINCIPAL
CAUDAL DE DISEÑO I
II
III
IV
(p%)
0,1
0,5
1,0
3,0
CONTROL CONTROL (p%)
0,01
0,1
0,5
1,0
BASICO
CAUDAL CAUDAL DE DISEÑO PARA PARA OBRAS DE USO TEMPORAL TIEMPO DE VIDA, T (años)
1 2 5 10
I 1 0,5 0,2 0,1
CATEGORIA DE LA ESTRUCTURA PRINCIPAL II III 3 5 3 5 2 5 1 3
IV 7 7 7 5
DESVIO HIDRÁULICO HIDRÁULICO EN PERIODO DE CONSTRUCCIÓN FLUJO DE FONDO 1 o 2 tuberías de metal u hormigón en suelo, que atraviesa atraviesa el cuerpo de la presa. Carga Carga = 8 a10m. Caudal= Caudal = 2 a 3 m³/s. m³/s. Tubería de hormigón hormigón armado sobre roca de sección de baúl que atraviesa el cuerpo de la presa. Carga Carga = hasta 50 m. Caudal= 10 a 1000 m³/s. Canal temporal temporal con o sin revestimiento revestimiento ubicado en una margen de la boquilla. Carga = 8 a15m. Caudal= 10 a 500 m³/s. •
TUBERIA DE DESCARGA (United States Departament of Interior, 1982).
DESVIO HIDRÁULICO HIDRÁULICO EN PERIODO DE CONSTRUCCIÓN TÚNELES EN ROCA De un nivel, de secciones circulares circulares o tipo baúl Carga = 80 a100m. Caudal= hasta ha sta 10.000m³/s. De dos niveles, de sección circular o baúl. Carga Carga = 100 a150m. Caudal= hasta 10.000 m³/s. Túnel y presa vertedora. Carga = 5m. Caudal= hasta 10.000 m³/s. •
OBRAS DE DESCARGA DE DEMASÍAS TUBERIAS O TUNELES Con tomas de fondo Con tomas de media altura alt ura Con tomas superficiales VERTEDEROS RAPIDAS CANALES •
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ZONAS PARA PARA LA DETERMINACIÓN DEL TIPO T IPO OBRA DE DESCARGA PARA PARA PRESAS DE TIERRA TIER RA (Semienkov, 2008) 2008 )
H – Altura de la presa. L – Longitud de la presa en la corona. P = 0,0098QHt – Potencia del flujo descargado en Mvatios. Ht – Diferencia de niveles entre aguas arriba y abajo.
I – Desagüe por conducto; II – Aliviadero de margen o túnel de de desagüe de fondo; III – Presa con vertedero u orificios de desagüe de fondo.
TOMAS DE MEDIA ALTURA EN VERTEDEROS (Slisskiy, 1979)
ALIVIADEROS DE MARGEN (Slisskiy, 1979)
ALIVIADEROS DE MARGEN (Slisskiy, 1979)
ALIVIADEROS ABIERTOS ABIERTOS DE MARGEN Canal de Entrada
Vertedero de Labio Libre o Controlado Cuenco o Estanque Disipador
Canal de Pendiente Suave (Ancho Convergente o Divergente)
Canal de Pendiente Pendiente Pronunciada (Constante o Variable)
Canal de Salida
CANALES DEL ALIVIADERO •
Ecuación Principal:
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Canal de entrada: entrada: Canal de pendiente suave: suave:
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Convergencia o divergencia,
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Ec. de Zhurin (1947) •
Canal de pendiente pronunciada: pronunciada: Según bibliografia: Sandoval (2013)
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Canal de Salida:
VERTEDERO DE ABANICO
Marquéz, J. & Zárate, D. (2004)
VERTEDERO TIPO ABANICO (sin formación de ondas)
VERTEDERO TIPO ABANICO (sin formación de ondas -Rajmatulla 1984)
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Coeficiente de caudal del vertedero de pared delgada
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Longitud del resalto
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Radio r2 =r1-L
TIPOS DE CUENCOS DISISPADORES ESTANDAR
CUENCO TIPO SAF
TUNELES CON FLUJO A SUPERFICIE LIBRE
•
1. 2. 3. 4.
Se diseña con flujo tranquilo Fr<1, ho > hcr. hcr. Determi Det erminar nar el tira tirante nte corre correspon spondie diente nte al flujo flujo uniforme uniforme ho con con la ecuación: La altu alturra del del duc ductto se se tom tomaa h=ho h=ho++ 0,15ho y 0,4m. Cota Cota de fondo ondo en la sali salida da:: Fs= NaaNaa-ho ho Cota Cota de la supe superf rfic icie ie libr libree a la entr entrad ada: a: NAA= Naa+i*L+ Δz, donde
TUNEL CON ENTRADA SUMERGIDA Y FLUJO CON SUPERFICIE LIBRE
Con entrada rectangular
H 1,5he Caudal por orificio del túnel o tubería Cq = Cv -Coeficiente de caudal hv – vacio tras la compuerta, hv=0, para la primera aproximación. Area mínima del ducto de aireación 0,04 At At – área del túnel o tubería.
Con entrada abocinada
DESCARGA A PRESIÓN
ENTRADA SUMERGIDA Y CONDUCTO CON SUPERFICIE LIBRE
El área del flujo con respecto a la sección total del conducto depende del número de Froude, Fr = V²/gh
Fr
A/AT
10
0,90
10-20
0,80
20
0,75
COEFICIENTES DE PÉRDIDAS (Slisskiy, 1979) Coeficiente de entrada sin pilas Coeficiente de entrada con pilas
g- coeficiente por presencia de ranuras de compuertas (guías), lg /b, ; b- ancho del conducto. lg – longitud de la guía en g = 0,1 lg
el sentido del flujo. Si la guía de compuertas compuert as está en el abocinado de entrada, g = 0,05 lg/h.
PASO DEL EXCEDENTE DE CAUDAL EN EL PERÍODO DE CONSTRUCCIÓN CONSTRUCCIÓN SOBRE SOBRE LA ATAGUÍA
Se diseña como un vertedero poligonal
1. Q=Qmax -Q T 2. Cauda Caudall uni unitar tario io q= q= KQ KQ /b , K=1,1 K=1,1 a 1,2 -coe -coefic ficien iente te de distribución no uniforme del caudal. 3. Vse- velocidad sin erosión 4. h=q/Vse –tirante en la sección final 5. i=d/ i=d/10 10hh- incl inclin inac ació ión n de la rápid ápidaa (i(i0,8io) 6. m=0, m=0,36 36 a 0,3 0,30 0 par para la la ec. ec. de verte ertede derro
USO DEL TUNEL DEL PERÍODO PERÍ ODO DE CONSTRUCCIÓN COMO ALIVIADERO DE DEMASIAS (Slisskiy, 1979)
VERTEDEROS DE POZO (Slisskiy, 1979)
VERTEDEROS DE POZO (Slisskiy, 1979)
VERTEDERO DE POZO CON TORRE (Slisskiy, 1979)
ALIVIADERO DE POZO CON CRESTA DE PÉTALOS DE MARGARITA
TOMA DE VORTICE CON POZO (Slisskiy, 1979)
CALCULO DE UN VERTEDERO TIPO POZO CON CRESTA ANCHA Y PILAS (Slisskiy, 1979)
h
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CALCULO DE VERTEDERO TIPO POZO POZO CON CRESTA ANCHA Y PILAS R- radio de externo de la cresta. =0,9 - coeficiente de contracción. =1,0 – sin pilas np – número de pilas. sp –ancho de las pilas. M es para p1/R = 0,1 Vr-velocidad al final de la cresta plana, donde está H c=0,65H. r =R- B- 0,325H sen - ángulo de inclinación de la cresta con respecto a la horizontal. x, y- coordenadas del eje central de la lámina vertiente, x= 0 a 0,9r. hn-espesor de la lamina (napa) vertiente Vn-velocidad en el punto (x, y)
CALCULO DE VERTEDERO TIPO POZO CON CRESTA CRESTA ANCHA ANCHA Y PILAS
CÁLCULO CÁLCULO DEL TRAMO DE TRANSICIÓN TRANSICIÓN do
Ymax Vymax- Velocidad a la que se unen radialmente las láminas.
VYmax do- diámetro necesario para ymax.
dp
Si do> dp se diseña la transición con estas ecuaciones remplazando Ymax por y.
CÁLCULO EN EL POZO Y TÚNEL •
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El cálculo en el pozo y túnel se realiza para la carga h, considerada la zona del diámetro constante constante (ver lamina 21). Si hr
hr-son las pérdidas del flujo en el pozo y túnel hr=hlp+hlc+hlt+hf (pérdidas en el pozo +codo +túnel + pérdidas de forma adicionales)
CÁLCULO DE COEFICIENTES Pérdida por longitud en el tramo del pozo Pérdida por longitud en el codo
Pérdida por longitud en el túnel
Pérdidas de forma en toda la estructura
rc/dc
c
2,5
0,35
4,0
0,25
C – coeficiente de Chezy para cada tramo d – diámetro de los diferentes tramos c- coeficiente de pérdida del codo
BIBLIOGRAFÍA •
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Slisskiy, S. (1979). Cálculos hidráulicos para grandes estructuras hidrotécnicas. Ed. Energía. Moscú, Rusia. United States Departament of Interior, (1982). Diseño de Presas Pequeñas. Ed. Continental S.A. México, México. Nedrigui B. (1983). Manual del Diseñador de Estructuras Hidráulicas. Ed. Stroyizdat, Moscú Rusia. Sandoval, W. (2013).Principios de la Hidráulica 2. Quito, Ecuador Ecuador.. EdiESPE.
