Informe Final Disipadores de Energía 2017 0

DISIPADORES DE ENERGÍA – ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

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ÍNDICE DE CONTENIDOS .......................................................................... .................................................... .......................... 2 INTRODUCCIÓN ................................................ MARCO TEÓRICO .................................................. ........................................................................... ............................................... ...................... 3

1.

Disipación Disipación de Energía Energía ................................................. ........................................................................... .............................. .... 3 1.1. Origen de las Pérdidas de Energía Energía .................................. ........................................................... ........................... 3 1.2. Funciones Funciones de disipadores disipadores de energía energía ........................................... ........................................................ ............. 7

2.

Resalto Hidráulico Hidráulico ................................................... ............................................................................ .................................. ......... 8

2.1. Características Características Básicas del Resalto Hidráulico ........................................ ........................................ 10 2.1.1 Pérdida de Energía Energía .......................... .................................................... .................................................. ........................ 10 2.1.2 Eficiencia ...................................................... ................................................................................ ..................................... ........... 11 2.1.3 Altura del Resalto .................................................. ............................................................................ ............................ .. 11 2.1.4 Longitud del Resalto .................................................. .......................................................................... ........................ 12 2.1.5 Perfil de la Superficie Superficie del Resalto ............................................... ...................................................... ....... 13 2.1.6 Localización Localización del Resalto ................................................ .................................................................... .................... 14 2.2. Resalto Hidráulico Hidráulico Como Disipador Disipador de Energía ....................................... 15 2.3. Tipos de Resalto Hidráulico .................................................. ...................................................................... .................... 16 2.3.1 Procesos de Disipación Disipación de Energía Energía ................................................ ................................................... ... 18 2.3.2 Mecanismos Mecanismos Utilizados Utilizados .................................................. ...................................................................... .................... 18 2.3.3 Limitaciones Limitaciones de Uso ............................................................... .......................................................................... ........... 19 2.3.4 Tanques amortiguadores amortiguadores ............................................... ................................................................... .................... 20 2.3.5 Estanques o Cuencos Cuencos Amortiguadores Amortiguadores ............................................. ............................................. 21 a. Cuenco Amortiguador Tipo I ............................................... ................................................................... .................... 24 b. Estanque Estanque Amortiguador Amortiguador Tipo II ........................................... ............................................................... .................... 25 c. Cuenco o Tanque Amortiguador Tipo III ................................................. ................................................. 27 d. Cuenco Amortiguador Amortiguador Tipo IV ................................................................ ................................................................ 28 e. Diseño Estanque o Cuenco Tipo I .................................. .......................................................... ........................ 30 e.1. Metodología Metodología de Diseño .................................................. ............................................................. ........... 31 f. Diseño Estanque o Cuenco Tipo II ....................................................... .......................................................... ... 33 f.1. Metodología Metodología de Diseño ................................................... .............................................................. ........... 34 g. Diseño Estanque o Cuenco Tipo III ................................................. ........................................................ ....... 37

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g.1. Metodología Metodología de Diseño .................................................. ............................................................. ........... 38 .......................................................................... .................................... ........... 45 PROBLEMA RESUELTO .................................................

Uno de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño de obras hidráulicas es la disipación de la energía cinética que adquiere un chorro líquido por el incremento de la velocidad de flujo. Cuando el agua corre por el vertedero y los canales o túneles de descarga contiene gran cantidad de energía y mucho poder destructivo debido a la saltas presiones y velocidades. Éstas pueden causar erosión en lecho del río, en el pie de la presa, o en las estructuras mismas de conducción, poniendo en peligro la estabilidad de las estructuras hidráulicas. Por lo tanto, se deben colocar disipadores de energía.

La disipación de energía se produce por la combinación de los diferentes fenómenos tales como: aireación del flujo, cambio brusco de dirección de flujo, formación de resalto hidráulico, entre otros.

Los disipadores de energía son estructuras que se diseñan para generar pérdidas hidráulicas importantes en los flujos de alta velocidad. El objetivo es reducir la velocidad y pasar el flujo de régimen supercrítico a sub-crítico. Las pérdidas de energía son ocasionadas por choque contra una pantalla vertical en Disipadores de Impacto, por caídas consecutivas en Canales Escalonados, o por la formación de un resalto hidráulico en Disipadores de Tanque.

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DISIPACIÓN DE ENERGÍA

1.1

Origen de las pérdidas de energía

La existencia de un gradiente de velocidad implica la existencia de esfuerzos de corte o rozamiento, ya que

En el análisis de acción de un flujo sobre un cilindro se obtuvo que la fuerza de resistencia del cuerpo para un fluido ideal es igual a cero. Para los fluidos reales la fuerza de resistencia es producto de la existencia de los esfuerzos de corte, siendo estas fuerzas el resultado de la integración de los esfuerzos de corte por toda la superficie.

-

Dónde: T es la fuerza de arrastre o resistencia de superficie.

A la fuerza obtenida de esta manera se la llama resistencia de superficie, debido a que los esfuerzos de corte producidos son proporcionales a la superficie donde están actuando.

La existencia de los esfuerzos de corte o rasantes implica cierta transformación de energía que es proporcional a la superficie de acción; esta transformación se conoce como pérdida

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DISIPADORES DE ENERGÍA – ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

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de energía por lo que se dice que las fuerzas de resistencia producen perdidas de superficie. En resumen, la resistencia al movimiento de un cuerpo o un fluido en contacto con un cuerpo se descompone en normales y de corte o tangenciales; los ´primeros corresponden a la presión que el fluido ejerce sobre el cuerpo y los segundos a los esfuerzos rasantes como se muestra en la figura.

En ciertos puntos de la superficie del cuerpo (los puntos A y A´), debido a la desaceleración del flujo, por causa de los esfuerzos cortantes, así como por la existencia de un gradiente positivo de presiones que se opone al movimiento, la capa de fluido adyacente al cuerpo se desprende de éste, formando en la parte posterior una estela de vórtice.

Figura 1: Desprendimiento de un flujo en un cilindro

Indudablemente, el punto de desprendimiento o separación de la capa adyacente depende de la forma del cuerpo. Este fenómeno conduce a que la suma de los esfuerzos de presiones en los extremos anterior y posterior del cuerpo no esté en equilibrio, como en el caso del flujo con potencial.

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A la fuerza resultante de este fenómeno se la llama fuerza de forma o resistencia de forma. A la transformación de energía, producto de este fenómeno, se la denomina perdida de forma o local. La magnitud de cada una de estas fuerzas (superficie y local) depende de la forma del cuerpo, por ejemplo: para un cuerpo de perfil aerodinámico, Fig. a, la resistencia de superficie es significante que la resistencia de forma.

Figura 2: Resistencia en los cuerpos.

Para los cuerpos de contorno romo, la resistencia de forma es más significante que la superficie, fig. b. Las causas que producen la transformación de energía, da origen a la clasificación de las llamadas perdidas de energía que son de dos tipos: pérdidas por longitud o primarias y locales o secundarias.

 Perdidas primarias

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6

Son las pérdidas producto de las fuerzas de resistencia por contacto del fluido con los bordes de los cauces o contornos de los cuerpos y el rozamiento entre las mismas capas de los fluidos.  Perdidas secundarias

Corresponden a las resistencias de forma y por consiguiente depende de la forma de las paredes del cauce, el contorno de los cuerpos y las condiciones del flujo, razón por la cual se les denomina pérdidas locales. La magnitud de las fuerzas de resistencia depende de factores como: la velocidad del flujo, de los parámetros geométricos, la rugosidad entre otros.

Las características más importantes de una corriente son: -

A= área de la sección transversal del flujo.

-

x =parte del perímetro por la cual el flujo tiene contacto con las paredes del cauce, llamado perímetro mojado.

-

R= radio hidráulico, R=A/x

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I. El radio hidráulico para un cauce rectangular es:

II. Para un conducto circular a sección llena

El radio hidráulico no es

Figura 3: Características geométricas de fluidos

una

relación

que

representa la forma ni dimensiones del flujo, este determina condiciones de flujo geométricamente semejantes, por ejemplo: un canal de sección rectangular y otro de circular pueden tener el mismo radio hidráulico, así; para un canal rectangular de dimensiones h=2m y b=4 m, R=1, y para una tubería de diámetro D=4, también, R=1.

1.2

Funciones de disipadores de energía

Las energías a lo largo de las estructuras hidráulicas son generalmente grandes si las descargas son a través de conductos de salida o caídas, por lo que el gasto de energía de los flujos a altas velocidades es requerido para prevenir el impacto en los cauces en ríos minimizar la erosión, y prevenir problemas en las estructuras hidráulicas El mecanismo de control más común, para estructuras a superficie libre, es la presencia del flujo crítico (número de Froude =1) en una ubicación bien definida, ya que en este punto es en donde se presenta la energía mínima. Sin embargo, en las estructuras de disipación de energía, por lo general el flujo de aproximación presenta variaciones entre

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supercrítico a subcrítico, ya que son el resultado de una amplia gama de caudales y velocidades para una geometría definida. Otro proceso que frecuentemente está presente y debe estar considerado en el análisis del flujo de aproximación es el ingreso de aire, así también como la presencia de un flujo no permanente caracterizado por un caudal pulsatorio. Estos fenómenos están relacionados con las altas velocidades de flujo, que normalmente superan los valores correspondientes al Froude crítico. En la salida de una estructura de disipación de energía, el agua que llega con apreciable velocidad, tiene un choque normal sobre el fondo. Si no se prevé la formación de un colchón de agua, existe el efecto grave de impacto del chorro a alta velocidad directamente sobre el contorno sólido. En este caso la afectación de la estructura no se limita únicamente al efecto de la abrasión sobre el fondo o paredes que reciban la incidencia del chorro, sino también a la vibración inducida. Por tal motivo, un condicionamiento importante que debe cumplirse a la salida de una estructura de disipación de energía, es la presencia de una masa de agua que amortigüe el impacto del chorro, permitiendo que la energía cinética del chorro final de caída se distribuya y se disipe adecuadamente por medio de la turbulencia local, de la vorticidad y de la introducción de aire, del intercambio de impulso a una superficie mayor.

En la figura se esquematiza la definición de las condiciones del flujo aguas arriba y agua debajo de una estructura de disipación de energía que permite una correcta entrega al cauce de río.

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Figura 4: Condiciones de entrada y salida de u na estructura de disipación de energía con restitución a un cauce de río.

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RESALTO HIDRAULICO

El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a sub-crítico. Es decir que la transición de este flujo se conoce como resalto hidráulico, siendo una región de flujo de variación rápida.

 Si el número de Froude es mayor a la unidad (>1), el flujo se denomina supercrítico.

En este tipo de flujo las fuerzas inerciales presentan una influencia mucho mayor que las

9 Figura 5: Transición de Flujo


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fuerzas gravitacionales. Además de esto, el flujo se presenta a velocidades y pendientes altas, y a profundidades más pequeñas. Cuando existe un flujo de este tipo en un canal un aumento en la cantidad de energía provoca una disminución de la profundidad de la lámina de agua. El número de Froude, en este caso, es mayor a 1. Este estado de flujo propicia la formación de resaltos hidráulicos; estos aumentan su capacidad de disipación de energía en ciertos intervalos, alcanzando la mayor capacidad para flujos con Froude mayores a 9.

 Si el número de Froude es igual a la unidad (=1), el flujo se denomina crítico.

Este tipo de flujo presenta una combinación de fuerzas inerciales y gravitacionales que lo hacen inestable, convirtiéndolo en cierta manera en un estado intermedio y cambiante entre los otros dos tipos de flujo. Debido a esto es bastante inaceptable y poco recomendable, usarlo en el diseño de estructuras hidráulicas. Para éste tipo de flujo el número de Froude es igual a 1 y en esta condición no se generan resaltos hidráulicos (disipadores de energía)

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 Si el número de Froude es menor a la unidad ( <1), el flujo se denomina Sub-crítico.

Para este régimen de flujo las fuerzas inerciales son sobrepasadas en importancia por las gravitacionales; en el flujo se tienen velocidades y pendientes bajas, pero las profundidades de la lámina del agua, por el contrario, son mayores que las que se presentan en el flujo supercrítico. Para este tipo de flujo un aumento en la energía se traduce en un aumento en la profundidad de la lámina de agua. El número de Froude en este estado es menor a 1.

2.1

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL RESALTO HIDRÁULICO:

Las principales características del resalto hidráulico en canales horizontales son:

2.1.1 PÉRDIDADEENERGÍA

La pérdida de energía en el resalto hidráulico es igual a la diferencia de las energías específicas antes y después del resalto. La pérdida puede ser escrita como: E



E1



E 2



 y 4

2



y1 



3

y1 y2 

Dónde: E 1 = Energía específica antes del resalto E 2 =

Energía específica después del resalto

y1 = Profundidad del agua antes del resalto y 2 = Profundidad del agua después del resalto

El índice ∆E/E1 es conocido como pérdida relativa

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2.1.2 EFICIENCIA

El índice de la energía específica después del resalto y la energía específica antes del resalto se define como la eficiencia del resalto, y puede ser escrita como: 3/2

E 1 E 2



8 Fr  1



1

2

4Fr 1



2

8Fr1 2  Fr1

1



Esta ecuación indica que la eficiencia del resalto es una función adimensional, que depende solamente del número de Froude del flujo. Fr 1

v1



g y1 

Dónde: Fr 1 = Número de Froude v

1

= Velocidad del agua en la sección del

y1

g = Constante de gravedad

La pérdida relativa igual a 1-E 2/E1 es también una función adimensional de Fr 1. 2.1.3 ALTURADELRESALTO

La diferencia entre las profundidades después y antes del resalto es llamada la altura del resalto, h j



y2



y1 .

Al expresar cada término como la relación con respecto a la energía específica inicial: h j E1



y2 E1



y1 E 1

Dónde:

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h j E 1

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= Altura relativa

y 2 = Profundidad inicial relativa E 1 y1 = Profundidad secuente relativa E 1

Esta altura también puede ser calculada como una altura relativa: h j E1

2



1  8  Fr 1 2

Fr 1



3

2

2.1.4 LONGITUDDELRESALTO

Puede definirse como la distancia medida desde la cara frontal del resalto hidráulico hasta un punto en la superficie inmediatamente aguas abajo del remolino.

Es un parámetro importante en el diseño de obras hidráulicas es la longitud del resalto, definirá la necesidad de incorporar obras complementarias para reducir esta longitud y/o aplicar medidas de protección de la superficie para incrementar su resistencia a las tensiones de corte.

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Figura 6: Esquema de la longitud del resalto (French, 1985)

Los resultados de pruebas experimentales realizadas por el Bureau of Reclamation, dan los siguientes resultados:

Figura 7: Relación adimensional para la longitud del resalto hidráulico. Bureau of Reclamation

2.1.5 PERFILDELASUPERFICIEDELRESALTO

Este dato tiene utilidad para el diseño de las paredes laterales de la obra, tanto en lo que se refiere a su altura como a su estabilidad. Bakhmeteff y Matzke encontraron que el perfil de la superficie de un resalto hidráulico se puede representar por curvas adimensionales en función de Fr 1, tal como se muestra a continuación:

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Figura 8: Diagrama de Bakhmeteff y Matzke

2.1.6 LOCALIZACIÓNDELRESALTO

La ubicación del resalto hidráulico depende de las condiciones de flujo tanto aguas arriba como aguas abajo. Para la explicación de este aspecto consideremos el caso de flujo a través de un conducto inferior, a manera de un desfogue de fondo. Aguas abajo, el nivel de agua es influenciado por algún elemento de control, como por ejemplo una estructura de caída.

Figura 9: Esquema de un resalto hidráulico en un sistema formado por una compuerta y un elemento de control

Por un lado, el tirante alcanza su mínimo valor inmediatamente después de la compuerta, este se incrementa gradualmente en régimen supercrítico en dirección aguas abajo. Por otro lado, el tirante aguas abajo se desarrolla a través de una curva de depresión incrementándose hacia aguas arriba en régimen subcrítico.

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En alguna sección A, el chorro que se desplaza desde la compuerta, tiene un tirante h1A y requiere, para la formación del resalto, un tirante conjugado h 2A, sin embargo, el tirante real en esa sección es menor al requerido. Bajo estas condiciones el chorro líquido continúa su movimiento hacia aguas abajo, incrementando el tirante y por lo tanto reduciendo su energía cinética. En una sección G el tirante conjugado requerido h 2A alcanzará una magnitud equivalente al tirante existente, presentándose las condiciones para la formación de un resalto hidráulico.

2.2

RESALTO HIDRAULICO COMO DISIPADOR DE ENERGIA

Desde un punto de vista práctico el resalto hidráulico es un medio útil para disipar el exceso de energía en un flujo supercrítico, su mérito está en prevenir la posible erosión aguas abajo debido a que reduce rápidamente la velocidad del flujo sobre un piso protegido hasta un punto donde el flujo pierde su capacidad de socavar el lecho del canal natural aguas abajo. El resalto hidráulico utilizado para la disipación de energía a menudo se confina parcial o totalmente en un tramo de canal que se conoce como cuenco de disipación o cuenco de aquietamiento, cuyo fondo se recubre para resistir la socavación. En la práctica, el cuenco disipador rara vez se diseña para confinar toda la longitud de un resalto hidráulico libre sobre la zona revestida, debido a que sería muy costoso. En consecuencia, a menudo se instalan accesorios para controlar el resalto dentro del cuenco. El principal propósito de este control es acortar el rango dentro del cual el resalto

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ocurrirá y por consiguiente reducir el tamaño y el costo del cuenco disipador. El control tiene ventajas adicionales, debido a que mejora la función de disipación del cuenco, estabiliza la acción del resalto y, en algunos casos, incrementa el factor de seguridad. Dentro de las aplicaciones prácticas del resalto hidráulico están: III. Disipar la energía del agua que fluye sobre presas, vertederos y otras estructuras hidráulicas, y prevenir de esta manera la socavación aguas debajo de las estructuras IV. Recuperar altura o aumentar el nivel del agua en el lado de aguas debajo de una canaleta de medición y mantener un nivel alto del agua en el canal de irrigación o de cualquier estructura para distribución de aguas V. Incrementar el peso sobre la zona de aguas debajo de una estructura de mampostería y reducir la presión hacia arriba bajo dicha estructura aumentando la profundidad del agua en su zona de aguas abajo. VI. Aumentar el caudal por debajo de una compuerta deslizante manteniendo alejada la profundidad de aguas abajo, debido a que la altura efectiva se reducirá si la profundidad de aguas abajo ahoga el resalto VII.

Las aplicaciones prácticas del salto hidráulico son muchas, entre las cuales se

pueden mencionar: -

Para la disipación de la energía del agua escurriendo por los vertederos de las presas y otras obras hidráulicas, y evitar así la socavación aguas debajo de la obra;

-

Para recuperar altura o levantar el nivel del agua sobre el lado aguas

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debajo de un canal de medida y así mantener alto el nivel del agua en un canal para riego u otros propósitos de distribución de agua; -

Para incrementar peso en la cuenca de disipación y contrarrestar así el empuje hacia arriba sobre la estructura;

-

Para incrementar la descarga de una esclusa manteniendo atras el nivel aguas abajo, ya que la altura será reducida si se permite que el nivel aguas abajo ahogue el salto

2.3

TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO:

Cuando el número de Froude, correspondiente al caudal entrante, es igual a 1,0 el caudal tiene calado crítico y no se forma resalto. Para número de Froude comprendidos entre 1,0 y 1,7 el calado es ligeramente inferior al crítico. El paso de régimen rápido a lento es gradual y se manifiesta únicamente en que la superficie aparece levemente revuelta.

Cuando el número de Froude se aproxima a 1,7 empiezan a desarrollarse pequeños remolinos en la superficie que aumentan en importancia con el valor del número de Froude. No se produce ninguna otra manifestación hasta que el número de Froude llega a 2,5. En la figura 6 A se representa el fenómeno que tiene lugar para valores comprendidos entre 1,7 y 2,5. Las formas B, C y D de la figura 6 muestran formas características de resaltos hidráulicos relativos a números de Froude más altos.

Para números de Froude entre 2,5 y 4,5, se forma un resalto hidráulico oscilante y el chorro fluctúa intermitentemente entre el fondo y la superficie a lo largo del canal de aguas abajo. Esta corriente oscilatoria produce ondas superficiales censurables porque se extienden hasta bastante lejos del cuenco.

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Para número de Froude entre 4,5 y 9 se forma un resalto estable y bien proporcionado. La turbulencia aparece únicamente en el cuerpo principal del resalto, mientras que la superficie aguas abajo es relativamente tranquila. Cuando el número de Froude sobrepasa el valor 9, la turbulencia dentro del resalto y los remolinos superficiales aumentan, dando por resultado una superficie rizada con grandes ondas superficiales aguas abajo del resalto.

Figura 10: Formas características del resalto hidráulico en función del número de Froude

El ábaco de la figura 3 relaciona los calados conjugados y sus velocidades para el resalto hidráulico de un canal rectangular. En la misma figura están clasificados los resaltos de acuerdo con lo expuesto anteriormente.

2.3.1 PROCESOSDEDISIPACIONDEENERGIA.

La operación de cualquier disipador de energía debe alcanzar la eliminación del excedente

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de la energía cinética en un flujo, evitando así el riesgo de socavación de las estructuras y de las obras que se ubican aguas abajo. En términos generales, la energía es disipada mediante procesos de difusión de la velocidad entre partículas de agua que entran con alta energía cinética dentro de una masa de agua con velocidades bajas o masa estática. Este efecto de difusión es similar al que se produce al aumento de temperatura. En base a este concepto, la energía mecánica se convierte en calor, sin embargo, este cambio de temperatura es muy pequeño y podría considerarse insignificante. 2.3.2 MECANISMOSUTILIZADOS

Para lograr los efectos que produce la disipación de energía, principalmente en hidráulica se utilizan algunas combinaciones de los siguientes métodos.  Ingreso de una particular de agua dentro de una masa de agua y,  Chorros de agua en el aire.

En el primer caso, está relacionada con el consumo de energía debido a intensos procesos de fricción interna que se manifiesta a través de la formación de vórtices, que generan principalmente en las zonas de corte o de alto gradiente de velocidad. Para inducir una eficiente disipación de energía, por lo tanto, resulta muy importante lograr zonas de alta turbulencia.

En el segundo caso, la disipación de energía resulta de la resistencia del aire ejercida durante la caída. Esta disipación es significativa si la altura de caída es pequeña y la diferencia de velocidades entre el chorro y el aire es considerable.

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Frecuentemente, una combinación de estos métodos es utilizado para todo tipo de estructura de disipación. Fundamentalmente en estructuras que disipan la energía cinética mediante la fricción interna. En todos los casos se logra una mayor eficiencia de la disipación de energía, mientras mayor sea la perturbación provocada en la masa del fluido (aire o agua), dentro de la que se introduce el chorro de agua con alta energía cinética.

2.3.3 LIMITACIONESDEUSO

Como condición de prevención es necesario tener en cuenta que la disipación de energía se logra correctamente por una fuerte turbulencia o por una efectiva difusión del flujo. Sin embargo, los diseños de un disipador de energía y elementos hidrodinámicos están expuestos constantemente a estos efectos que pueden tener grandes consecuencias para la estabilidad de las propias obras tales como: 

Vibraciones



Pulsaciones



Abrasión



Cavitación



Erosión.

Los disipadores de energía deben, por lo tanto, ser diseñados para resistir todos los efectos muchas veces inevitables desde el punto de vista dinámico. Desafortunadamente, no existe material capaz de soportar firme y permanentemente los efectos de cavitación, ni tampoco de abrasión. Esto representa una limitación importante para el

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dimensionamiento que debe ser considerada. Es necesario, conocer y aplicar adecuadamente los límites físicos impuestos por los materiales comúnmente utilizados. La mayoría de disipadores de energía se debe construir en acero o concreto, de tal modo que las propiedades de estos materiales de construcción comunes fijen los límites de aplicación del diseño hidráulico. 2.3.4 TANQUESAMORTIGUADORES

El tanque de amortiguación es el sistema más común de disipación de energía que convierte el flujo supercrítico del vertedero en un flujo subcrítico compatible con el régimen del río aguas abajo. El método para lograr esta transición del flujo consiste en un simple resalto sumergido, formando un tanque de amortiguación de sección transversal rectangular. Pueden producirse variando la altura que cae el agua del vertedero o cambiando el ancho al pie de la estructura vertedora.

Figura 11: Disipador tipo tanque por cambio cambio de profundidad

Figura 12: Disipador tipo tanque por cambio cambio de ancho

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23

2.3.5 ESTANQUESO ESTANQUESOCUENCOSA CUENCOSAMORTIGUADOR MORTIGUADORES: ES:

Cuando la energía del caudal del aliviadero debe disiparse antes que vuelva al cauce aguas abajo, los cuencos amortiguadores constituyen un dispositivo muy útil para reducir la velocidad de salida. El resalto que se produce en el cuenco, tiene características propias y adopta una forma definida según sea la relación de la energía, que debe ser disipada, con el calado.

El Bureau of Reclamation ha realizado una serie de ensayos para determinar las propiedades de dicho resalto hidráulico. La forma del resalto y las características del flujo, pueden expresarse: en función del factor cinético de la corriente que entra en el cuenco, del calado crítico o del número de Froude.

Figura 13: Esquema general de un un estanque o cuenco amortiguador

 Dientes deflectores: son elementos que se ubican a la entrada del estanque para

fragmentar el chorro e incrementar la profundidad del flujo que entra a dicha estructura. Además, se puede señalar, que su presencia contribuye a crear la turbulencia requerida en la disipación de la energía y con esto se puede obtener longitudes de estanques más cortas.

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Figura 14: Detalles en los los dientes deflectores deflectores

 Dados amortiguadores: son instalados en los estanques con el propósito de

estabilizar la formación del resalto hidráulico y aumentar la turbulencia del flujo, con lo cual se logra una mejor disipación.

Cuando circulan caudales pequeños en la estructura los dados ayudan a compensar las deficiencias del tirante aguas abajo, mientras que para caudales grandes ayudan a reflectar el flujo alejado del lecho del río.

Se recomienda que para caudales con velocidades mayores a 15 m/s no se use dados, ya que estos son afectados por la cavitación, para evitar esto se puede colocar los dados lo suficientemente lejos de la entrada donde exista bastante sumersión bajo el tirante aguas abajo.

Algo muy importante en el diseño de un dado es su altura pues si es demasiado alta produce una cascada y si es muy baja resulta una superficie rugosa, con esto ya no estaría cumpliendo con su objetivo.

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Figura 15: Detalles de los dados amortiguadores

 Umbral terminal: son aquellos que se construyen al final del estanque con el

propósito de controlar la erosión que se producirá en el lecho del río. Algunas pruebas confirman que este elemento incrementa la eficiencia del estanque debido a que reduce la erosión del cauce aguas abajo

Figura 16: Detalles de un umbral terminal

Los cuencos amortiguadores tienen su aplicación en vertederos de excedencias, rápidas y estructuras de caída libre. En ellos la energía se disipa por medio de choque ya que el agua

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cae libre y verticalmente en un estanque en el lecho del río. Debido al gran poder erosivo del agua, se tiene que revestir el cauce y sus paredes con rocas o concreto. De todas maneras, los materiales sufren mucho desgaste por el constante choque por lo que se debe hacer un mantenimiento periódico.

De acuerdo a la clasificación del U.S. Bureau of Reclamation, existen cinco tipos de cuencos amortiguadores: De acuerdo a la clasificación del U.S. Bureau of Reclamation, existen cinco tipos de cuencos amortiguadores:  TIPO I: Para canales con pendiente moderada  TIPO II: Cuencos amortiguadores para vertederos de presas grandes y de tierra con

canales extensos  TIPO III: Pequeños cuencos amortiguadores para estructuras de canal, pequeñas

estructuras de salida, y vertederos menores  TIPO IV: Utilizado en estructuras de canal y en presas de derivación. Este diseño

reduce las ondas excesivas creadas en resaltos imperfectos  TIPO V: Cuencos amortiguadores con pendientes pronunciadas

El principal objetivo en el diseño hidráulico de un estanque amortiguador es la determinación del ancho y elevación del estanque para formar un resalto hidráulico estable. Esto se obtiene cuando el nivel del agua de la altura conjugada es igual al nivel del tirante aguas abajo.

a

CUENCO AMORTIGUADOR TIPO I Cuando el número de Froude Fr 1 es menor a 1,7 el calado conjugado es aproximadamente el doble que el de entrada o alrededor del 40 % mayor que el crítico. La velocidad de salida, v 2, es aproximadamente la mitad de la velocidad de entrad o 30 % menor que la velocidad crítica. Si Fr 1 es menor que 1,7 no es necesario ningún dispositivo excepto que la longitud del canal, a partir del punto

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en que empieza a cambiar el calado, debe ser por lo menos 4d 2. No son necesarios dados de impacto ni ningún otro elemento de amortiguación.

Cuando los números de Froude están comprendidos entre 1,7 y 2,5. El comportamiento del caudal está representado en la figura 6. Puesto que la corriente no es muy turbulenta, no son necesarios dados ni umbrales. El cuenco deberá ser suficientemente largo para contener el caudal mientras dura el proceso de deceleración. Los calados conjugados y las longitudes de cuenco proporcionan resultados satisfactorios.

b

ESTANQUE AMORTIGUADOR TIPO II

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El estanque amortiguador tipo II se desarrolló para cuencos disipadores de uso común en vertederos de presas altas, de presas de tierra y para estructuras de canales grandes. El estanque contiene bloques en la rápida del extremo de aguas arriba y un umbral dentado cerca del extremo de aguas abajo. No se utilizan bloques de impacto debido a que las velocidades relativamente altas que entran al resalto pueden causar cavitación en dichos bloques. En la figura 29 se muestran los detalles constructivos y los datos necesarios para el cálculo. Este tipo de disipadores son utilizados cuando el número de Froude está por encima de 4,5 o velocidades mayores a 15 m/s.

28


29

29


c

30

CUENCO O TANQUE AMORTIGUADOR TIPO III Los cuencos amortiguadores tipo III son más cortos que los del tipo II, y poseen un umbral de salida y dados amortiguadores aguas abajo de los bloques de caída. La velocidad de llegada para este tipo de disipador debe ser limitada para prevenir la posibilidad de presiones bajas en los dados amortiguadores que pueden originar cavitación. El comportamiento de este disipador indica que su longitud y la del resalto pueden reducirse alrededor del 60 %, con accesorios en comparación con el 80 % para el disipador SAF. Los cuencos tipo III son utilizados en pequeños vertederos, estructuras de salida, y en pequeñas estructuras de canal donde v 1 no excede de 15 a 18 m/s y el número de Froude es menor a 4,5.

30


31

31


d

32

CUENCO AMORTIGUADOR TIPO IV Cuando el número de Froude está comprendido entre 2,5 y 4,5, se producirá un resalto oscilante en el estanque amortiguador, el cual genera una onda que es difícil de atenuar. El cuenco amortiguador tipo IV se diseña para combatir este problema eliminando la onda en su fuente. Esto se lleva a cabo intensificando el remolino, que aparece en la parte superior del resalto, con los chorros direccionales deflectados utilizando grandes bloques en la rápida cuyo número mínimo requerido para este propósito se muestra en la figura 26 para un comportamiento hidráulico mejor, es conveniente construir estos bloques más angostos que lo indicado, preferiblemente con un ancho igual a 0,75 y 1, y fijar la

32


33

profundidad de salida, de tal manera que sea un 5 % a 10 % mayor que la profundidad recuente del resalto. El cuenco tipo IV se utiliza en las secciones transversales rectangulares.

METODOLOGÍA GENERAL

La siguiente metodología para el diseño de un cuenco o estanque, parte de conocer lo siguiente:  Caudal de diseño (Q)  Ancho del estanque (b)  Tirante de aguas abajo (canal de salida) ( y 3)

Paso 1: Cálculo del tirante contraído (y 1)

Si hay rápida ( y 1) es el tirante al final de la rápida y se calcula con la curva superficial de la rápida. Si (y 1) está al pie del cimacio, se calcula de la misma manera como el diseño de un pozo amortiguador al pie de un vertedero de cimacio con la siguiente ecuación:

 E 0  3

y1  

       1  2  cos  60   3   

33


34

Siendo:  

q





arccos 1 0,73  q

2



E 0

3



Q 

E0

L 

P * H 0

Dónde: y1 =

Profundidad de circulación en la sección inicial del salto (m)

E 0 =

Energía específica

  =

Ángulo de inclinación

q

= Relación entre el caudal total y la longitud total (m 3/s/m)

Q = Caudal total (m 3/s) L

=

b

= Ancho del vertedero (m)

P * =

Altura a la salida del vertedero (m)

H 0 =

Carga del flujo (m)

Paso 2: Cálculo de la velocidad de entrada del estanque v 1 v1

q 

y1

Dónde: q

= Caudal unitario (m 3/s/m)

Paso 3: Cálculo del número de Froude a la entrada del estanque Fr 1

Fr 1



v1 g y1 

Calculado el número de Froude se analiza el tipo de salto que se va a dar en el estanque, para saber el tipo de estanque que se va a diseñar:

 Si 2,5 ≤ Fr1 ≤ 4,5 = Salto oscilante, se diseña un ESTANQUE TIPO I  Si Fr1 > 4,5 = Salto estable:

v1 < 15 m/s = ESTANQUE TIPO II

34


35

v1 ≥ 15 m/s = ESTANQUE TIPO III

e

DISEÑO ESTANQUE O CUENCO TIPO I: (2,5 ≤ Fr1 ≤ 4,5 )

En el estanque amortiguador se produce un resalto oscilante el cual genera una onda que es difícil de atenuar. Este estanque se diseña para combatir el problema eliminando la onda en su fuente, esto se lleva a cabo intensificando el remolino que aparece en la parte superior del resalto utilizando grandes bloques en la rápida.

35


36

Figura 17:Esquema general de un Estanque Tipo I

e.1

METODOLOGÍA DE DISEÑO

Paso 1: Calcular el valor del tirante de agua en el estanque ( TA)

TA  y1  1, 539  Fr1  0, 471

Paso 2: Cálculo del tirante conjugado (y 2) y2 y1

1 

2



2

8  Fr 1



1 1

Paso 3: Cálculo de la longitud del estanque amortiguador Tipo I ( LI ) L I





2

y2  1, 5  1, 768  Fr1  0, 471 Fr 1



Paso 4: Calcular el número de dientes ( n)

36


n

37

 b  2,5  y1  3,5  y1

Aproximar al valor inmediato inferior y entero

Paso 5: Cálculo de las dimensiones de los dientes deflectores

Figura 18: Dimensionamiento de dientes deflectores para un Estanque Tipo I

Altura =

2

Ancho =

y1



y1

Largo = 2  y1 Espacio entre dientes = 2,5  y1 b   3, 5  y1  n  2, 5 y1  Espacio fraccional =  2

Paso 6: Cálculo del dimensionamiento del umbral terminal

37


38

Figura 19: Dimensionamiento del umbral terminal para un Estanque Tipo I

f

DISEÑO ESTANQUE O CUENCO TIPO II: (Fr 1 > 4,5), (v 1 < 15 m/s)

Este tipo de estanque posee un umbral de salida y dados amortiguadores aguas debajo de los bloques de caída. La velocidad de llegada para este tipo de estanque debe ser limitada para prevenir la posibilidad de presiones bajas en los dados amortiguadores que puedan originar cavitación.

El comportamiento de este tipo disipador indica que su longitud y la del resalto pueden reducirse alrededor del 60 % con accesorios en comparación del 80 % para el disipador SAF.

Este disipador es utilizado en pequeños vertederos, estructuras de salida y en pequeñas estructuras de canal donde v 1 no excede de 15 a 18 m/s y el número de Froude Fr 1 > 4,5.

38


39

Figura 20: Esquema general de un Estanque Tipo II

f.1METODOLOGÍA DE DISEÑO Paso 1: Calcular el valor del tirante de agua en el estanque ( TA) TA



y1 1, 420 Fr1 0, 604 





Paso 2: Cálculo del tirante conjugado (y 2)

39

DISIPADORES DE ENERGÍA – ESTRUCTURAS HIDRAULICAS y2 y1

1 

2



2

8  Fr 1

40



1 1

Paso 3: Cálculo de la longitud del estanque amortiguador Tipo II ( LII ) L II





2

y2  1, 62  1,178  Fr1  0, 007  Fr 1




Figura 20.- Dimensionamiento de dientes deflectores para un Estanque Tipo II

Altura =

y1

Ancho =

y1

Largo = Constructivo (pasando una horizontal por la altura del diente hasta la altura de la superficie del cimacio o de la rápida) Espacio entre dientes =

y1

Espacio fraccional = 0,5 y1 

Paso 5: Calcular el número de dientes ( n) n

b 

2



y1

Dónde:

40


b

41

= Ancho del estanque


Paso 6: Cálculo de las dimensiones de los dados amortiguadores

Figura 21.- Dimensionamiento de los dados amortiguadores para un Estanque Tipo II

Cálculo de h3 (altura): h3



y1   0,545  0,175 Fr1 

Cálculo de las dimensiones de los dados amortiguadores: Altura = h3 Ancho = 0,75 h3 

Largo = 1, 2  h3 Ancho superior = 0,2 h3 

Espacio entre dados = 0,75  h3 Espacio fraccional = 0,375  h3 Ubicación = 0,8 d 2 

41


d 2



42

L II 2

1, 071  0, 358  Fr1



2

0, 00055  Fr 1

Paso 7: Calcular el número de dados ( n) n

b 

1, 5 h3 

b


Aproximar el valor inmediato inferior y entero Paso 8: Cálculo del dimensionamiento del umbral terminal

Figura 21: Dimensionamiento del umbral terminal para un Estanque Tipo II

Altura ( h4 ) h4



y1   0,956  0, 063  Fr1 

Cara superior del umbral = 0,04  h4 Largo = 2,04  h4

42

DISIPADORES DE ENERGÍA – ESTRUCTURAS HIDRAULICAS g

43

DISEÑO ESTANQUE O CUENCO TIPO III: (Fr 1 > 4,5), (v 1 > 15 m/s)

Este estanque se desarrolló para cuencos disipadores de uso común en vertederos de presas altas, de presas de tierra y para estructuras de canales grandes. El estanque contiene deflectores en la rápida del extremo de aguas arriba y un umbral dentado cerca del extremo de aguas abajo, no se utilizan dados amortiguadores debido a que las velocidades relativamente altas que entran al resalto pueden causar cavitación en dichos bloques.

Se utiliza este tipo de disipador para un número de Froude que está por encima de 4,5 o velocidades mayores a 15 m/s.

43


44

Figura 22: Esquema general de un Estanque Tipo III

g.1

METODOLOGÍA DE DISEÑO

Paso 1: Calcular el valor del tirante de agua en el estanque ( TA)

TA  y1  1, 469  Fr1  0, 318

Paso 2: Cálculo del tirante conjugado (y 2) y2 y1

1 

2



2

8  Fr 1



1 1

Paso 3: Cálculo de la longitud del estanque amortiguador Tipo II ( LII ) L III





y2  3, 55  0, 06  Fr1  0, 00015  Fr 12




44


45

Figura 23: Dimensionamiento de dientes deflectores para un Estanque Tipo II y Tipo III

Altura =

y1

Ancho =

y1

Largo = Constructivo (pasando una horizontal por la altura del diente hasta la altura de la superficie del cimacio o de la rápida) Espacio entre dientes =

y1

Espacio fraccional = 0,5  y1

Paso 5: Calcular el número de dientes ( n) n

b 

2



y1

Dónde: b



Paso 6: Cálculo del dimensionamiento del umbral terminal

45


46

Figura 24: Dimensionamiento del umbral terminal para un Estanque Tipo III

Longitud La



0,42  y2

Longitud Lb



0,50 La 

Altura = 0,20  y2 Altura1 = 0,25  y2 Ancho = 0,15  y2 Separación entre dientes = 0,15  y2 Ancho superior del diente = 0,02  y2

46


47

Figura 25: Características del cuenco amortiguador para números de Froude entre 2,5 y 4,5

47


48

48


49

Figura 26: Características de alternativas de cuenco amortiguador con bajo números de Froude

49


50

Figura 27: Características del cuenco amortiguador para números de Froude mayores de 4,5, donde la velocidad de aproximación, v1≤ 18 m/s

50


51

Figura 28:Características del cuenco amortiguador para números de Froude mayores de 4,5

51


2.4

52

EJERCICIO 1

Dimensione un estanque amortiguador tipo II para un vertedero de excedencia con su cara aguas arriba vertical y con una longitud de cresta de 250 pies. El caudal de diseño es 75000pies3/s. La superficie del agua hacia la parte aguas arriba correspondiente al caudal de diseño se localiza en la cota 1000 y el fondo promedio del canal se encuentra en la cota 880. La elevación de la profundidad de salida se localiza en la cota 920 y Cd = 4.03.

Solución

a) Diseño del vertedero. Se supone un vertedero de excedencia alto, entonces no se considera el efecto de la velocidad de aproximación, y Cd = 4.03. -

Mediante la ecuación de descarga

-

La velocidad de la aproximacin es

-

Y la altura de la velocidad correspondiente es: .

Ha =  = 0.1  Luego la altura de diseño es H d =17.8 - 0.1= 17.7 pies y la altura de la presa es h = 120 - 17.7 = 102.3 pies. Esta altura es mayor que 1.33 Hd, y, por consiguiente, el efecto de la velocidad de aproximación es insignificante.

52


53

b) Diseño de estanque amortiguador

Al registrar una altura de 17.7 pies por encima de la cresta y una caída total de 120 pies, l a velocidad de flujo a la salida del vertedero es 79 pies/s.

Por consiguiente, la profundidad de flujo es

7500 = 3.8  250.79 Y el número de Froude es

79 = 7.13 √3.8 Al ingresar en la figura 5.13b con Fr 1 =7.13 la línea punteada da una relación de la profundidad de salida con respecto a y 1 = 9.7. Debido a que la profundidad de salida y la conjugada y2 en este caso son idénticas, Y 2 = 9.7 × 3.8 = 36.9 pies. Para mayor seguridad, de hecho, el Bureau recomienda un margen de seguridad mínimo del 5% de y 2, que debe sumarse a la profundidad conjugada.

Si se desea un margen de seguridad del 5% se sigue el siguiente procedimiento. A partir de la gráfica 5.13b, con un número de Froude Fr 1 =7.13 la línea continua da una relación de la profundidad de salida/D 1 = 10.2. Luego el estanque amortiguador debe posicionarse de nuevo para una profundidad de salida de 10.2*3.8 = 38.76 pies ó 1.05 y 2. La elevación del piso del estanque se coloca en la cota 881.24 (cota = 920-38.76).

La longitud del estanque puede obtenerse ingresando a la curva de la figura 5.13c con Fr 1 = 7.13. Luego L/y 2 = 4.16 o L = 4.16*36.9 = 154 pies.

Las dimensiones y espaciamiento para los bloques del canal de descarga son:

 Separación entre bloques = y1 = 3.8 pies

53


54

 Ancho de los bloques = y1 = 3.8 pies  Altura de los bloques = y1 = 3.8 pies  Separación del borde = y1 /2 = 1.9 pies Las dimensiones y espaciamiento para los dados amortiguadores son:

 Separación entre dados = 0.15y2 = 5.54 pies  Ancho de los dados = 0.15y2 = 5.54 pies  Altura de los dados = 0.2y2 = 7.38 pies  Ancho de la parte superior = 0.02 y 2 = 0.74 pies

EJERCICIO 2 Utilizando los datos del ejemplo anterior, diseñe un estanque amortiguador tipo SAF. S oluci ón

El dimensionamiento del vertedero es exactamente igual al procedimiento anterior.

Al registrar en la figura 4.14 una altura de 17.7 pies por encima de la cresta y una caída total de 120 pies, la velocidad de flujo a la salida del vertedero es 79 pies/s.

Por consiguiente la profundidad de flujo es

7500 = 3.8  250.79 Y el número de Froude es

79 = 7.13 √3.8 Encontramos que la altura conjugada y 2 = 36.5 pies. 1. Longitud del estanque: 2. Altura de los bloques de entrada y bloques del piso = y 1 = 3.8 pies. El ancho y espaciamiento tienen un valor de aproximadamente 0.75*y 1 = 2.85 pies. 3. La distancia desde el extremo de aguas arriba del colchón disipador hasta los bloques del piso es L B/3 = 12.3 pies 4. No deben localizarse bloques en el piso más cerca de las paredes laterales que

54


55

5. Los bloques del piso deben localizarse aguas abajo enfrentados a las aberturas entre los bloques de la rápida. 6. Los bloques del piso deben ocupar entre el 40% y el 55% del ancho del colchón disipador. Por lo tanto el número de bloques será de

7. La altura del umbral de salida está dada por C= 0.07*y2 = 0.07*36.5 = 2.6 pies . 8. La profundidad de salida de aguas abajo por encima del piso del colchón disipador está dada por y '2 = 0.85*y2 = 0.85*36.5 = 31 pies para Fr 1 = 5.5 a 11. 9. La altura de los muros laterales por encima de la profundidad de salida máxima esperada dentro de la vida útil de la estructura está dada por

10. Los muros de salida deben ser iguales en altura a los muros laterales del cuenco disipador, y su parte superior debe tener una pendiente de 1:1. 11. El muro de salida debe localizarse con un ángulo de 45º con respecto al eje central de la salida. 12. Los muros laterales del colchón disipador pueden ser paralelos o divergir como una extensión de los muros laterales de la transición. 13. Debe utilizarse un muro cortina de profundidad nominal en el extremo del colchón disipador. 14. El efecto de absorción de aire no se considera en el diseño del colchón disipador.

Ejercicio 3:

Diseñar un estanque amortiguador para disipar la energía al pie de un cimacio vertedero. DATOS SIMBOLO DESCRIPCION Caudal de diseño Q Carga del flujo Ho Altura a la salida P del vertedero Ancho del b vertedero Altura del P* Vertedero Cota de la superficie del agua aguas abajo para el gasto de diseño

VALOR

UNIDAD

40 0,8 1,7

m³/s m m

20

m

2

m

2513,5

m

P ≠ P* 

Paso 1.Cálculo del tirante contraído (Y 1)

55


56

 = ∗ +  = 2+0.8=2.8  /s/m  =  = 4 = 2  



Paso 2. Cálculo de la velocidad a la entrada del estanque V 1



Paso 3.Cálculo del número de Froude a la entrada del estanque F R1

Calculado en número de Froude se analiza el tipo de salto que se va a dar en el estanque, para saber el tipo de estanque que se va a diseñar: 2.5 ≤ FR1≤ 4.5 = Salto oscilante, se diseña un ESTANQUE TIPO I.

CALCULOS 

Paso 1. Calcular el valor del tirante de agua en el estanque (TA).

Valor de la cota de fondo: Cota de fondo =Cota del agua aguas abajo – TA Cota de fondo =2513,5-1,66

56


57

Cota de fondo= 2511,84 m 

Paso 2. Cálculo del tirante conjugado Y2



Paso 3. Cálculo de la longitud del estanque amortiguador tipo I



Paso 4. Calcular el número de dientes (n)



Paso 5. Cálculo de las dimensiones de los dientes deflectores

Altura = 2 * Y 1 = 2 * 0.29 = 0.50m Ancho = Y1 = 0.29m Largo = 2* Y1 = 2 * 0.29= 0.50 m Espacio entre dientes = 2.5 Y 1 = 0.73 m Espacio Fraccional=

=

(−.∗ Y∗n−.∗Y) 

20 3.5∗0.29∗202.5∗0.29 = 0.21 2

57




58

Paso 6. Cálculo del dimensionamiento del umbral terminal

 0.004* Y2 entonces 0.004*1.520=0.06m  1.25 * Y1 entonces 1.25*0.29=0.36m  Lu = 2.5 Y1 + 0.04 Y2

2.5*0.29 +0.04*1.52 = 0.79m

58


59

P a s o 7 .

R e s u l t a d o s g r á f i c os- Estanque amortiguador Tipo I

59


60

60


61

Ejercicio 4: Diseñar el disipador de energía por dispersión para el vertedero de la presa de Whitney (Texas, EEUU). Los datos son

61

Informe Final Disipadores de Energía 2017 0

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