Vertedero de Cresta Ancha. Un vertedero de cresta ancha es una estructura de vertedero con una cresta lo suficientemente amplia para mantener la distribución de la presión hidrostática a través del flujo (figura 2.14) El flujo flujo sobre la cresta es crítico y la profundidad del flujo de la cresta del vertedero es igual a la profundidad crítica. La relación entre la profundidad y el caudal se deriva como sigue: (2.28)
a. situación ideal b. Vertedero corto c. Vertedero largo Figura 2.14 Vertedero de cresta ancha
Las situaciones mostradas en la figura 2.14, a pesar de ser una sobre simplificación de lo que ocurre en la práctica muestra algunos casos que pueden presentarse. Si el vertedero vertedero es corto
(figura 2.14b) no estará claramente definida la región de flujo crítico, por el contrario si es demasiado largo (figura 2.14c) los efectos de resistencia tienen consideraciones apreciables. En ambos casos la ecuación (2.28) no será necesariamente cierta o aplicable. En la práctica lo mas usado es utilizar la ecuación del vertedero de cresta ancha y larga con cierta corrección por resistencia, o basarse en la profundidad del salto para estimar el caudal: Y b = 0.715 Yc. Para este último caso la ecuación (2.28) se puede modificar en términos de Y b como sigue:
VERTEDERO HIDRAULICO El vertedero una hidráulico o aliviadero es estructura hidráulica destinada a permitir el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales; siendo el aliviadero en exclusiva para el desagüe y no para la medición. Existen diversos tipos según la forma y uso que se haga de ellos, a veces de forma controlada y otras veces como medida de seguridad en caso de tormentas en presas.
ALIVIADERO COMO ELEMENTO DE PRESA
En las presas de materiales sueltos el aliviadero se dispone fuera del cuerpo de presa por razones de seguridad. Tiene varias finalidades entre las que se destaca:
Garantizar la seguridad de la estructura hidráulica, al no permitir la elevación del nivel, aguas arriba, por encima del nivel máximo
Garantizar un nivel con poca variación en un canal de riego, aguas arriba. Este tipo de vertedero se llama "pico de pato" por su forma Constituirse en una parte de una sección de aforo del río o arroyo. Disipar la energía para que la devolución al cauce natural no produzca daños. Esto se hace mediante saltos, trampolínes o cuencos.
En una presa se denomina vertedero a la parte de la estructura que permite la evacuación de las aguas, ya sea en forma habitual o para controlar el nivel del reservorio de agua. Generalmente se descargan las aguas próximas a la superficie libre del embalse, en contraposición de la descarga de fondo, la que permite la salida controlada de aguas de los estratos profundos del embalse. Vertedero como elemento de canaL
Los vertederos se usan conjuntamente con las compuertas para mantener un río navegable o para proveer del nivel necesario a la navegación. En este caso, el vertedero está construido
significativamente más largo que el ancho del río, formando una "U" o haciendo diagonales, perpendicularmente al paso. Dado que el vertedero es la parte donde el agua se desborda, un vertedero largo permite pasar una mayor cantidad de agua con un pequeño incremento en la profundidad de derrame. Esto se hace con el fin de minimizar las fluctuaciones en el nivel de río aguas arriba.1
Los vertederos permiten a los hidrólogos un método simple para medir el caudal en flujos de agua. Conocida la geometría de la zona alta del vertedero y el nivel del agua sobre el vertedero, se conoce que el líquido pasa de régimen lento a rápido, y encima del vertedero de pared gruesa, el agua adopta el calado crítico. Los vertederos son muy utilizados en ríos para mantener el nivel del agua y ser aprovechado como lagos, zona de navegación y de esparcimiento. Los molinos hidráulicos suelen usar presas para subir el nivel del agua y aprovechar el salto para mover las turbinas. Debido a que un vertedero incrementa el contenido en oxígeno del agua que pasa sobre la cresta, puede generar un efecto benéfico en la ecología local del río. Una represa reduce artificialmente la velocidad del agua, lo que puede incrementar los procesos de sedimentación, aguas arriba; y un incremento de la capacidad de erosión aguas abajo. La represa donde se sitúa el vertedero, al crear un desnivel, representa una barrera para los peces migratorios, que no pueden saltar de niveles.
Vertedero de pared delgada
El vertedero de pared delgada
El vertedero de pared delgada
Los vertederos de paredes delgadas son vertederos hidráulicos, generalmente usados para medir caudales. Para obtener resultados fiables en la medición con el vertedero de pared delgada es importante que:
tenga la pared de aguas arriba vertical,
esté colocado perpendicularmente a la dirección de la corriente, y,
la cresta del vertedero sea horizontal o, en el caso de que esta sea triangular, la bisectriz del ángulo esté vertical.
Además, debe cuidarse de mantener la presión atmosférica debajo de la lámina vertida; el canal aguas arriba debe ser recto y estar desobstruido. La carga h, sobre la cresta del vertedero debe ser medida a una distancia suficiente, aguas arriba, para no tener influencia de la curvatura de la superficie líquida en la proximidad del vertedero. Para mantener la presión del aire, y evitar que este se vea succionado, acercando la lámina de agua al aliviadero, se instalan sistemas e aireación (generalmente tubos a los lados por donde entra el aire).
Vertedero rectangular La fórmula fundamental de caudal vertido en vertederos de sección rectangular , sin contracción, también conocido como vertedero de Bazin, es:
Si el vertimiento fuera de lámina contraída, se debe hacer una corrección, substrayendo: 0.1 h del valor de L por cada contracción. Cuando la velocidad de aproximación es baja se puede simplificar la ecuación de la siguiente forma:
Donde: - además de otros factores considera la velocidad de aproximación.
Las características del tipo de flujo que afectan
pueden ser definidas por h y
Donde: = altura del vertedero en m
Los valores de
se encuentran en la tabla siguiente
Hd/h h=0.05 h=0.10 h=0.20 h=0.40 h=0.60 h=0.80 h=1.00 h=1.50 0.5
2.316
2.285
2.272
2.266
2.263
2.262
2.262
2.261
1.0
2.082
2.051
2.037
2.030
2.027
2.026
2.025
2.024
Vertedero triangular Para medir caudales muy pequeños (menos de 6 litros por segundo), se obtiene mejor precisión utilizando aliviaderos de pared delgada de sección triangular, pues la presión varía con la altura, dándose un gran gradiente de velocidad entre la parte inferior del 1 triángulo y la superior . El caudal sobre un aliviadero triangular es dado por la fórmula:
Donde:
= ángulo del vértice del triángulo = aproximadamente a 0.58 variando ligeramente con la carga y el ángulo de la abertura.
Vertedero de Cipoletti El vertedero tipo Cipoletti es trapezoidal. La inclinación de los lados es de 4v/1h (4 unidades en la vertical por 1 unidad den la horizontal). El mayor caudal que pasa por la inclinación de los lados del trapecio, compensa la contracción lateral de los vertederos rectangulares, por lo tanto pueden utilizarse la fórmula y la tabla de coeficientes correspondiente al vertedero rectangular.
ESTRUCTURAS DE CAIDA 1. INTRODUCCIÓN 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 flujo en su descenso. Esta situación se presenta en vertederos de excedencias, estructuras de caída, desfogues de fondo, bocatomas, salidas de alcantarillas, etc. La estructura disipadora de energía es una parte importante de la obra de excedencia que tiene por objeto disipar la energía cinética que el agua adquiere en su caída desde el vaso hasta un sitio adecuado en el fondo del cauce, donde no genere problemas de erosión o socavación. Estas estructuras se diseñarán para que el ag ua, que sale del canal de descarga, se aleje lo máximo posible, dentro de lo económico, de la cortina o de alguna estructura complementaria. El tipo de disipador de energía que se diseñe depende de la clase de material que se tenga en el sitio en que se puede descargar la avenida. Cuando se tenga roca sana, se puede descargar el agua directamente del vertedor, en régimen rápido, sin necesidad de pasar a régimen tranquilo, siempre que no vaya a causar problema a la pequeña presa o bordo de almacenamiento. Si el material es erosionable, se diseña un tanque amortiguador de sección transversal rectangular, hecho de mampostería o concreto armado. Se debe estar consciente, que una falla en el diseño, instalación u operación de los disipadores puede llevar a problemas como socavación, erosión o retención de material, que pueden terminar produciendo la falla del vertedero y posteriormente la falla de la presa. Elegir la obra disipadora de energía más apropiada para pequeñas presas de almacenamiento de acuerdo a las condiciones topográficas y morfológicas propias de la descarga. EL RESALTO HIDRÁULICO 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 subcrítico. Las características del resalto hidráulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades de flujo en canales, a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte superiores a los límites permitidos por los materiales que componen el perímetro mojado. El lugar geométrico en el que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico. Una de las aplicaciones prácticas más importantes del salto hidráulico, es que se utiliza para disipar la energía del agua que fluye sobre presas, vertedores y otras estructuras hidráulicas, y prevenir de esta manera el fenómeno de socavación aguas debajo de dichas estructuras (Figura 1). COMPUERTAS.-
Las compuertas tienen las propiedades hidráulicas de los orificios y, cuando están bien calibradas, también pueden emplearse como medidores de flujo.
Las condiciones físicas, hidráulicas, climáticas y de operación, evaluadas apropiadamente, imponen la selección del tipo y tamaño adecuado de las compuertas. Éstas se diseñan de diferentes tipos y con variadas características en su operación y en su mecanismo de izado, los cuales permiten clasificarlas en grupos generales de la siguiente manera: a. Según las condiciones del flujo aguas abajo:
-
Compuerta con descarga libre.
-
Compuerta con descarga sumergida o ahogada.
b. Según el tipo de operación o funcionamiento:
-
Compuertas Principales: se diseñan para operar bajo cualquier condición de flujo; se les llama de regulación cuando se les conciben para controlar caudales en un canal abierto o sobre una estructura de presa, con aberturas parciales, y se conocen como compuertas de guarda o de cierre aquellas que funcionan completamente abiertas o cerradas.
-
Compuertas de emergencia: se utilizan en los eventos de reparación, inspección y mantenimiento de las compuertas principales, siendo concebidas para funcionar tanto en condiciones de presión diferencial, en conductos a presión, como en condiciones de presión equilibrada.
c. De acuerdo a sus características geométricas:
-
Compuertas planas:
Rectangulares Cuadradas Circulares Triangulares, etc.
Resolver El Siguiente Ejercicio En Un canal Rectangular de 0,80 m de ancho de solera , se coloca una placa de aristas vivas(Vertedero), como se muestra en la figura 6.23
g
FIGURA 6.23 PLACA EN UN CANAL
Por el Orificio de Fondo y sobre la placa se produce una descarga libre si en el Orificio(Compuerta), el caudal descargado es 0,20 m3/seg. Determinar el caudal en el Canal. Datos: Qc=0,20 m3/seg B = 0,80 = ancho de Solera. a = 0,10 m a) Calculo del tirante Y1, aguas arriba de la placa Calculo del caudal en una compuerta se tiene Qc = Cd*A*(2*g*Y1)1/2 0,20 = Cd* B*h*(2*9,81*Y1)1/2 0,20 = Cd* 0,80* 0,10*(19,62*Y1)1/2 0,20 = Cd*0,80*0,10*4,429*(Y1)1/2 (Y1)1/2 = 0,20/(Cd*0,354)
(Y1)1/2 = 0,565/ Cd Y1 = (0,565/Cd)2 Y1 = 0,319/ (Cd)2 , en esta ecuación se necesita conocer Cd para poder conocer y1. Asumiendo que Cd = 0,60. Y1 = (0,319)/(0,60)2 Y1 = 0,886 m En la Figura Y1/a = 0,886/0,10 = 8,86 Cd = 0,592 Reemplazando en La Ecuación = Y1 = 0,319/(0,592)2 Y1 = 0,910 m. Y1/a = 0,910 / 0,10 = 9,10 , Cd = 0,592 Y1= (0,319/ (0,592)2 Y1 = 0,910 m Calculo de h Y1 = 0,10 + 0,60 + h H= Y1-0,70 H = 0,910 - 0,70 H= 0,21 m Calculo De Qv = 1,84*L*H3/2 Qv = 1,84*0,80*(0,21)3/2 Qv = 0,141 m3/seg Calculo del Caudal En El canal Q = Qc + Qv Q = 0,20 m3/seg + 0,141 m3/seg Q = 0,341 m3/seg Determinación de La Velocidad Q = A*V 0,341 m3/seg = 0,80 *0,91*V V = 0,341 m3/seg /0,80 * 0,91 = 0,468 mts/seg
En Un Rio de sección rectangular de ancho de solera 5 m, se desea derivar un caudal de 2 m3/seg, para esto se construye una presa de derivación y una batería de 2 compuertas como se muestra en la figura , determinar el caudal del rio, considerando una descarga libre en las compuertas.
L= 5m Q= 2 m3/seg Q = Cd* A*(2*g*h)1/2 Caudal Por cada Compuerta 2/2 = 1 m3/seg Cd= 0,60 1 = 0,60 *A*(2*9,81)1/2*(h)1/2 1 = 0,60*0,25*4,43*h1/2 h1/2 = 1/0,6645 h= 2,26 m Calculo de hv 2+hv = 0,30 + 0,25+ h 2+ hv = 0,30+ 0,25 + 2,26 hv = 0,81 m calculo de Qv De La formula de francis para un perfil tipo creager Qv = 2*L* H3/2
Qv = 2* 5 *(0,81)3/2 Qv =7,29 m3/seg Calculo del caudal en el rio Q = 2* Qo + Qv Q = 2*1 + 7,29 Q = 9,29 m3/seg Los Tanques de La Figura 6,25b, están comunicados por un orificio de pared delgada (Cd = 0,60 ) de diámetro D = 30 cm y descarga a través de dos vertederos de longitud de cresta 0,80 m( igual a la longitud del tanque) si los tanques son alimentados por una bomba con un caudal de 0,5 m3/seg, determinar los caudales QA y QB de los vertederos
Datos Q = 0,5 m3/seg, D =30 cm, L = 0,80 m A = 3,1416* D2/4 A =3,1416 * (0,30)2/4 A = 0,070 m2 QTotal = QA + QB De acuerdo Con La Cancion de Francis se tiene Q = 1,84 *L*H3/2 Caudal Para El Vertedero A QA = 1,84 *0,80 * hA 3/2 QB = 1,84 *0,80 * hB 3/2 Q = QA +QB 0,5 = 1,472 (hA)3/2 + 1,472*(hB)3/2 Caudal en el orificio Q = Cd*A*(2*g* (Δh))1/2 Qo = 0,60 *0,070 *4,43* (Δh))1/2 Qo =0,1860*(Δh))1/2
Caudal en el vertedero B igual al del orificio 1,472*(hB)3/2 = 0, 1860* (Δh))1/2 (hB) 3/2= 0,1263 *(Δh))1/2 hB= (0,1263)2/3 * (Δh ) 1/3 hB = 0,2517 * ( Δh ) 1/3 de la Figura hA + 0,10 = hB + ( Δh ) hA = hB + (Δh ) – 0,10 hA = 0,2517* ( Δh )1/3 + (Δh ) - 0,10 remplazando
0,5 = 1,472 (hA)3/2 + 1,472*(hB)3/2
0,5 = 1,472*(0,2517*( Δh )1/3 Δh
= 0,337 m
+ (Δh ) – 0,10) + 1, 472*( 0,2517 * (Δh )
1/3
)
