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UNIVERSIDAD ANDINA
NSTOR CCERES VELSQUEZ
FACULTAD DE INGENIERAS Y CIENCIAS PURAS
CARRERA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA CIVIL
TESIS:
SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN
VERTEDORES DE DEMASAS.
PRESENTADO POR:
Bach. : CESAR JUAN LLANQUE QUISPE
PARA OPTAR EL TTULO PROFECIONAL DE
INGENIERO CIVIL
JULIACA PERU 2 012
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Juliaca - Per 2012
UNIVERSIDAD ANDINA NSTOR CCERES VELSQUEZ
FACULTAD DE INGENIERAS Y CIENCIAS PURAS
CARRERA ACADMICO PROFESIONAL DE
INGENIERA CIVIL
Tesis Para Optar el Ttulo Profesional de Ingeniero Civil
SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN
VERTEDORES DE DEMASAS.
TESISTA:
Bach. : CESAR JUAN LLANQUE QUISPE
E-mail: [email protected]
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UNIVERSIDAD ANDINA NSTOR CCERES VELSQUEZ
Facultad De Ingenieras Y Ciencias Puras
CARRERA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA CIVIL
T E S I S:
SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA
EN VERTEDORES DE DEMASAS.
Presentado por el Bachiller:
CESAR JUAN LLANQUE QUISPE
Para Optar El Ttulo Profesional de:
IINNGGEENNIIEERROO CCIIVVIILL APROBADO POR:
PRESIDENTE : ___________________________________
Ing. Felipe S. Jara Vidaln Vega
PRIMER MIEMBRO : ___________________________________
Mg. Ing. Alfredo Zegarra Butrn
SEGUNDO MIEMBRO : ___________________________________
Mg. Ing. Ronald Madera Tern
JULIACA PERU 2012
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DEDICATORIA
Mi ms grande y profundo agradecimiento al apoyo de mi
mama y mis hermanos. Sus palabras y el valor que supieron
transmitirme, me ayudaron a seguir adelante, sin dejarme
retroceder en circunstancias en que mis propias fuerzas no
fueron suficientes. Es a ellos, a quienes debo todo cuanto
he conseguido en mi vida. Gracias por confiar en m y darme
la oportunidad de crecer.
A Dios, quien me dio la fe y la fortaleza necesaria para
salir siempre adelante pese a las dificultades.
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RESUMEN:
Se est llevando a cabo un proyecto de investigacin en
materia de aliviaderos tipo laberinto. Dentro de este
proyecto
se propone un mtodo para el clculo hidrulico de estos
aliviaderos de tipo terico experimental de formulacin
sencilla y basada en los principales fenmenos que
condicionan
la capacidad hidrulica de estas estructuras: las caras
diagonales del vertedero respecto de la direccin del flujo
en
la alimentacin y la interferencia de lminas. El
procedimiento va a ser mejorado y validado, dentro del
proyecto de investigacin comentado, mediante modelacin. No
obstante, el contraste de sus resultados con otros
procedimientos existentes y con los resultados de algunas
modelaciones fsicas disponibles ofrece resultados
esperanzadores.
ABSTRACT:
It is carrying out an investigation project on labyrinth
spillways. As a part of this project, it is proposed a
method
for the hydraulic calculation of this type of spillways,
which
is based on the main facts, occurred: the diagonal faces of
the weir referred to the direction of the flow upstream in
the
approximation and the nappe interference. The method is
going
to be improved and validated by means of modelling as a part
of the investigation project. However, the comparison of its
preliminary results with other methods and also with some
physical models available provides encouraging results.
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Glosario
Embalse: Es el agua almacenada en el vaso de la presa.
Avenida: crecida sbita y violenta de un curso de agua.
Cresta: Borde superior del vertedero
Napa: Vena lquida que fluye a travs del vertedero.
Napa Libre: Al final de canal que fluye a travs del
vertedero.
Pared del Vertedero (P): Es la altura del vertedero.
Longitud del Vertedero (L): Es la longitud perpendicular del
vertedero con respecto al flujo.
Carga sobre el Vertedero (H): Espesor del chorro medida
entre
la superficie libre aguas arriba del vertedero.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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INDICE
LISTA DE FOTOGRAFIAS ..........................................
4
LISTA DE FIGURAS ..............................................
4
LISTA DE GRAFICOS .............................................
6
LISTA DE CUADROS ..............................................
7
LISTA DE TABLAS ...............................................
7
CAPITULO I FoRMULACIN DEL PROBLEMA ...........................
8
1.1. INTRODUCCIN. .........................................
8
1.1.1. PROPSITOS Y ALCANCES DE LA INVESTIGACIN .......... 9
PROPSITO ...................................... 9 1.1.1.1.
ALCANCES DE LA INVESTIGACIN ................... 9 1.1.1.2.
1.1.2. ANTECEDENTES ......................................
10
1.2. OBJETIVOS ............................................
12
1.2.1. OBJETIVOS GENERALES ...............................
12
1.2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS ............................. 12
1.3. DETERMINACIN DE VARIABLES. ..........................
13
1.3.1. VARIABLE INDEPENDIENTE ............................
13
1.3.2. VARIABLE DEPENDIENTE ..............................
13
1.4. METODOLOGA DEL ESTUDIO ..............................
13
1.4.1. Tipo De Trabajo De Investigacin Cientfica ....... 13
CAPITULO II MARCO TERICO Y CONCEPTUAL .......................
14
2.1. CONCEPTO DE FLUIDO ...................................
14
2.1.1. CLASIFICACIN DE FLUIDOS .......................... 15
GAS Y LQUIDO ................................. 15 2.1.1.1.
FLUIDOS NEWTONEANO Y NO NEWTONEANO ............ 16 2.1.1.2.
FLUIDOS IDEAL, VISCOSO Y REAL ................. 17 2.1.1.3.
2.1.2. PROPIEDADES FSICAS ............................... 18
VISCOSIDAD .................................... 18 2.1.2.1.
ELASTICIDAD ................................... 20 2.1.2.2.
TENSIN SUPERFICIAL )( ........................ 22 2.1.2.3.
2.1.3. LEYES QUE RIGEN EL MOVIMIENTO DE UN FLUIDO ........
24
2.2. CONCEPTO DE FLUJOS ...................................
26
2.2.1. TIPOS DE FLUJO ....................................
26
2.2.2. FLUJOS EN CONDUCTOS CERRADOS Y ABIERTOS ...........
26
2.2.3. FLUJO LAMINAR Y FLUJO TURBULENTO ..................
26
FLUJO LAMINAR ................................. 26 2.2.3.1.
FLUJO TURBULENTO .............................. 29 2.2.3.2.
2.2.4. FLUJO CRTICO ..................................... 33
2.2.5. FLUJO SUBCRTICO .................................. 34
2.2.6. FLUJO SUPERCRTICO ................................ 35
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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2.2.7. FLUJO A RGIMEN PERMANENTE Y NO PERMANENTE ........ 36
2.2.8. FLUJO UNIFORME Y FLUJO NO UNIFORME ................
37
2.2.9. FLUJO ROTACIONAL Y FLUJO IRROTACIONAL .............
37
2.2.10. FLUJO UNIDIMENCIONAL, FLUJO BIDIMENSIONAL, FLUJO
TRIDIMENSIONAL ............................................ 37
FLUJO UNIDIMENCIONAL ......................... 37 2.2.10.1.
FLUJO BIDIMENSIONAL .......................... 38 2.2.10.2.
FLUJO TRIDIMENSIONAL ......................... 38 2.2.10.3.
2.3. CLASIFICACIN DE VERTEDORES DE DEMASAS .............. 39
2.3.1. VERTEDORES DE CADA LIBRE ......................... 39
2.3.2. CORTINAS VERTEDORAS CON CADA RPIDA .............. 41
2.3.3. VERTEDORES CON TIRO VERTICAL ......................
42
2.3.4. VERTEDORES CON DESCARGA DIRECTA EN CANAL ..........
43
2.3.5. VERTEDOR CON CANAL LATERAL ........................
45
2.3.6. VERTEDORES DE CIMACIO. ............................
50
2.3.7. VERTEDORES EN RAPIDA. .............................
55
2.3.8. VERTEDORES EN EMBUDO O BOCINA .....................
57
2.3.9. VERTEDORES DE TUNEL. ..............................
62
2.3.10. VERTEDORES EN SIFN. ............................ 65
2.3.11. VERTEDORES EN ABANICO. .......................... 69
2.4. FORMULACIN TERICA PARA EL DISEO DE VERTEDEROS ..... 74
2.4.1. CONCEPTO DE VERTEDEROS Y SU CLASIFICACIN ......... 74
CONCEPTO DE VERTEDERO ......................... 74 2.4.1.1.
FINALIDAD DE LOS VERTEDEROS ................... 75 2.4.1.2.
ELEMENTOS DE UN VERTEDERO ..................... 75 2.4.1.3.
CLASIFICACIN DE VERTEDEROS ................... 76 2.4.1.4.
2.4.2. DESARROLLO DE LA FRMULA TERICA .................. 78
LA ECUACIN DE BERNOULLI ...................... 78 2.4.2.1.
CONSIDERANDO LA VELOCIDAD DE LLEGADA 2.4.2.2.DESPRECIABLE.
........................................... 80
CONSIDERANDO LA VELOCIDAD DE LLEGADA .......... 81 2.4.2.3.
2.4.3. FRMULAS COMNMENTE UTILIZADAS PARA LA ESTIMACIN DE
COEFICIENTES DE DESCARGA EN EL DISEO DE VERTEDEROS ....... 82
FRMULA DE KINDSVATER Y CARTER ................ 83 2.4.3.1.
FRMULA DE REHBOCK ............................ 83 2.4.3.2.
FRMULA DE BAZIN CORREGIDA POR HEGLY .......... 84 2.4.3.3.
FRMULA DE FRANCIS ............................ 84 2.4.3.4.
FRMULA DE KING ............................... 85 2.4.3.5.
FRMULA DE LA SOCIEDAD SUIZA DE INGENIERIOS Y 2.4.3.6.ARQUITECTOS
............................................. 85
2.4.4. FRMULAS COMNMENTE UTILIZADAS PARA LA ESTIMACIN DE
VERTEDERO TIPO LABERINTO .................................. 86
FRMULA DE TULLS, AMANIAN Y WALDRON .......... 86 2.4.4.1.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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CAPITULO III SIMULACIN EXPERIMENTAL .........................
90
3.1. ALCANCES Y PROCEDIMIENTOS ............................
90
3.1.1. ALCANCES ..........................................
90
3.1.2. PROCEDIMIENTOS ....................................
90
En el canal de pendiente variable de la 3.1.2.1.Universidad
Nstor Cceres Velsquez. ................... 90
3.2. EQUIPAMIENTO EXPERIMENTAL ............................
93
3.2.1. MEMORIA DESCRIPTIVA ...............................
93
3.2.2. ESPECIFICACIONES TCNICAS ......................... 98
3.3. OBSERVACIONES DE LOS ENSAYOS EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO
.................................................. 104
3.4. DETERMINACIN DE LA LONGITUD DEL VERTEDERO ..........
105
3.5. DETERMINACIN FORMA DE LA CRESTA Y ALTURA DEL VERTEDERO
105
3.6. DETERMINACIN DEL NGULO Y PARED DEL VERTEDERO ...... 106
3.7. DETERMINACIN DEL CAUDAL ............................
106
3.8. DETERMINACIN DEL TIRANTE DEL VERTEDERO .............
108
CAPITULO IV ANLISIS DE LOS RESULTADOS ......................
115
4.1. COMPARACIN DE LOS RESULTADOS CON FRMULAS COMUNES .. 115
4.2. FRMULAS DESARROLLADAS EN LA INVESTIGACIN .......... 135
4.2.1. CASO CON VERTEDERO RECTANGULAR ...................
135
4.2.2. CASO CON DIFERENTES CICLOS DE VERTEDEROS TIPO LABERINTO
................................................ 135
4.3. DISCUSIN ...........................................
138
CONCLUSIONES ................................................
141
RECOMENDACIONES .............................................
143
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA .....................................
144
ANEXO .......................................................
145
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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LISTA DE FOTOGRAFIAS
Fotografa 01.- Canal de pendiente variable de la UANCV.
Fotografa 02.- Tipo de vertedor de cada libre.
Fotografa 03.- Partes que constituyen un vertedor en canal
lateral.
Fotografa 04.- Imagen donde se aprecia el proceso constructivo
del canal lateral por parte de la
CNA.
Fotografa 05.- Ejemplo tpico de un vertedor de canal
lateral.
Fotografa 06.- Vista superior de un vertedor en canal
lateral.
Fotografa 07.- Ejemplo de vertedor en cimacio.
Fotografa 08.- Imagen de vertedor en embudo.
Fotografa 09.- Imagen en donde se presentan 2 tneles que son
empleados como conductos de
descarga.
Fotografa 10.- Imagen de un vertedor en abanico
Fotografa 11.- Partes que constituyen un vertedor en
abanico.
Fotografa 12.- Vertedero rectangular.
Fotografa 13.- Vertedero tipo laberinto de un ciclo.
Fotografa 14.- Vertedero tipo laberinto de dos ciclo.
Fotografa 15.- Vertedero tipo laberinto de tres ciclo.
Fotografa 16.- Aforo Volumtrico con canaleta de desviacin.
Fotografa 17.- Tanque de Almacenamiento y bomba de impulsin.
Fotografa 18.- Caudalmetro y vlvula de regulacin de caudal.
Fotografa 19.- Canal de Prueba y control de mandos.
Fotografa 20.- Acabado o terminado del vertedero tipo
laberinto
LISTA DE FIGURAS
Figura 01.- Esfuerzo Cortante
Figura 02.- Fluidos gas y liquido
Figura 03.- Fluidos Newtoneanos y no Newtoneanos
Figura 04.- Fluidos Ideal
Figura 05.- Fluidos Viscoso
Figura 06.- Fluidos Real
Figura 07.- Fluido altamente viscoso
Figura 08.- Tensin Superficial
Figura 09.- Ley de conservacin de masa
Figura 10.- Ley de conservacin de momentum
Figura 11.- Flujo Cerrados y Abiertos
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Figura 12.- Flujo Laminar Tuberas
Figura 13.- Flujo Laminar Canales
Figura 14.- Flujo Turbulento Tuberas
Figura 15.- Flujo Turbulento Canales
Figura 16.- Conducto Hidrulicamente Liso
Figura 17.- Conducto Hidrulicamente Rugoso
Figura 18.- Flujo crtico
Figura 19.- Flujo Subcrtico
Figura 20.- Flujo Subcrtico y Flujo Supercrtico ro arriba
Figura 21.- Flujo Supercrtico
Figura 22.- Flujo bidimensional
Figura 23.- Flujo tridimensional
Figura 24.- Vertedor de cada libre. (Visto en planta)
Figura 25.- Cortinas vertedoras con cada rpida
Figura 26.- Vertedores con descarga directa en canal
Figura 27.- Presa Venustiano Carranza Coahuila
Figura 28.- Vertedor de cimacio en donde se recomienda que la
sumergencia no exceda del 30%
sobre la carga del vertedor para considerar un coeficiente.
Figura 29.- Vertida libre sobre el cimacio.
Figura 30.- Coeficiente de gasto en Cimacios de Par amento aguas
arriba vertical, vertiendo con
la carga de diseo.
Figura 31.- Coeficiente de gasto en Cimacios de par amento aguas
arriba vertical, vertiendo con
cargas diferentes a las de diseo.
Figura 32.- corte por el eje de la estructura de servicio en una
presa.
Figura 33.- Ejemplo de vertedor con cada en rpida sobre una
presa de gravedad. CNA, 1999.
Figura 34.- Esquema donde se presentan las partes que
constituyen al vertedor de Embudo
Figura 35.- Funcionamiento del vertedor de embudo o bocina
Figura 36.- Caractersticas de circulacin y descarga de un
vertedero en embudo o bocina
Figura 37.- Relacin entre el coeficiente de una cresta circular
oC y s
o
R
H para diferentes
tirantes de llegada (lmina ventilada)
Figura 38.- Vertedor en tnel
Figura 39.- Esquema de vertedor en sifn con descarga libre.
Figura 40.- Esquema de vertedor en sifn
Figura 41.- Esquema de vertedor en sifn con salida de
sumergencia.
Figura 42.- Ejemplo de vertedor de sifn
Figura 43.- Geometra del vertedero de abanico. (Planta del
vertedero)
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Figura 44.- Parmetros para el diseo de vertedero en abanico
Figura 45.- baco propuesto por Magalhaes y Lorena (1989).
Figura 46.- Curvas de proyecto para vertederos tipo laberinto
triangulares.(Hay and Taylor,
1970)
Figura 47.- Grafico de correccin de caudal
Figura 48.- Direccin del flujo en el canal
Figura 49.- Longitudes del vertedero
Figura 50.- Forma de la cresta y altura del vertedero
Figura 51.- Angulo y pared del vertedero tipo laberinto
Figura 52.- baco Propuesto
Figura 53.- Interferencias de flujos
LISTA DE GRAFICOS
Grafico 1.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del
Vertedero Tipo Laberinto De Un
Ciclo Medicin 1
Grafico 2.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del
Vertedero Tipo Laberinto De Un
Ciclo Medicin 2
Grafico 3.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del
Vertedero Tipo Laberinto De Un
Ciclo Medicin 3
Grafico 4.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del
Vertedero Tipo Laberinto De Dos
Ciclo Medicin 1
Grafico 5.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del
Vertedero Tipo Laberinto De Dos
Ciclo Medicin 2
Grafico 6.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del
Vertedero Tipo Laberinto De Dos
Ciclo Medicin 3
Grafico 7.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del
Vertedero Tipo Laberinto De Tres
Ciclo Medicin 1
Grafico 8.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del
Vertedero Tipo Laberinto De Tres
Ciclo Medicin 2
Grafico 9.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del
Vertedero Tipo Laberinto De Tres
Ciclo Medicin 3
Grafico 10.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del
Vertedero Tipo Laberinto De
Un Ciclo Medicin 1
Grafico 11.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del
Vertedero Tipo Laberinto De
Un Ciclo Medicin 2
Grafico 12.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del
Vertedero Tipo Laberinto De
Un Ciclo Medicin 3
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Grafico 13.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del
Vertedero Tipo Laberinto De
Dos Ciclo Medicin 1
Grafico 14.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del
Vertedero Tipo Laberinto De
Dos Ciclo Medicin 2
Grafico 15.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del
Vertedero Tipo Laberinto De
Dos Ciclo Medicin 3
Grafico 16.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del
Vertedero Tipo Laberinto De
Tres Ciclo Medicin 1
Grafico 17.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del
Vertedero Tipo Laberinto De
Tres Ciclo Medicin 2
Grafico 18.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del
Vertedero Tipo Laberinto De
Tres Ciclo Medicin 3
Grafico 19.- Valuacin De Error Obtenidos En Los Resultados De
Las Mediciones Del
Vertedero Tipo Laberinto Formula Original De Tullis Amanian
Grafico 20.- Valuacin De Error Obtenidos En Los Resultados De
Las Mediciones Del
Vertedero Tipo Laberinto Formula Corregida o Propuesto De Tullis
Amanian
Grafico 21.- Valuacin De Eficiencia Obtenidos Del Vertedero Tipo
Laberinto Un Ciclo
Grafico 22.- Valuacin De Eficiencia Obtenidos Del Vertedero Tipo
Laberinto Dos Ciclos
Grafico 23.- Valuacin De Eficiencia Obtenidos Del Vertedero Tipo
Laberinto Tres Ciclos
LISTA DE CUADROS
Cuadro 01.- Mediciones de caudal lecturado y corregido con
vertedero rectangular
Cuadro 02.- Mediciones del tirante del vertedero rectangular
Cuadro 03.- Mediciones del tirante del vertedero tipo laberinto
un ciclo
Cuadro 04.- Mediciones del tirante del vertedero tipo laberinto
dos ciclo
Cuadro 05.- Mediciones del tirante del vertedero tipo laberinto
tres ciclo
Cuadro 06.- Frmula original de Tullis, Amanian y w. Prueba un
ciclo
Cuadro 07.- Frmula original de Tullis, Amanian y w. Prueba dos
ciclo
Cuadro 08.- Frmula original de Tullis, Amanian y w. Prueba tres
ciclo
Cuadro 09.- Comparacin con frmula de kindsvater y carter
Cuadro 10.- Comparacin un ciclo Formula Corregida de Tullis
Amanian
Cuadro 11.- Comparacin dos ciclo Formula Corregida de Tullis
Amanian
Cuadro 12.- Comparacin tres ciclo Formula Corregida de Tullis
Amanian
LISTA DE TABLAS
Tabla 01.- Valores de los coeficientes para el clculo del Cd en
funcin del ngulo . (Tullis,
Amanian y Waldrom)
Tabla 2.- valores de coeficientes para el clculo del Cd en
funcin del ngulo, propuesto
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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CAPITULO I FORMULACIN DEL PROBLEMA
1.1. INTRODUCCIN.
Los vertederos o aliviaderos se pueden definir como simples
paredes, por sobre el cual escurre un fluido. Son
estructuras relativamente simples y de importancia
prctica; se utilizan en diversas obras hidrulicas
midiendo el caudal por un canal o controlando el caudal
excedente de una estructura hidrulica.
Dentro de un tipo de estos aliviadores, se encuentra el
vertedero tipo laberinto.
Un vertedero tipo laberinto se caracteriza por su geometra
en planta, de forma trapezoidal o triangular dispuesta
repetidamente lado a lado en forma de ciclos, presentando
un mayor desenvolvimiento de su cresta en comparacin con
un vertedor rectilneo de largo L, la cual pasa a ser
una variable efectiva para aliviar los excesos de caudal no
previstos, pues producen una disminucin de la carga sobre
la cresta y una mejor y ms rpida descarga de las ondas de
avenidas, es por ello que las ventajas de los vertederos
tipo laberinto se adecuan muy bien a la realidad
hidrolgica de nuestra regin Puno por las intensas
lluvias, requiriendo su mayor estudio en la finalidad de
conocer su comportamiento para la aplicacin en las
estructuras hidrulicas en general.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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1.1.1. PROPSITOS Y ALCANCES DE LA INVESTIGACIN
PROPSITO 1.1.1.1.
El presente trabajo tiene como propsito la
investigacin experimental para conocer mejor el
comportamiento del flujo sobre vertederos tipo
laberinto, con geometra plana de forma
triangular de 1, 2 y 3 ciclos.
Con esta investigacin se determinar que
frmula comnmente utilizada se ajusta mejor a
mediciones de flujo en vertederos tipo laberinto,
tambin se plantea una frmula que incorpora
correcciones para el vertedero tipo laberinto
desarrollado en la presente investigacin.
ALCANCES DE LA INVESTIGACIN 1.1.1.2.
En la investigacin se realiz ensayos
experimentales llevados a cabo en el Laboratorio
de Hidrulica de la Facultad de ingeniera y
ciencias puras, Universidad Andina Nstor Cceres
Velsquez ubicada en la ciudad de Juliaca.
En el laboratorio se ha hecho uso de canal
de pendiente variable con que cuentan dicho
laboratorio, (fotografa 1).
La investigacin se realiz en un vertedero
tipo laberinto sin contracciones de pared delgada
con una altura de umbral de 0.20 m y para un
rango de caudal comprendido entre 5 L/s a 30 L/s,
el cual fue construido de acero de espesor 3 mm,
para la presente tesis.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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1.1.2. ANTECEDENTES
La funcin principal de las obras de
excedencias es la de permitir el desalojo de los
volmenes excedentes de agua en el vaso de
almacenamiento esto establece de manera prctica
de que previamente se halla satisfecho la
capacidad de almacenamiento o sea, que el
embalse se encuentre lleno hasta su nivel de
conservacin o mximo de operacin antes de que
se inicien los desfogues por estas importantes
estructuras.
La importancia en la planeacin, diseo y
construccin de los Vertedores de Demasas radica
en que esta estructura es considerada como una
verdadera vlvula de seguridad ya que, permite
de una forma controlada y calculada la derivacin
o evacuacin de los volmenes excedentes sin
peligro.
En el caso de almacenamiento el
propsito es evitar desfogues que pudieran
ocasionar problemas originando que el nivel de
agua sobrepase la corona y derrame sobre ella,
pudiendo ocasionar la falla es por ello que las
obras de excedencias deber ser estructuralmente
hidrulica adecuada y con las descargas
localizadas de manera que no erosionen el pie de
la cortina u otras estructuras existentes aguas
abajo, es por ello que los materiales que formen
los revestimientos de la estructura deben ser
resistentes a la erosin y tener un acabado liso
con el fin de que sean capaces de resistir las
altas velocidades que frecuentemente se presentan
en ellas.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Las Obras de Excedencias son un
aprovechamiento superficial de la estructura que
permiten descargar los volmenes de agua que
exceden a la capacidad til de control en un
almacenamiento, para ser conducidos fuera del
vaso y llevados aguas abajo nuevamente al ro,
evitando el dao a otras estructuras y con un
mximo de seguridad.
Las Obras de Excedencias se utilizan para
descargar la llamada Avenida de Diseo o Mxima
Probable, cuyas caractersticas se obtienen de
los estudios hidrolgicos en el Ro y en el
trnsito de Avenidas a travs del Vaso
Almacenador. Estas se proyectan en un amplio
margen de seguridad, que puede ocurrir en 1000
aos.
Como se sabe, las Obras de Excedencias son
uno de los elementos indispensables. En cada
proyecto de una Estructura Hidrulica hay que
hacer estudios comparativos para saber qu tipo
de Vertedor es ms conveniente.
El presente trabajo tiene como propsito
principal el aportar una idea ms clara posible
sobre el anlisis del vertederos tipo laberinto,
ya que aqu, presentamos un procedimiento lgico
para este tipos de vertedores desde el punto de
vista Hidrulico.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Fotografa 1.- Canal de pendiente variable de la UANCV.
1.2. OBJETIVOS
Los objetivos planteados en la presente investigacin se
han dividido en Objetivos Generales y Objetivos
Especficos.
1.2.1. OBJETIVOS GENERALES
Demostrar que el uso de vertedero tipo
laberinto es adecuado para la solucin al
problema de mximas descargas y dar a conocer
el comportamiento de los vertederos tipo
laberinto bajo amplios rangos de caudal,
realizado en el laboratorio de hidrulica de la
Facultad de ingeniera y ciencias puras,
Universidad Andina Nstor Cceres Velsquez.
1.2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS
Si las frmulas comnmente encontradas para
vertedero tipo laberinto se aproximan a los
ensayos realizados en el presente trabajo de
investigacin.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Mostrar las metodologas a considerar en el
diseo de vertederos tipo laberinto y
establecer si los coeficientes de gasto
influyen significativamente en diferentes
condiciones de ciclos en vertederos tipo
laberinto.
1.3. DETERMINACIN DE VARIABLES.
1.3.1. VARIABLE INDEPENDIENTE
X=La altura de carga del vertedero.
Definicin.- H que representa la altura de carga
del vertedero, dando lectura al hidrmetro para
determinar H en varios ensayos realizados.
1.3.2. VARIABLE DEPENDIENTE
Y= El caudal.
Definicin.- se obtiene el caudal mediante el
caudalimetro. Los ensayos experimentales llevados a
cabo en el Laboratorio de Hidrulica.
1.4. METODOLOGA DEL ESTUDIO
1.4.1. Tipo De Trabajo De Investigacin Cientfica
La metodologa de la investigacin ser
experimental porque con los datos del ensayo se
determinara los coeficientes de descarga para el
vertedero tipo laberinto, dando los criterios a
los factores que se ajusten a la frmula
original.
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CAPITULO II MARCO TERICO Y CONCEPTUAL
2.
2.1. CONCEPTO DE FLUIDO
Segn la Real Academia de lengua espaola, indica que se
dice a los cuerpos cuyas molculas tiene entre si poca
adherencia y toma la forma del recipiente que los contiene
y divide los fluidos en lquidos y gases.
Otro concepto establece que un fluido es una sustancia que
se deforma continuamente, cuando se somete a un esfuerzo
cortante.
Figura 01.- Esfuerzo Cortante
El esfuerzo cortante es igual a la fuerza tangente, la
superficie dividida por el rea de la superficie.
A
F
Los experimentos muestran que la fuerza es directamente
proporcional al rea (A) y a la Velocidad (V), e
inversamente proporcional al Espesor (H).
H
AVF
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Donde =es un factor de proporcionalidad y se le denomina
viscosidad del fluido.
La expresin anterior tambin puede ser escrita:
H
V
A
F
O con una expresin en diferenciales
dy
du 1
Donde du = es la razn de cambio de la velocidad respecto dy el
espesor , se le conoce como gradiente de
velocidad
A la ecuacin 1 se le conoce como la ley de viscosidad de
Newton.
2.1.1. CLASIFICACIN DE FLUIDOS
Existen varias clasificaciones las cuales son:
GAS Y LQUIDO 2.1.1.1.
Los lquidos y los gases son diferentes
entre s, pero juntos conforman lo que se conoce
como fluidos, denominados as por su capacidad de
fluir o escurrir.
Figura 2.- Fluidos gas y liquido
Un fluido es parte de un estado de la
materia la cual no tiene un volumen definido,
sino que adopta la forma del recipiente que lo
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contiene a diferencia de los slidos, los cuales
tienen forma y volumen definido. Los fluidos
tienen la capacidad de fluir, es decir, puede ser
trasvasada de un recipiente a otro. Dentro de la
clasificacin de fluidos, los lquidos y gases
presentan propiedades diferentes. Ambos tipos de
fluidos, tienen la propiedad de no tener forma
propia y que estos fluyen al aplicarles fuerzas
externas. La diferencia est en la llamada
compresibilidad. Para el caso de los gases estos
pueden ser comprimidos reduciendo su volumen. Por
lo tanto:
Los gases son compresibles,
Los lquidos son prcticamente incompresibles.
Otra caracterstica entre los slidos y los
fluidos es que los primeros se resisten a cambiar
de forma ante la accin de los agentes externos,
en cambio los fluidos prcticamente no se
resisten a dichos agentes.
FLUIDOS NEWTONEANO Y NO NEWTONEANO 2.1.1.2.
En los fluidos Newtoneanos, hay una relacin
lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante
aplicada y la rapidez de deformacin.
En los fluidos no Newtoneanos hay una
relacin NO LINEAL entre la magnitud del esfuerzo
cortante y la rapidez de deformacin dy
du
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Figura 3.- Fluidos Newtoneanos y no Newtoneanos
FLUIDOS IDEAL, VISCOSO Y REAL 2.1.1.3.
Esta clasificacin se ha establecido para el
desarrollo de las frmulas de los fluidos.
a.- FLUIDO IDEAL
Es un fluido suponiendo que no tiene
viscosidad y es incompresible o no se
deforma, por lo que solo existen fuerzas por
presin y gravedad. Euler fue el que planteo
este modelo.
Figura 4.- Fluidos Ideal
b.- FLUIDO VISCOSO
Es un fluido suponiendo que es viscoso,
pero es indeformable. Por lo que al modelo
anterior hay que adicionarle la fuerza
cortante, por viscosidad, de esta forma se
desarrolla la ecuacin de la energa o
dxx
PAPA
PAdx
mgw
Dnde:
P=Presin
A=rea
m=Masa
g=Gravedad
w=Peso
Relacin de cambio de
la presin respecto a la
distancia
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Bernoulli, incluido la perdida de carga por
friccin.
Figura 5.- Fluidos Viscoso
c.- FLUIDO REAL
Es un fluido que tiene viscosidad y es
deformable, por lo que se debe adicionar
fuerzas debidas a la deformacin. Este
modelo fue planteado por los cientficos
Navier Stokes.
Figura 6.- Fluidos Real
2.1.2. PROPIEDADES FSICAS
VISCOSIDAD 2.1.2.1.
Se entiende por viscosidad de un fluido la
resistencia al fluido y a la deformacin angular,
dxx
PAPA
PA dx
mgw
Ddx Dnde:
=Esfuerzo cortante
D=Dimetro
dx=Longitud del
Elemento
PA
dx
PA
xPA
gdx
x
AAdxw
2
dxx
Adx
x
PP
)
2(
Ddx
Dnde:
=Densidad
Relacin de cambio de
la presin y del rea
respecto a la distancia
Fuerza
originada por el cambio del
rea respecto a la distancia
dx
A
dxx
A
dxx
A
A
P
dxx
P
2
dx
x
PP
dxx
Adx
x
PP
)
2(
-
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el cual establece un esfuerzo cortante y una
deformacin angular.
Su manifestacin exterior son reacciones
tangenciales o puestas a la deformacin entre los
elementos fluidos continuos.
Fluido altamente viscoso
Figura 7.- Fluido altamente viscoso
A
F
AF .
h
V
dy
du Ley de Viscosidad de Newton.
h
AvF = viscosidad dinmica
Viscosidad Dinmica
Unidad en Expresiones de L. M. T.
12
2
..
.
SL
L
L
SLM
=11.. SLM
En Expresiones F. M. T.
SL
L
L
F
/.
2 = SLF .. 2
En El sistema C. G. S. se le denomina poise, en
nombre del investigador Francs POISEUILLE (1799-
1869).
Dnde:
A=rea
F=Fuerza cortante
V=velocidad a altura h
u=velocidad a altura y
=Esfuerzo cortante
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En lquidos la viscosidad es inversamente
proporcional a la temperatura.
En los gases la viscosidad es directamente
proporcional a la temperatura.
Si dividimos a la viscosidad dinmica entre la
densidad obtenemos la viscosidad cinemtica.
=
3
11
ML
SML= SmSL /212
ELASTICIDAD 2.1.2.2.
La elasticidad es la propiedad segn el cual
un cuerpo reacciona contra la accin deformante
producir por una fuerza exterior, de tal modo
que cesada la causa, se restablece la situacin
primitiva.
Esta propiedad establece una relacin entre
las fuerzas de presin las dimensiones del
elemento considerado, que podemos caracterizar
por el volumen o por la densidad.
La deformacin en su forma ms general ser
la que tenga en cuenta el estado trmico del
sistema, con intervencin de la temperatura (T).
),( TP
),,( TPf = Ecuacin de estado.
En los fluidos, la deformacin es
esencialmente volumtrica y se le define como
modulo elasticidad volumtrica a la compresin.
lativanDeformaci
itarioEsfuerzoUnModulo
Re
K = E =
V
V
P
=
d
dP
-
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(Reciproco) La inversa de K= E
1 se le denomina
coeficiente de compresibilidad.
En los lquidos poco compresibles, estos
coeficientes se conservan constantes dentro del
intervalo de utilizacin prctica.
En los gases perfectos calores especficos
constantes (Volumen, Presin) la expresin
analtica de la ecuacin de estado toma la forma:
RTPV
Si consideramos una unidad de masa. VV
m 1
RTP
V
1 (Proceso Isotrmico)
Si la temperatura es constante, permite escribir
la ecuacin de estado.
2211 VPVP = cte.
P cte.
Cuando la evolucin de los gases tiene lugar
de tal manera que los intercambios de calor con
el exterior son imposibles. (Adiabtica), la
condicin de estado se transforma en:
ctePV k cteP
K =
V
P
C
C se toma usualmente K= 1.4 para gases
diatnicos.
De la ecuacin de estado:
0),,( TPf
A presiones muy bajas y temperaturas
normales, el lquido se evapora y estas molculas
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ejercen una presin al espacio que los contiene,
a lo que se le llama Presin de Vapor.
Si el espacio arriba del lquido es
limitado, despus de un tiempo las molculas se
conservan y se forma un equilibrio entre las que
se vaporizan y las que se conservan.
Cuando en un lquido, se llega a la presin
de vapor ocurre una ebullicin.
TENSIN SUPERFICIAL )( 2.1.2.3.
Es el resultado de las fuerzas cohesivas
entre las molculas de lquidos. Aparece como una
membrana tensa cuando una superficie liquida est
en contacto con otro fluido.
Se expresa como la fuerza en la superficie
del lquido normal a una longitud unitaria
tratada en la superficie.
Unidades.
m
Nt = 0.074 N/m a 20c
= 0.059 N/m a 100c
Su aplicacin se da en una gota de fluido:
La presin interna para balancear la fuerza
de tensin es:
F=P r = 2 r
r
2P
Su aplicacin se da tambin a la
capilaridad.
La capilaridad se debe tanto a las fuerzas
cohesivas entre molculas del lquido como a las
fuerzas adhesivas de las molculas de lquido.
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Cuando las fuerzas adhesivas son mayores que
las fuerzas cohesivas el agua moja de lo
contrario no.
Figura 8.- Tensin Superficial
-
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2.1.3. LEYES QUE RIGEN EL MOVIMIENTO DE UN FLUIDO
Ley de conservacin de masa.
Establece que el cambio msico en un volumen
de control en una unidad de tiempo debe ser igual
que el flujo msico que sale de dicho volumen de
control.
m
m
--- x ---
smV
2mA
s
m
t
3
Figura 9.- Ley de conservacin de masa
scvc ddtd
V dA
scvc ddtd
n
V 0dA
De esta ley se origina la Ecuacin de
Continuidad
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Ley de Conservacin de Momentum o cantidad de
movimiento
Establece que el cambio de momentum en un
volumen de control en razn del tiempo, debe ser
igual a la sumatoria de fuerzas superficiales y
volumtricas que actan en dicho volumen de
control.
Momentum = m
dt
vdm FFs
Figura 10.- Ley de conservacin de momentum
dt
vdm
scvcdV
dt
d V
V 0dA
De esta ley se origina la Ecuacin de
Momentum y Energa
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2.2. CONCEPTO DE FLUJOS
Es un movimiento de los fluidos, por una conduccin que va
inevitablemente acompaado de una paulatina cesin de
energa mecnica, debido al trabajo opositor de las fuerzas
viscosas. Dicha reduccin de energa mecnica suele
expresarse en trminos de energa especfica
2.2.1. TIPOS DE FLUJO
Los tipos de flujos se pueden clasificar de
distintas maneras.
2.2.2. FLUJOS EN CONDUCTOS CERRADOS Y ABIERTOS
Est clasificacin divide el flujo en
tubera y flujo en canales o alcantarillados.
Figura 11.- Flujo Cerrados y Abiertos
2.2.3. FLUJO LAMINAR Y FLUJO TURBULENTO
FLUJO LAMINAR 2.2.3.1.
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Las partculas del fluido se mueven a lo
largo de trayectoria suaves en lminas o capas,
deslizndose suavemente una capa sobre la otra.
Para que sea flujo laminar la velocidad debe ser
muy pequea, por lo que este tipo de flujo se
encuentra muy poco, se encuentra tambin en un
flujo subterrneo.
Tambin se produce un flujo Laminar cuando
las fuerzas viscosas son ms fuertes que las
fuerzas inerciales.
Figura 12.- Flujo Laminar Tuberas
Figura 13.- Flujo Laminar Canales
Distribucin de Velocidades para una Tubera
con flujo laminar
Velocidad en cualquier punto
44
2hDh
v
gSVh
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Velocidad mxima 16max
2D
v
gSV
Velocidad media 32
2D
v
gSVmed
Dnde:
g= gravedad
v= Viscosidad cinemtica
D= Dimetro interior del tubo
S= Pendiente de la lnea piezometrica
h= Distancia a la que se desea conocer la
velocidad.
Distribucin de Velocidades para una Canal
Ancho con flujo laminar
Velocidad en cualquier punto
2
2hYh
v
gSVh
Velocidad mxima 2max
2Y
v
gSV
Velocidad media
2
3Y
v
gSVmed
Dnde:
g= gravedad
v= Viscosidad cinemtica
Y= Tirante del canal Ancho
S= Pendiente del fondo del canal
h= Altura a la que se desea saber la
velocidad.
-
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FLUJO TURBULENTO 2.2.3.2.
Es cuando las partculas del fluido se
mueven en forma eloitica. Las fuerzas de inercia
son ms fuertes que las fuerzas viscosas.
Figura 14.- Flujo Turbulento Tuberas
Figura 15.- Flujo Turbulento Canales
El fluido adopte uno u otro rgimen depende de 4
factores:
1.- De la velocidad media de circulacin
2.- Del dimetro inferior de la tubera o radio
hidrulico de la seccin (canales)
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3.- De la viscosidad del lquido (viscosidad
cinemtica)
4.- De la rugosidad de las paredes del tubo o del
canal.
Para determinar en qu rgimen se encuentra se
utiliza el nmero de Reynolds.
Tuberas Canales
v
DV .Re
v
RV .Re
Dnde:
Re= N de Reynolds (adimensional)
V= Velocidad media de circulacin
D= Dimetro interior de la tubera
v= Viscosidad cinemtica a la Temperatura
de Servicio.
R= Radio HidrulicoPmojado
A
Tuberas Canales
Re < 2000 flujo laminar Re < 600 flujo laminar
2000 < Re < 7500 Transicin 600 < Re < 600
Transicin
Re > 7500 flujo Turbulento Re > 2000 flujo Turbulento
Distribucin de Velocidades en flujo
Turbulentos
Para determinar las ecuaciones, habr que
recurrir a informacin experimental y a otros
conceptos.
Conductos Hidrulicamente lisos e Hidrulicamente
Rugosos
Se dice que un conducto es Hidrulicamente liso
cuando:
-
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4.0K 5.
v
KV
Se dice que un conducto es Hidrulicamente Rugoso
cuando:
6K 70.
v
KV
Se dice que un conducto esta en Transicin
cuando:
70.
5 v
KV
Dnde:
Espesor de subcapa laminar 6.11.
v
V
K= Rugosidad Absoluta, est en funcin al tipo
de material
v= Viscosidad cinemtica a temperatura de trabajo
V= Velocidad de corte SYgo ..
Figura 16.- Conducto Hidrulicamente Liso
-
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Figura 17.- Conducto Hidrulicamente Rugoso
Distribucin de Velocidades en flujo
Turbulentos Hidrulicamente liso
hLn
K
VV xh
104 Para Tuberas y canales
Velocidad Media 2/32
104
e
DLn
K
VVmed x
Tuberas
Velocidad Media
DLn
K
VVmed x
3.38
Canales
x= Constante de Karman = 0.4
Distribucin de Velocidades en flujo
Turbulentos Hidrulicamente Rugosos
K
hLn
x
VV xh
30 Para Tuberas y canales
Velocidad Media K
DLn
x
VVmed x
4.13
Tuberas 4
DR
Velocidad Media K
DLn
x
VVmed x
11 Canales YR
x= 0.4
Para usos Prcticos se utilizan las siguientes
Frmulas
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Velocidad Media para canales y tuberas en
conductos Hidrulicamente lisos.
RLn
x
VV x
42_
Velocidad Media para canales y tuberas en
conductos Hidrulicamente Rugosos
RLn
x
VV x
12_
x= 0.4
Un caso ms general para ambos tipos
72
6_
K
RLn
x
VV x
x= 0.4
2.2.4. FLUJO CRTICO
El estado crtico es a travs de una seccin de
canal se caracteriza por varias condiciones
importantes. En resumen estas son:
1) La energa especfica es mnima para un
caudal determinado
2) El caudal es mximo para una determinada
energa especfica
3) La fuerza especfica es mnima para un
caudal determinado
4) La altura de velocidad es igual a la mitad
de la profundidad hidrulica en un canal de
baja pendiente
5) El nmero de Froude es igual a la unidad
6) La velocidad de flujo en un canal de baja
pendiente con distribucin uniforme de
velocidades es igual a la celeridad de
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pequeas ondas gravitacionales en aguas poco
profundas causadas por perturbaciones
locales.
Los anlisis sobre el estado crtico de
flujo se han referido principalmente a una
seccin particular de canal, conocida como
seccin crtica. Si el estado crtico del flujo
existe a travs de toda la longitud del canal o a
lo largo de un tramo de este, el flujo en el
canal es un flujo crtico.
Figura 18.- Flujo crtico
2.2.5. FLUJO SUBCRTICO
Para flujo subcrtico las lneas de energa
representan la energa especfica y=v2/2g la
altura de velocidad no puede medirse con
facilidad debido a la condicin turbulenta de
flujo; luego las lneas de energa simplemente se
extienden. La interseccin vertical entre las
lneas extendidas aguas arriba y aguas abajo.
El flujo sub critico o tranquilo al nmero
de Froude tiene una funcin muy importante en las
caractersticas de los canales (figura 18).
-
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Figura 19.- Flujo Subcrtico
Figura 20.- Flujo Subcrtico y Flujo Supercrtico ro arriba
2.2.6. FLUJO SUPERCRTICO
El estado sper crtico es a travs de una
seccin de canal se caracteriza por varias
condiciones segn figura 20. En resumen estas
son:
1) La energa especfica es mayor para un
caudal determinado
2) Predominan las fuerzas inerciales para un
caudal determinado
-
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3) La altura de velocidad es mayor a la
profundidad hidrulica en un canal de baja
pendiente.
4) El nmero de Froude es mayor a la unidad
5) En caso de existir una depresin, el efecto
es el contrario, disminuye el nivel para
flujos supercrticos y aumenta para
subcrticos.
Figura 21.- Flujo Supercrtico
2.2.7. FLUJO A RGIMEN PERMANENTE Y NO PERMANENTE
Un flujo a rgimen permanente ocurre cuando
las condiciones en cualquier punto de un fluido
no cambian con el tiempo.
Eso es:
0
t
V; 0
t
; 0
t
P; 0
t
T
Un flujo a rgimen no permanente es cuando
las condiciones en cualquier tiempo cambian con
el tiempo.
0
t
V; 0
t
P etc.
-
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2.2.8. FLUJO UNIFORME Y FLUJO NO UNIFORME
El flujo uniforme ocurre cuando la velocidad
es idnticamente el mismo para cualquier seccin
transversal, cuando el conducto es prismtico.
0
x
V ; 0
x
A
0
x
V ; 0
x
A
Pueden existir combinaciones de flujo de los
casos anteriores.
Ejemplo:
Flujo uniforme a rgimen permanente
Flujo uniforme a rgimen no permanente
Flujo a rgimen permanente no uniforme
Flujo a rgimen no permanente no uniforme
2.2.9. FLUJO ROTACIONAL Y FLUJO IRROTACIONAL
Si las partculas del flujo dentro de una
regin tienen rotacin en torno a cualquier eje
se llama flujo rotacional o flujo de vrtice.
Si el flujo dentro de una regin no tiene
rotacin, se llama flujo irrotacional.
2.2.10. FLUJO UNIDIMENCIONAL, FLUJO BIDIMENSIONAL, FLUJO
TRIDIMENSIONAL
FLUJO UNIDIMENCIONAL 2.2.10.1.
Establece las condiciones en una
seccin transversal se expresan en termino
de valores promedios de sus propiedades.
(Velocidad, Densidad, Presin, etc)
-
SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
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La mayora de problemas se analizan
como flujo unidimensional por su sencillez.
(Diseo de tuberas y canales)
FLUJO BIDIMENSIONAL 2.2.10.2.
Se supone que todas las partculas
fluyen en planos paralelos, se utilizan
redes de flujo.
Su aplicacin puede ser para ver cmo
se distribuyen las partculas y velocidades
a travs de un pilar por ejemplo figura 22.
Figura 22.- Flujo bidimensional
(Fuente: HIDROMECANICA, E. Becerril)
FLUJO TRIDIMENSIONAL 2.2.10.3.
Es el flujo ms general, en el cual la
velocidad tiene componentes q, r, w en
direcciones perpendiculares y son en funcin
de (x, y, z, t)
Para flujos bidimensionales y
tridimensionales, los mtodos de anlisis
son en general matemticamente complejos. Su
desarrollo se lleva en el curso de fluidos
III.
-
SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
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Figura 23.- Flujo tridimensional
(Fuente: INTRODUCCION A LA HIDRAULICA FLUVIAL, Arturo Rocha
Felices)
2.3. CLASIFICACIN DE VERTEDORES DE DEMASAS
Los vertedores de demasas son de diferentes maneras segn
su descarga, tambin segn su estructura de evacuacin y a
la vez segn su forma de descarga.
2.3.1. VERTEDORES DE CADA LIBRE
Los vertedores de cada libre estn
asociados a cortinas de arco, o de contrafuertes,
donde el espesor del concreto e la geometra
general no sean favorable para guiar la vena
liquida desde la cresta hasta la parte inferior;
si la roca cimentacin es resistente a la
erosin, el agua se puede dejar caer libremente
sin proteccin; pero en caso contrario se debe
prever alguna estructura para disipar la energa
cintica del agua y amortiguar el impacto.
Los vertedores de cada libre son los que se
localizan en la parte superior de un embalse, que
tienen un desarrollo muy corto y que no existe
una estructura que gui el agua del embalse al
cauce, ya que se deja caer desde la cresta del
vertedor hasta el cauce del mismo. Por lo que
respecta a su desarrollo, quedan incluidos los de
-
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DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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pared delgada, aquellos en que hay un pequeo
desarrollo de cimacio y aquellos otros en los que
despus del pequeo cimacio se remata la
estructura con una cubeta de lanzamiento. Pueden
ser de cresta recta o curva y puede haber o no
compuertas de control.
Este tipo de vertedores es recomendable para
las presas de arco, para las de seccin gravedad
vertedoras y para los de contrafuertes.
Fotografa 2. Tipo de vertedor de cada libre.
Figura 24. Vertedor de cada libre. (Visto en planta)
(Fuente: DISO DE PRESAS PEQUEAS, B. of Reclamation, Floyd E.
Dominy)
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2.3.2. CORTINAS VERTEDORAS CON CADA RPIDA
Este tipo de vertedero se localiza en una
seccin reducida de una cortina de tipo gravedad,
sobre la cual se permite el paso de flujo de
agua.
La cresta se forma para ajustarse a la vena
liquida, en las condiciones de gasto mximo. Si
la roca de cimentacin es compacta y de buena
calidad, la parte inferior de la descarga se
puede disear como un deflector o salto de aqu;
si la cimentacin es erosionable se requerir la
construccin de un tanque disipador de energa.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Figura 25.- Cortinas vertedoras con cada rpida
(Fuente: OBRAS HIDRAULICAS, F. Torres Herrera)
2.3.3. VERTEDORES CON TIRO VERTICAL
Los vertederos con descarga en tiro vertical
tienen una entrada en embudo que conecta a un
tnel, en cuyo extremo inferior puede existir un
deflector o una estructura disipadora de energa.
Esta forma de vertedero se adapta a presas
con vaso de almacenamiento muy encaonado, gastos
relativamente pequeos y en que el agua que fluya
a travs de ellos est libre de objetivos que
puedan obstruirlos.
En nuestra pas exista solamente un
vertedor de este tipo, formando parte de la presa
chihuahua construida para agua potable sobre el
rio.
Es similar al vertedores en embutido, ver
(Figura 34. Esquema donde se presentan las partes
que constituyen al vertedor de embudo.). (Fuente:
OBRAS HIDRAULICAS, F. Torres Herrera)
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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2.3.4. VERTEDORES CON DESCARGA DIRECTA EN CANAL
Los vertederos con descarga directa en canal
generalmente estn asociados con cortinas de
enrocamiento, tierra y enrocamiento o cortinas de
concreto, cuando por alguna causa no conviene que
sean vertedoras.
Se considera buena prctica de ingeniera no
localizar este tipo de vertedores sobre cortina
de tierra o tierra y enrocamiento, debido a que
estas estructuras estn sometidas a algn grado
de asentamiento despus de terminada la
construccin. Tales asentamientos podran
provocar movimientos verticales y agrietamientos
en el canal de descarga del vertedor. El agua que
fluye en dichas descargas puede adquirir
velocidades del orden de 40.0 50.0 m/seg,
dependiendo del desnivel, la pendiente y la
rugosidad de las paredes. Con tales velocidades
cualquier desalinea-miento de los planos del
revestimiento, en ambos lados de la fractura,
puede provocar muy altas presiones hidrostticas
en la cara inferior de la losa y levantarla,
trayendo como consecuencia el fracaso de la
estructura y de la cortina misma.
Esta es la razn por lo que,
invariablemente, los vertedores con descarga en
canal se localizan en las laderas o en otros
sitios apropiados, pero siempre sobre terreno
natural.
El perfil de un vertedor con descarga en
canal se ilustra en la figura 26. El acceso en "A
" es relativamente ancho, de manera que tenga
velocidades bajas que no provoquen erosiones y
que representen pequeas prdidas de carga.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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En el punto "B" se muestra una seccin de
control, donde se induce un tirante crtico con
el fin de asegurar que la descarga mxima se
obtenga para cierta elevacin del agua en el
embalse.
En este punto se pueden construir
estructuras reguladoras de gasto, en caso de que
resulte conveniente.
De "B" a "C" se puede tener una pendiente
relativamente suave, pero mayor que la crtica,
determinada por la topografa en el sitio de
localizacin. De "C" a "D" se presentar una
cada coa pendiente fuerte; ya en el lado de la
descarga, con el objeto de llegar al nivel del
fondo del rio o valle para eliminar los volmenes
de agua vertidos D-E representan un tanque
amortiguador donde se disipa la energa cintica
adquirida por el agua. Posteriormente, en "F", el
agua, ya en flujo subcrtico, regresar al cauce
del ro.
Como alternativa, y en caso de que se tenga
roca de muy buena calidad, se puede suspender el
revestimiento del canal de descarga en algn
punto, entre "B" - "C" - "D", construyendo un
deflector para garantizar que las erosiones no se
presenten en las cercanas del revestimiento.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Figura 26. Vertedores con descarga directa en canal
(Fuente: OBRAS HIDRAULICAS, F. Torres Herrera)
2.3.5. VERTEDOR CON CANAL LATERAL
Los Vertedores en Canales Laterales son
aquellos en los que el Vertedor de Control la
forma un cimacio cuya cresta es paralelamente al
tramo inicial del conducto de descarga, as
recibiendo el nombre de Capa Colector. El agua
que se vierte sobre la cresta cae en una conducto
angosto opuesto al de descarga principal.
El proyecto del Canal Lateral est
supeditando solamente a las condiciones
hidrulicas que imperan en el tramo aguas arriba
del canal de descarga y es, ms o menos,
independiente de los detalles elegidos para los
otros componentes del vertedor.
Las descargas de los canales pueden
conducirse directamente a un canal de descarga
abierto, a un conducto cerrado o a un tnel
inclinado. El agua puede entrar en el canal
lateral en un solo de los lados del conducto en
el caso de que este colocado en una ladera
empinada, o por ambos lados o por el extremo si
est ubicado en la cumbre de una loma o una
ladera suave.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Las caractersticas de descarga de un
vertedor lateral son semejantes a la de los
Vertedores ordinarios, y dependen del perfil
elegido para la cresta. Sin embargo, para las
descargas mximas, el funcionamiento hidrulico
del canal puede diferir del de los vertedores
ordinarios en que su circulacin puede estar
restringida en el conducto y porque su cresta
puede quedar ahogada.
ELEMENTOS DE VERTEDORES DE CANAL LATERAL.
Los elementos que constituyen a un Vertedor
de Canal Lateral son lo sig.:
Canal de Acceso.
Cresta del vertedor o Canal Lateral.
Cubeta de Canal Lateral.
Canal de Descarga.
Dados Amortiguadores.
Tanque Amortiguador.
Fotografa 3. Partes que constituyen un vertedor en canal
lateral
(Fuente: OBRAS DE EXCEDENCIAS, Arreguin I. Felipe)
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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En este caso las caractersticas de
funcionamiento se controlaran por una
construccin en el canal de aguas abajo del
conducto. La construccin puede ser un punto de
escurrimiento crtico del canal o un orificio de
control o un tnel trabajando lleno.
Aunque en el Canal Lateral no es
hidrulicamente eficiente debido a la gran
turbulencia y a las vibraciones que se producen,
tiene ventajas que lo puedan hacer adaptables a
ciertos sistemas de Vertedores de demasas.
Cuando se desea una cresta vertedora larga con el
objetivo de limitar la carga hidrulica de la
sobrecarga, las laderas son empinadas y
acantiladas, o donde el control debe conectarse a
un canal de descarga angosto o tnel el vertedor
lateral es con frecuencia la mejor eleccin.
Fotografa 4. Imagen donde se aprecia el proceso constructivo del
canal lateral por parte de la
CNA.
(Fuente: OBRAS DE EXCEDENCIAS, Arreguin I. Felipe)
Tambin se llaman vertedores de Canal
Lateral, aquellos que tienen un tanque canal
colector paralelo a la cresta vertedora, seguido
de un canal conductor o rpido. Generalmente la
cresta vertedora es recta, pero hay ocasiones, en
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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que se hace curva y otras en que el extremo aguas
arriba de la cresta se contina en una curva
pronunciada rodeando el mismo extremo del tanque
canal.
Por ltimo, una variante que tambin se ha
construido, es con la cresta vertedora rodeando
todo el tanque canal, excepto por donde se
continua este con el canal conductor.
El escurrimiento dentro del canal colector
debe ser a rgimen lento. Para garantizar este
rgimen, hay que proporcionar en el tramo final
del canal colector una seccin de control
Proyectando un estrechamiento en el mismo o
un escaln vertical, normal al canal.
Debido al vertido lateral se propicia en el
escurrimiento un remolino con eje paralelo al del
canal que incrementa los tirantes como este
remolino originado en el canal colector se
propaga a lo largo del conducto de descarga, para
tomar en cuenta este efecto, debe incrementarse
el coeficiente de rugosidad del conducto de
descarga ahora bien, como este incremento de
rugosidad es muy difcil de estimar, se
recomienda considerar para el diseo un
coeficiente correspondiente a una rugosidad 30 %
mayor de la que se especifique en el acabado del
conducto.
A causa de las turbulencias y vibraciones
inherentes en el canal colector, un vertedor de
este tipo debe considerarse slo cuando exista
una cimentacin competente, como roca. Los
recubrimientos del canal colector deben anclarse
a la roca.
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DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Fotografa 5. Ejemplo tpico de un vertedor de canal lateral
Figura 27. Presa Venustiano Carranza Coahuila
Fotografa 6. Vista superior de un vertedor en canal lateral.
(Fuente: OBRAS DE EXCEDENCIAS, Arreguin I. Felipe)
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DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Este tipo de Vertedores Laterales se
recomienda cuando la Topografa no permite la
construccin de otro tipo de vertedores: por
ejemplo, cuando la boquilla es cerrada con
laderas muy inclinadas y la cresta vertedora es
muy larga.
El diseo de los canales de este tipo de
Vertedores se basa mediante 2 mtodos, los cuales
son: La Teora del Flujo Uniforme y la Teora del
Flujo Espacialmente Variado.
2.3.6. VERTEDORES DE CIMACIO.
Se llaman vertedores de cimacio aquellos
constituidos por una cresta de control curva que
deben tener aproximadamente la forma de la
superficie inferior de la lmina vertiente de
un vertedor de cresta delgada ventilado. La
superficie curva descrita continua en una rpida
de alta pendiente tangente a ella y relativamente
corta, que esta rematada con una superficie curva
contrada a la de la cresta, la cual debe llegar
tangente a la plantilla de un tanque
amortiguador, a un canal de descarga que ya no es
parte del vertedor sino un canal de conduccin, o
un salto de esqu.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Fotografa 7. Ejemplo de vertedor en cimacio.
Figura 28. Vertedor de cimacio en donde se recomienda que la
sumergencia no exceda del 30%
sobre la carga del vertedor para considerar un coeficiente.
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DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Figura 29. Vertida libre sobre el cimacio.
(Fuente: OBRAS DE EXCEDENCIAS, Arreguin I. Felipe)
ECUACIONES PARA EL VERTEDOR DE CIMACIO.
La capacidad de descarga de un cimacio, para
la condicin de diseo o para cualquier otra
condicin de operacin, es funcin de la longitud
efectiva de la cresta vertedora, de la carga real
con que opere, de la geometra del perfil y de
las dimensiones y profundidad del canal de
acceso.
En el caso del vertido libre (Fig. 29) con o
sin pilas intermedias, la ecuacin para el
clculo de la capacidad de descarga es la general
de vertedores:
2
3
CLeHQ (1)
Dnde:
C = Coeficiente de gasto.
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DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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H = Carga total de operacin, incluyendo carga de
velocidad de llegada, en m.
Le = Longitud efectiva de cresta, en m.
Q = Gasto en m3/s
En el clculo de h se considera que ,2
2
g
VhH od
Donde )( d
ohP
qV
es la velocidad de llegada y q
gasto unitario en el canal de llegada.
El coeficiente C de la (Ec. 1) depende
principalmente de la carga H con que opera el
vertedor en un momento dado, de la carga H d
elegida para disear el perfil del cimacio de la
profundidad del canal de acceso, del talud de la
carga aguas arriba y del grado ahogamiento de la
descarga. La interrelacin de C con todos estos
elementos ha sido obtenida nicamente de manera
experimental y es la que se presenta a
continuacin:
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Figura 30. Coeficiente de gasto en Cimacios de Par amento aguas
arriba vertical, vertiendo con
la carga de diseo.
(Fuente: DISO DE PRESAS PEQUEAS, B. of Reclamation, Floyd E.
Dominy)
La (Figura 30) muestra la grfica principal
que relaciona el valor de C, que en este caso
adquiere el valor Co, con el dHP / (Profundidad
del canal de acceso entre carga de diseo) para
el caso en que la carga de operacin sea igual a
la de diseo ( dHH / =1) y que el paramento aguas
arriba del cimacio sea vertical. Aqu se observa
que cuando P=0, Co = 1.705, que corresponde a un
vertedor de cresta ancha y que cuando P crece, Co
tambin, hasta un mximo de 2.181, a partir del
cual se mantiene constante.
Cuando la carga de operacin es distinta de
la de diseo y se mantiene vertical la cara aguas
arriba, el coeficiente de descarga vara con la
relacin dHH / , como lo muestra la (Figura 31) en
la que Co es el coeficiente obtenido de la
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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(Figura 30). Es interesante observar que el
Coeficiente C es mayor que Co cuando la carga de
operacin es mayor que la de diseo. Esto implica
que es conveniente elegir una carga de diseo que
sea menor que la mxima con que opere el cimacio,
a fin de lograr mejores condiciones de operacin
cuando la ltima se presente.
Figura 31. Coeficiente de gasto en Cimacios de par amento aguas
arriba vertical, vertiendo con
cargas diferentes a las de diseo.
(Fuente: DISO DE PRESAS PEQUEAS, B. of Reclamation, Floyd E.
Dominy)
2.3.7. VERTEDORES EN RAPIDA.
Se designa con este nombre a aquellas
estructuras que estn constituidas de un cimacio
recto normal a un canal que le sigue y colocados
en la parte superior de un embalse. Se ponen con
frecuencia por encima de alguno de los
empotramientos de la cortina o en algn puerto.
Para reducir las excavaciones, el tramo
inicial del canal se escoge con poca pendiente
hasta casi interceptar el perfil del terreno. A
partir de ese punto el perfil se escoge
aproximadamente como el perfil del terreno
natural. Debe tenerse la precaucin de revisar la
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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posibilidad de ocurrencia de problemas de
cavitacin en el canal.
Cuando, por razones topogrficas, el eje del
canal de entrada o el de conduccin deban
curvarse, esta curvatura se dar de preferencia
al canal de entrada.
Para un buen funcionamiento hidrulico,
deben evitarse cambios bruscos de la plantilla en
el sentido vertical y en el ancho del canal. Si
se requiere un cambio en su ancho, este debe ser
gradual.
Figura 32.- corte por el eje de la estructura de servicio en una
presa.
Figura 33. Ejemplo de vertedor con cada en rpida sobre una presa
de gravedad. CNA, 1999.
(Fuente: INTRODUCCIN DEL DISEO DE OBRAS DE EXCEDENCIAS; Sanchez,
Bribiesca
Jos Luis)
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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2.3.8. VERTEDORES EN EMBUDO O BOCINA
Un vertedor de Embudo es uno en el que el
agua entra sobre el bordo en posicin horizontal,
cae un tiro vertical e inclinado y luego corre al
cauce del ro aguas abajo por un entubamiento
horizontal. Cuando la entrada tiene forma de
embudo, este tipo se le llama Vertedor de demasa
de bocina.
Las caractersticas de descarga de estos
vertedores de demasas pueden cambiar al variar
la carga hidrulica. El control tambin vara de
acuerdo con las capacidades relativas de descarga
del vertedor, de la transicin, luego al tramo
del tubo lleno en la porcin de aguas abajo. No
se recomienda proyectar los vertedores para
trabajar como tubo lleno excepto las cadas de
muy poca de altura.
La estructura de control est formada por un
cimacio de perfil especial cuya cresta en planta
es circular el agua pasa a travs de la cresta y
cae en una lumbrera vertical o inclinada
conectada a la zona de descarga en el ro a
travs de un tnel o conducto casi horizontal.
ELEMENTOS DE VERTEDORES EN EMBUDO.
Los elementos que constituyen a un Vertedor
en Embudo son los siguientes:
Entrada de Pozo.
Cresta del Vertedor.
Dentellones de Collar.
Conducto.
Canal de Descarga.
Estanque Amortiguador.
Cresta
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Figura 34. Esquema donde se presentan las partes que constituyen
al vertedor de embudo.
(Fuente: INTRODUCCIN DEL DISEO DE OBRAS DE EXCEDENCIAS; Sanchez,
Bribiesca
Jos Luis)
Los Vertedores de Embudo se pueden usar
ventajosamente en los emplazamientos en las
presas de los caones muy angostos en los
que las laderas son muy inclinadas a donde
se dispone de un tnel de derivacin o de un
entubamiento, para usarse como ramal de
aguas.
Figura 35. Funcionamiento del vertedor de embudo o bocina
(Fuente: INTRODUCCIN DEL DISEO DE OBRAS DE EXCEDENCIAS; Sanchez,
Bribiesca
Jos Luis)
Otra ventaja de este tipo de Vertedor es que
casi se alcanc la mxima capacidad con cargas
relativamente pequeas esta caracterstica hace
que el vertedor sea ideal para usarse cuando su
gasto est limitado. Esta caracterstica tambin
se puede considerar una desventaja porque aumenta
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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su capacidad cuando las largas son mayores que
las del proyecto. Lo que no sera una desventaja
si este tipo de vertedor se fuera a usar como un
vertedor de servicio, en combinacin con un
Vertedor Auxiliar o de Emergencia.
Fotografa 8. Imagen de vertedor en Embudo.
En la figura 36 se representa condiciones
tpicas de escurrimiento y de descarga.
Las caractersticas de circulacin de un
vertedor o tambin llamado de pozo variaran de
acuerdo a la proporcin de los tamaos de los
diferentes elementos. Cambiando el dimetro de la
cresta cambiara la curva ab en la figura 36, de
manera que la ordenada de g en la curva Cd
quedar ms alta o ms baja.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Figura 36.caractersticas de circulacin y descarga de un
vertedero en embudo o bocina
(Fuente: DISO DE PRESAS PEQUEAS, B. of Reclamation, Floyd E.
Dominy)
LA ECUACIN DE VERTEDERO EN EMBUDO O BOCINA
Si la seccin de la cresta y la transicin
se ajustan a la forma de la superficie inferior
de la lmina vertiente que pase sobre un vertedor
de cresta circular, las caractersticas de la
descarga sobre la cresta y por la transicin se
puede expresar por la frmula:
-
SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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2
3
CLHQ (1)
En la que H es la carga medida ya sea en el
vrtice de la superficie inferior, en el arranque
del vertedor de cresta circular o en cualquier
punto establecido en la lmina vertiente.
El valor de C cambiar con las diferentes
definiciones de L y de H. Si L se toma en la
periferia exterior de la cresta del vertedor y si
la carga se mide al vrtice de la seccin, la Ec.
(1) se puede escribir:
2/32 oso HRCQ
Resulta aparente que le coeficiente de
descarga para una cresta circular difiere de una
cresta recta, debido a los efectos de la
sumersin y de la contrapresin por la
convergencia de las corrientes. As oC debe
relacionarse tanto a oH como a sR , y puede
expresarse en funcin de s
o
R
H.
-
SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Figura 37. Relacin entre el coeficiente de una cresta circular
oC y s
o
R
H para diferentes tirantes
de llegada (lmina ventilada)
(Fuente: DISO DE PRESAS PEQUEAS, B. of Reclamation, Floyd E.
Dominy)
Estos coeficientes son vlidos solamente si
la seccin de la cresta y la forma de la
transicin se ajustan a la de la corriente que
circula sobre un vertedor circular en pared
delgada, con la carga oH , si tiene ventilacin
de manera que no existan presiones sud
atmosfricas a lo largo de la superficie de
contacto inferior.
2.3.9. VERTEDORES DE TUNEL.
Est, tiene ventajas cuando la utilizacin
de un vertedor en Canal producira excavaciones
muy grandes especialmente en el caso de boquillas
-
SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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estrechas y con cortinas altas. El caudal
total se reparte en uno o ms tneles que
excavados en las montaas descargan libremente al
ro a la elevacin que evite su ahogamiento por
remansos ocasionados en el cauce. Para ello
debe tomarse en cuenta condiciones geolgicas y
topogrficas que brinden una buena cimentacin en
la zona del portal de salida del tnel y que
impidan erosiones importantes en el sitio de
cadas de chorro. Tambin es conveniente
considerar que los tneles empleados en las Obras
de Desvi pueden utilizarse posteriormente como
conductos de descarga.
En el caso de que el gasto de diseo fuese
diseado, los tneles se llenaran y la
eficiencia del conjunto vertedor tnel
disminuira notablemente. Esto representa menor
peligro en los Vertedores de canal y con ello una
desventaja de los vertedores de Tnel.
Cuando la cada es grande, se desarrollan
velocidades del agua excesivas que puedan daar
seriamente los revestimientos del tnel. Su
reparacin trae consigo maniobras ms complicadas
y costosas que en los Vertedores de Canal.
Por tanto, es recomendable emplear
Vertedores en Tnel solo cuando se agoten las
Posibilidades de empleo de otros tipos.
ELEMENTOS DE VERTEDORES DE TUNEL.
Los elementos que constituyen a un Vertedor
de Tnel son lo sig.:
Estructura de Control.
Tnel de Transicin.
Tnel de Desvi.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Seccin de Control.
Conducto de Descarga.
Cubeta Salto de Esqu.
Figura 38. Vertedor en tnel.
(Fuente: INTRODUCCIN DEL DISEO DE OBRAS DE EXCEDENCIAS; Sanchez,
Bribiesca
Jos Luis)
1. - ESTRUCTURA DE CONTROL.
2. - TUNEL DE TRANSICION.
3. - TUNEL DE DESVIO.
4. - TUNEL DE DESCARGA.
5. - CUBETA SALTO DE ESQUI.
Fotografa 9. Imagen en donde se presentan 2 tneles que son
empleados como conductos de
descarga.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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2.3.10. VERTEDORES EN SIFN.
Los Vertedores de Sifn son sistemas de
conductos cerrados con la forma de una U
invertida colocada en tal posicin que al
interior de la curva del pasaje superior tenga la
altura del nivel normal de almacenamiento en el
vaso. Las descarga iniciales del vertedor al
subir el nivel del vaso arriba de lo normal tiene
un funcionamiento semejante al de un vertedor.
El funcionamiento como Sifn tiene lugar
despus de que se ha agotado el aire en la cmara
que se forma sobre la cresta. La corriente
continua, se sostiene por el efecto de succin
debido al agua de la rama inferior del sifn.
ELEMENTOS DE VERTEDORES DE SIFON.
Los elementos que constituyen a un Vertedor
de Sifn son los siguientes:
Rama Superior.
Garganta o Control.
Rama Inferior.
Salida.
Ventilacin para interrumpir el efecto Sifonico del
vertedor.
Transicin.
Conducto de Descarga.
Canal de Salida.
Disipador de Energa.
Estructura Terminal.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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A) DESCARGA LIBRE
Figura 39. Esquema de vertedor en sifn con descarga libre.
La ventaja principal de un vertedor de Sifn
es su cualidad para dar paso a descargas de toda
su capacidad dentro de estrechos lmites de la
carga. Otra ventaja en superacin efectiva y
automtica sin mecanismos ni paredes mviles.
Adems de su elevado costo en combinacin
con otros tipos el Vertedor de demasas de Sifn
tiene otras numerosas ventajas, incluyendo las
siguientes:
Incapacidad del Sifn para dar paso al hielo y
a las basuras.
Posibilidad de que se obstruyan los pasajes del
Sifn y los tubos de ventilacin para
interrumpir el efecto Sifonico con basuras u
hojas.
Posibilidad de que el agua congele en sus ramas
y en los tubos de ventilacin antes de que el
vaso alcance el nivel de la cresta del
vertedor, impidiendo as el paso por el Sifn.
-
SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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La ocurrencia de aumentos bruscos y
determinaciones de las descargas como resultado
de la interrupcin y reanudacin del efecto
sifonico, produciendo as fluctuaciones
radicales en el gasto del ro agua abajo.
La descarga de gastos mayores que las
aportaciones cuando opera el Sifn si se usa
uno solo. Se puede obtener una regulacin mejor
con la que se equilibren con mayor aproximacin
las aportaciones y las descargas construyendo
una serie de sifones de mayor tamao con las
ventilaciones para interrumpir su
funcionamiento ajustadas para que se ceben los
sifones en forma progresiva al aumentar las
cargas hidrulicas en el vaso.
La construccin de cimentaciones ms recientes
que se requieren para soportar el efecto de las
vibraciones, que son mayores que en otros tipos
de estructuras de control.
Figura 40. Esquema de vertedor en sifn.
Como en el caso de otros tipos de conductos
cerrados, una de las desventajas principales de
los vertedores de Sifn es la imposibilidad que
tienen para manejar gastos muchos mayores que el
de la capacidad de proyecto, aunque la carga del
vaso exceda el nivel del proyecto.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Por lo tanto, el vertedor de Sifn esta
mejor adaptado al funcionamiento de vertedor de
servicio en combinacin con una estructura
auxiliar o de emergencia.
Hay que situar la entrada abajo del nivel de
agua en el vaso para evitar la intromisin de
basuras y escombros y la formacin de vrtices
que por la inclusin de aire rompan la accin
sinfnica.
A causa de las presiones negativas con que
trabaja el sifn, el conducto tiene que ser lo
suficientemente rgido para resistir las fuerzas
de colapso.
Las juntas deben ser estancas y deben
tomarse providencias para evitar el agrietamiento
del tubo a causa de movimientos y asentamientos
de la cimentacin. Para evitar presiones
absolutas cercanas a las de vaporizacin,
limtese la carga negativa a un mximo de 6 m.
B) SALIDA DE SUMERGENCIA.
Figura 41. Esquema de vertedor en sifn con salida de
sumergencia.
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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Figura 42. Ejemplo de vertedor de sifn
(Fuente: INTRODUCCIN DEL DISEO DE OBRAS DE EXCEDENCIAS; Sanchez,
Bribiesca
Jos Luis)
ECUACIONES PARA VERTEDOR DE SIFN.
Cada vertedor de sifn tiene una capacidad
mxima de drenaje Q, dado por la diferencia de
niveles del agua. El cual es calculado por:
2/12.. ghAuQ
Dnde:
= Coeficiente de descarga
A = Seccin transversal del flujo de
salida del sifn en m.
h = Altura de cada del sifn en m.
g = Aceleracin de la gravedad (g =9.81
m/s)
El coeficiente de descarga el cual se aplica
al sifn puede ser obtenido experimentalmente con
la siguiente conversin:
ghAQ
u2
2.3.11. VERTEDORES EN ABANICO.
Un vertedor en abanico viene a ser una
estructura constituida por un cimacio en curva
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SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS
DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.
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cncava con relacin a la direccin media del
escurrimiento y viendo en el sentido del mismo,
el cual descarga a un tanque de una geometra tal
que propicia un resalto al pie del cimacio y un
escurrimiento lento en aquel.
El nombre de vertedor en abanico le viene de
que el cimacio y el tanque ante