Indice
1.
Introducción
2. Estructuras de
transición
3. Cuencos
Amortiguadores
En el control de flujos
hidráulicos, es frecuentemente el diseño
de una transición entre dos canales de diferente
sección transversal, es importante que el ingeniero civil
tenga los conocimientos básicos para el diseño de
estructuras
hidráulicas especiales que gobiernan el flujo, mediante la
determinación del número de FROUDE, y los efectos
del cambio en las
líneas de flujo en un punto especifico de un canal.
En este tipo de diseño se deben minimizar las
pérdidas de energía, eliminar las ondulaciones que
puedan generarse, eliminar zonas muertas para evitar la
sedimentación.
Otro tipo de estructuras que son muy frecuentes, son las de
control del resalto hidráulico, esta se realiza mediante
obstáculos y en el presente trabajo hablaremos de ellas,
entre las cuales comentaremos el cuenco disipador, SAF(San
Antonio Falls), el USBR ( creado por el cuerpo de Ingenieros de
la Armada Naval de Estados Unidos)
tipo II y IV, los cuales son los mas usados debido a su
seguridad y eficiencia.
Objetivos
Objetivo
general
Poder tener
claro los criterios para el diseño de una
transición en flujo de canales y en el diseño de un
cuenco disipador
- Diseñar un aliviadero tipo WES, con el caudal
asignado por el profesor titular de la materia de
Hidráulica II - Con el número de Froude obtenido en el
diseño del aliviadero, escoger y diseñar una
estructura
de amortiguamiento o cuenco disipador, de acuerdo con los
parámetros de diseño, aprendidos en clase y los
obtenidos en la teoría incluida en el presente
trabajo.
Consideraciones generales
Un trabajo que frecuentemente deben realizar los ingenieros
civiles, consiste en el diseño de una transición
entre dos canales de diferente sección transversal, o
entre un canal y una galería o un sifón. Como
criterios para el dimensionamiento hidráulico se pueden
mencionar:
- Minimización de las pérdidas de
energía por medio de estructuras económicamente
justificables. - Eliminación de las ondulaciones grandes y de
los vórtices (por ejemplo, los vórtices de
entrada con el consecuente peligro de introducción de aire. - Eliminación de zonas con agua
tranquila o flujo muy retardado (por ejemplo: las zonas de
separación traen consigo e! riesgo de
depósito de material en suspensión).
Estos criterios se cumplen para el caso de flujo
subcrítico, si se le confiere a la estructura de
transición una forma hidrodinámica con la ayuda de
relaciones derivadas del
fenómeno de la formación de ondas. El
problema de la formación de ondas no se restringe a las
estructuras con flujo supercrítico. También en
flujo sub-crítico se forman ondas permanentes si hay
cambios bruscos de dirección o cambios fuertes de nivel del
fondo del canal. En este último caso puede llegar a
presentarse un cambio de régimen con salto
hidráulico, si no se pone atención en el diseño de la
estructura (Chow, 1959, pág. 314).
Consideraciones
¿Hasta qué punto se puede ajustar la forma de la
estructura en la zona de transición a una forma
hidrodinámica, considerando también los puntos de
vista económicos? Esto depende mucho del tamaño y
de la función de
la estructura. Con el objetivo de
lograr formas económicas, en particular para estructuras
pequeñas, se realizaron investigaciones
exhaustivas en el U.S. Department of Agriculture (Scobey, 1933).
También el U.S. Bureau of Reclamatíon (1952) ha
elaborado recomendaciones con el fin de conseguir, en lo posible,
formas simples. La publicación de Vittal, Chiranjeevi
(1983) es una de las más recientes acerca de criterios de
diseño para estructuras de transición.
Para los cálculos hidráulicos en las
estructuras de transición con flujo subcrítico son
admisibles las siguientes hipótesis:
- Se supone que la pendiente de la línea de
energía es constante en el tramo relativamente corto de
la estructura de transición y, en ausencia de
pérdidas locales, puede, asimismo, calcularse por tramos
con la ayuda de la ecuación de
Gauckler-Manning-Strickler:
- La velocidad
varía principalmente en función de la distancia.
Se supone que los factores a y 13 son iguales a
1, o bien, pueden definirse para las secciones transversales
extremas y efectuar una interpolación para las secciones
intermedias.
Los efectos de la curvatura del flujo pueden ignorarse,
con lo que las distribuciones de presión
resultan hidrostáticas. Se pueden dejar de considerar
también las zonas de separación de
flujo.
Pasos para el diseño de
una estructura de transición.
Una ayuda valiosa en el cálculo
hidráulico es el diagrama de
energía con las curvas Ho-y. Se recomienda
trazar, con el caudal dado Q, una familia de curvas
para varias secciones transversales de la estructura, donde los
cambios en la sección transversal de la estructura de
transición están limitados únicamente a
cambios en el ancho B del canal, de tal modo que las secciones
transversales consecutivas están caracterizadas por
valores
definidos del caudal unitario q=Q/B.
Ilustración 1. Curvas Ho – y
Se supone que se conocen las secciones transversales de
los canales aguas arriba y aguas abajo, los cuales deben ser
unidas con la estructura de transición y también,
el caudal, la profundidad de agua, la altura de energía en
la sección transversal final y su forma. Para la
solución de este problema tipico se procede determinando
la ubicación de la línea de energía en forma
aproximada (hipótesis a),
mencionada anteriormente, con lo que queda determinada
también la profundidad de agua en la sección
transversal inicial. Las dimensiones de las secciones
transversales intermedias elegidas para la estructura pueden
entonces determinarse de dos maneras:
- Se selecciona un recorrido uniforme para la
superficie libre del agua entre la sección transversal
inicial y final, con lo que las cargas de velocidad
intermedias quedan fijas, es decir, para cada sección
transversal, se fija un determinado punto (y, HJ. Si se
dibujan los
valores así definidos para Ha a lo largo del eje
central de la estructura de transición, se obtiene la
ubicación del fondo del canal que
correspondería al recorrido seleccionado de la
superficie libre del agua. - Se selecciona un recorrido continuo y uniforme para
el fondo del canal entre los puntos extremos de la estructura
de transición. De este modo se fijan los valores de Ha
para cada sección transversal intermedia y entonces,
con ayuda de la
ilustración 1, se puede definir la profundidad de
agua "y" correspondiente.
Es probable que luego del primer cálculo no se
obtenga el perfil del fondo del canal, con el primer método, o
el perfil de la superficie libre del agua, con el segundo
método, tan uniforme y continuo como sería
deseable. Será necesario, entonces, repetir el procedimiento de
cálculo según un ajuste iterativo apropiado hasta
obtener una transición uniforme de la superficie libre del
agua y del fondo del canal, o bien, modificar la
separación entre las secciones transversales para las
formas seleccionadas previamente o variar la forma misma de las
secciones transversales.
Estrechamientos en canales y
estructuras de ingreso
Las diferentes posibilidades de diseño para
estrechamientos en canales pueden explicarse, con ayuda de la
ilustración 1, en el caso de un canal de
sección rectangular. La reducción de la
sección transversal puede efectuarse básicamente en
dos formas: mediante una reducción de la profundidad y de
agua, o por medio de una reducción del ancho B del canal.
Se supone que el punto M en la ilustración 1 representa
las relaciones geométricas e hidráulicas existentes
en el extremo aguas arriba del canal. El paso hacia las
relaciones del extremo de aguas abajo, representadas por el punto
E, se puede obtener como se explica a
continuación:
- El fondo del canal en la estructura de
transición se prolonga con igual pendiente (de modo que
la energía específica Ha permanece
aproximadamente constante), y se reduce el ancho B. En este
caso, se pueden leer en la ilustración 1, los cambios de
profundidad correspondientes a partir de los puntos de
intersección de la línea vertical que pasa por M
con las curvas correspondientes a los valores crecientes de
Q/B. Luego de que se alcanza un ancho determinado en el punto
N, se puede lograr otra disminución de la sección
transversal por medio de una sobre-elevación gradual del
fondo, manteniendo constante el ancho del canal. La diferencia
de altura en el fondo se obtiene a partir del valor de Ha
definido en la ilustración 1 luego de la correspondiente
corrección por pérdida de energía; la
ubicación de la superficie libre del agua se obtiene con
la ayuda de las profundidades calculadas con la línea
NE. Por lo general, para un estrechamiento dado de la
sección transversal a lo largo de MNE, resultan
variaciones menores de la profundidad que a lo largo de la
línea MGE.
Por supuesto que pueden obtenerse los cambios en el
ancho del canal y en el fondo, con una combinación
arbitraria cualquiera, como, por ejemplo, mediante la
línea de trazos desde M hasta E que se indica en la
ilustración 1. En general, se recomienda conformar la
contracción de los lados del canal por medio de paredes
laterales curvas en zonas de profundidades grandes de agua. Por
esto, un diseño según la línea MNE,
conducirá a una estructura de menor longitud, y con
menores efectos de curvatura que un diseño según
MGE. Siempre y cuando los puntos M y E permanezcan claramente en
la zona de flujo subcrítico (con números de Froude
menores que 0.5), no aparecerán complicaciones para el
diseño de la estructura. En la medida en que E se acerque
a la profundidad crítica yc, la curva de la
superficie libre del agua dentro de la estructura de
transición tendrá una pendiente mayor, y mayor
será la tendencia a la formación de ondas
permanentes.
Este último caso se analiza a continuación por
medio de la ilustración 1. Con una contracción
creciente del ancho del canal, el punto N se desplaza hacia
abajo, hasta alcanzar finalmente el valor crítico
Nc. El mínimo ancho del canal, para el cual el
caudal Q todavía puede ser transportado con el valor
constante de Ha y una profundidad y = y c' puede obtenerse con la
ecuación (1):
(3.1)
(3.2)
Cualquier contracción adicional de las paredes
del canal producirá un remanso hacia aguas arriba. Igual
resultado de obtiene, si la profundidad del canal es demasiado
grande. Así, por ejemplo, también pueden obtenerse
las condiciones de flujo crítico disponiendo un umbral en
el fondo y manteniendo constante el ancho del canal, de tal modo
que el punto G alcance la ubicación extrema admisible
Gc. La máxima sobre-elevación admisible
del fondo que produce flujo crítico manteniendo constante
el ancho, se obtiene de la diferencia entre los valores de Ho en
M y Gc. Dado que Ho en el punto Gc es igual
a (3/2)Yc = (3/2) 
, se obtiene la siguiente expresión para la
altura extrema del umbral (D
z0)c:
(3.3)
donde y es la profundidad inicial en el punto M.
Finalmente, si el flujo crítico se alcanza con el
estrechamiento simultáneo de los lados y del fondo, se
obtiene, de la ilustración 1, una línea de
unión de M a la recta con línea discontinua y =
yc, que se ubica entre las curvas MGGc y
MNNc por ejemplo, la línea MEEc.
La consideración de pérdidas de energía a
causa de la resistencia de
las paredes o del rozamiento para estrechamientos en canales con
flujo subcrítico, conduce por lo general a profundidades
de agua algo menores, en comparación con los resultados
sin consideración de pérdidas, como lo comprobaron
las mediciones del U.S. Army Corps of Engineers y del U.S. Bureau
of Reclamation. Para estrechamientos de canales, con
ángulos en lo posible menores a 12.5° entre el eje de
la estructura y la tangente a los lados en el punto de
inflexión, recomienda Hinds (1928) la siguiente
expresión para la pérdida de
energía:
(3.4)
es decir, una pérdida igual a la décima
parte de la diferencia de cargas de velocidad en las secciones
extremas de la estructura de transición. Esta
pérdida debería repartirse proporcionalmente a los
cambios locales de cargas de velocidad a lo largo de la
estructura. Scobey (1933) comprobó esta
recomendación. Su trabajo, junto con el de Hinds,
proporcionan, hasta el día de hoy, una presentación
válida de los criterios de diseño para estructuras
de transición.
Tipos de
Transición
Las estructuras de transición de un canal trapezoidal a
uno rectangular pueden agruparse en tres tipos:
- Transición con curvatura simple
- Transición de forma cuña
- Transiciones con doble curvatura.
Ilustración 2. Tipos de transiciones
Las dos primeras formas deberían limitarse a
casos con velocidades muy pequeñas de flujo 
, y ninguna de las tres
formas son apropiadas para flujo supercrítico. El tipo c)
se recomienda para estructuras muy grandes no sólo porque
satisface mejor los requerimientos hidráulicos, sino
también porque, en estos casos, las superficies con doble
curvatura se pueden construir dentro de términos
económicamente rentables. En la ilustración 3 se
presenta un ejemplo de una estructura de transición,
según Hinds (1928) (véase Vittal, Chiranjeevi,
1983).
Ilustración 3. Ejemplo de Estructura de
Transicion
Debido a que una estructura de ingreso a un canal
representa el problema extremo de un estrechamiento, son
válidos para ella los mismos criterios de diseños
anteriores. En lo posible, se debe evitar una entrada hacia un
canal con cantos sin redondeamiento, a menos que el ahorro en los
costos de
construcción para estructuras
pequeñas, sea más importante que las ventajas del
flujo más hidrodinámico, el que puede obtenerse si
la forma sigue aproximadamente el perfil de las líneas de
corriente.
Para estructuras de tamaño intermedio se debe disponer, en
lo posible, transiciones con simple curvatura tanto en el fondo
como en las paredes entre el embalse y el canal. Criterios de
referencia para la relación entre el radio de redondeo
y el ancho, o bien, la profundidad del canal, se pueden obtener
de la ilustración 4, que originalmente fue formulada para
entradas en tuberías (Hubbard, Ling, 1952). Si deben
instalarse compuertas de regulación en la estructura de
ingreso a un canal trapezoidal, a partir de una sección
inicial rectangular se debería pensar en una estructura de
transición similar a la presentada en la
ilustración 2b o para flujo en dirección opuesta, a
la de la ilustración 2c.
Ilustración 4. Criterios de Referencia
Ya se mencionó lo relativo a la pérdida de
energía a la entrada, únicamente se debería
añadir, que aun para una estructura de ingreso
diseñada perfectamente con criterio hidrodinámico,
el espejo de aguas en el canal se ubica por lo menos a un valor a
V2/2g por debajo del nivel libre aguas arriba en el
embalse; donde el coeficiente a depende de los esfuerzos de corte
en las paredes, que ahora son mayores y que se generan dentro de
la capa límite. Sin embargo, si se calcula con a =1, el
error cometido con este calculo es (a -1) V2/2g, lo
que significa, dependiendo del tipo de la estructura de entrada,
entre 5 %y 20% de la carga de velocidad.
Ensanchamiento en canales y
estructuras de entrega
Los métodos de
cálculo y las recomendaciones para diseño que han
sido analizadas en el párrafo
anterior, también pueden ser utilizados, en su
mayoría, para ensanchamientos en un canal con
régimen sub crítico. Una diferencia básica
radica en la limitada posibilidad práctica de recuperar la
energía cinética en la corriente que se expande,
debido a la tendencia del flujo retardado a separarse de la
pared. Por esta razón, se debe prestar aquí mayor
atención al diseño de las paredes ya la
determinación de las pérdidas de energía que
para el caso de un estrechamiento.
En los estrechamientos de canales, con una curvatura
gradual de las paredes el flujo está libre de
separación y la velocidad se distribuye relativamente
uniforme sobre la sección transversal, coincidiendo en
gran medida con la hipótesis de la teoría
unidimensional simplificada. En cambio, en los ensanchamientos de
canales, aun curvaturas moderadas de las paredes conducen a un
crecimiento brusco de las zonas con fluido retardado; las
distribuciones de velocidad llegan a ser fuertemente no
uniformes, es decir, los coeficientes de corrección a y 13
alcanzan valores numéricos grandes; y finalmente, pueden,
presentarse zonas con separación del flujo junto a las
paredes.
Esta tendencia a la separación se acentúa a
través de cambios mínimos de dirección en el
flujo de aproximación, que pueden ser generados, por
ejemplo, por curvas o pilas en la zona
de aguas arriba. Sobre todo, se deben evitar tales separaciones
del flujo cuando existe la posibilidad de que se formen
depósitos de material en la estructura de
transición, si el agua
transporta material en suspensión o de arrastre, o cuando
la estructura de transición se conecta con canales de
fondo y taludes erosionables. Como se esquematiza en la
ilustración 5 (según Hinds), cuando hay
separación, el flujo efectivo para el transporte se
limita a una sección mucho menor donde se producen
velocidades mayores que las previstas con la teoría
simplificada.
Además, crece la tendencia hacia una asimetría del
flujo. Por ejemplo, una pequeña curva en el tramo previo
es suficiente para producir velocidades mayores de flujo siempre
a lo largo de una misma pared, con la consecuencia de que un
canal no revestido en la zona de aguas abajo se socava en ese
lado y se forma un depósito en el lado opuesto
(ilustración 5).
Ilustración 5.
Criterios para el diseño
de ensanchamientos de canales (Transiciones)
En Hinds (1928) y Scobey (1933) se encuentra una cantidad de
criterios para el diseño de ensanchamientos en canales.
Las más importantes de sus recomendaciones se resumen como
sigue (Vittal, Chiranjeevi, 1983):
- Transiciones con curvatura simple y en forma de
embudo, cuyas paredes laterales tienen un ángulo de
alrededor de 30° con respecto al eje del canal, permiten
una recuperación de energía cinética de
hasta 2/3 del cambio en la carga de velocidad. - Transiciones con doble curvatura y en forma de
cuña (ilustración 2b), permiten recuperar entre
e180% y e190% del cambio en la altura o carga de velocidad,
siempre que la estructura de transición se proyecte tan
larga que una línea de unión entre los contornos
del agua en las secciones transversales inicial y final, tenga
un ángulo no mayor a 12.5° con respecto al eje del
canal. - Se deben plantear consideraciones especiales para
corrientes que estén muy cerca de las condiciones de
flujo crítico.(Vea consideraciones
Generales). - Debido a que existe más información acerca de las características del flujo sin superficie
libre que sobre flujos en canales, se recomienda expandir en la
medida de lo posible, el flujo dentro de la parte cubierta de
la estructura de transición en el caso de una
transición desde una galería a un canal
abierto.
En corrientes sin superficie libre es muy frecuente el
uso de muros o paredes directoras de flujo para eliminar las
zonas de separación. En canales abiertos, por el
contrario, este método se aplica muy pocas veces. Sin
embargo, cuando se trata de reducir las pérdidas de
energía con la menor longitud posible de estructura puede
aplicar este método sin reservas (ilustración 6a)
separación del flujo se puede evitar, por lo general,
cuando el ángulo de expansión de la corriente se
mantiene por debajo de los 8°. Esta condición puede
ser satisfecha paralelamente a la reducción de la longitud
de la estructura por medio de muros y paredes directoras de
flujo, dispuestos en ángulos inferiores a 7°, como se
indica en la ilustración 7 Para una solución de
este tipo es importa que se elija un número par de muros
directores, ya que una pared a lo largo eje del canal tiene poca
influencia sobre el flujo.
Ilustración 6
Así como las estructuras de ingreso pueden ser
consideradas como el caso extremo de estrechamiento en un canal,
se puede decir que las estructuras de entrega son el caso extremo
de un ensanchamiento en un canal. Las consideraciones anteriores
se puede aplicar también a las secciones de salida de
canales. Es muy frecuente que la desembocadura de un canal en un
embalse cambie en forma brusca. La pérdida de
energía en el embalse es este caso, la carga o altura de
velocidad, y la disminución de la velocidad en el embalse
tiene lugar según los principios del
chorro turbulento sumergido.
Cuando el flujo subcrítico en el canal se aproxima a las
condiciones de flujo critico (Fr=1), se debe prever que
existirá una mayor formación de olas en las
cercanías de la estructura de salida.
Si el objetivo de la estructura de entrega consiste en no
sobrepasar una velocidad máxima predeterminada en
ningún punto de la sección transversal final, y con
una distribución lo más uniforme posible
de velocidades (como, por ejemplo, en el caso de una descarga en
un puerto), se recomienda una solución según el
principio esquematizado en la ilustración 6b. Este
principio ha dado buen resultado en la construcción de
túneles de viento, donde se utiliza para el diseño
de difusores. En tanto que la obstrucción en el difusor
consiste en rejillas; en el caso de la salida de un canal hacia
un puerto, se pueden utilizar pilas de sección cuadrada
estrechamente dispuestas unas junto a otras (Richter, Naud~scher,
1986). La relación de obstrucción debe elegirse en
cada caso, de tal manera que la suma de las pérdidas de
energía en la estructura de transición, sea por lo
menos igual a la carga de energía en el flujo de
aproximación.
Control del resalto
hidráulico mediante caida abrupta.
El control del resalto mediante obstáculos es útil
si la profundidad de aguas abajo es menor que la profundidad
secuente para un resalto normal, pero si la primera es mayor que
la segunda, debe utilizarse una caída en el piso del canal
para asegurar un resalto. Por lo general esta condición
ocurre a la salida de una expansión con flujo
supercrítico
Para determinado número de Froude de
aproximación, la profundidad de aguas abajo de una
caída puede localizarse en cualquiera de cinco posibles
regiones, como se muestra en la
ilustración 7-a. El límite inferior de la
región 1 es la profundidad para la cual el resalto
empezará a viajar hacia aguas arriba. El límite
superior de la región 5 es la profundidad para la cual el
resalto empezará a moverse hacia aguas abajo. En efecto,
la caída no controla el resalto en estas dos regiones
porque éste es estable y la caída es efectiva para
sus propósitos deseados sólo en las regiones 2 y 4.
La región intermedia 3 representa un estado
ondulatorio de flujo sin un frente de rompimiento.
Al aplicar las ecuaciones de
continuidad y de momentum en un análisis similar al realizado para el
vertedero de cresta ancha (ejemplo 3-2), Hsu [47] demostró
que para la región 2,
Ilustración 7
En la figura 15-14 cada curva para determinado h/yl
tiene dos ramas relativamente rectas conectadas mediante una
parte recta corta cerca de la mitad. El brazo del lado izquierdo
representa la condición correspondiente a la región
2 y el del lado derecho, la región 4. Este diagrama puede
utilizarse para propósitos de diseño con el fin de
determinar la altura relativa de caída requerida para
estabilizar un resalto en cualquier combinación de caudal,
profundidad de aguas arriba y profundidad de aguas
abajo.
y para la región 4,
Estas ecuaciones se verificaron mediante experimentos. Las
relaciones entre F , y3/y1 y
h/y1 se muestran en la ilustración 7
Cuenco disipador de diseño
generalizado.
En trabajos importantes o en aquellos que involucran un gran
número de cuencos disipadores, a menudo se necesitan
diseños generalizados de los cuencos por razones
económicas y para cumplir requerimientos
específicos. Estos diseños pueden desarrollarse a
través de años de experiencia y observaciones sobre
estructuras existentes, o mediante investigaciones en modelo, o
ambos. Los cuencos diseñados de esta manera a menudo
están provistos de accesorios especiales, incluidos
bloques de rápida, umbrales y pilares deflectores.
Los bloques en la rápida se utilizan para conformar una
estructura dentada a la entrada del cuenco disipador. Su
función es partir el chorro de entrada y elevar una parte
de él desde el piso, produciendo una longitud de resalto
más corta que la que sería posible sin ellos. Estos
bloques también tienden a estabilizar el resalto y por
consiguiente a mejorar su comportamiento.
Los umbrales dentados, o sólidos, a menudo se colocan al
final del cuenco disipador. Su función es reducir
además la longitud del resalto y controlar la
socavación. Para cuencos grandes diseñados para
altas velocidades de entrada, el umbral por lo general es dentado
para llevar a cabo la función adicional de difundir la
parte residual del chorro de alta velocidad que puede alcanzar el
extremo del cuenco.
Los pilares deflectores son bloques localizados en
posiciones intermedias sobre el piso del cuenco. Su
función es disipar la energía principalmente
mediante una acción de impacto. Los bloques deflectores
son muy útiles en pequeñas estructuras con
velocidades de entrada bajas. Sin embargo, no son recomendables
cuando las altas velocidades hacen posible la cavitación.
En ciertas circunstancias, deben diseñarse para soportar
el impacto de hielo o desechos flotantes.
Existen muchos diseños generalizados de cuencos
disipadores que utilizan un resalto hidráulico como medio
para la disipación de energía. A
continuación se describirán tres diseños
comunes:
- El cuenco SAF .Se recomienda para ser utilizado en
estructuras pequeñas de vertederos, obras de salida y
canales donde F1=1.7 a 17. La reducción en la longitud
del cuenco conseguida por el uso de accesorios diseñados
para el mismo es de alrededor del 80% (70% a 90% ). - El cuenco USBR II. Se recomienda para ser utilizado
en estructuras grandes de vertederos, canales, etc., donde Fl
> 4.5. La longitud del resalto y del cuenco se reduce
alrededor del 33% mediante el uso de accesorios. - El cuenco USBR IV. Se recomienda para ser utilizado
con resaltos de F1=2.5 a 4.5; lo cual a menudo ocurre en
estructuras de canal y en presas de derivación. Este
diseño reduce las ondas excesivas creadas en resaltos
imperfectos.
El principio del cuenco disipador también se
aplica al diseño de una caída de canal (o descenso
de canal), la cual es una estructura construida para asegurar un
descenso en la superficie del agua de un canal y una
destrucción segura de la energía liberada de esta
manera. La caída del canal algunas veces se diseña
con un ancho contraído parecido al de la canaleta
Parshall, y se conoce como caída contraída, la cual
puede construirse a bajo costo en conjunto
con un puente y utilizarse también como un medidor o
regulador.
Ilustración 8. Cuenco disipador SAF
Cuenco disipador SAF.
Este cuenco (Ilustración 8; SAF proviene del inglés
San Anthony Falls, Cataratas de san Antonio) se desarrolló
en el Laboratorio de
Hidráulica San Anthony Falls, en la Universidad de
Minnesota, para ser utilizado en pequeñas estructuras de
drenaje, como las construidas por el U.S. Soil Conservation
Service. Las reglas de diseño resumidas por el
investigador Blaisdell son las siguientes:
- La longitud LB del cuenco disipador para
números de Froude entre Fl = 1.7 y Fl =17 se determina
mediante
- La altura de los bloques de entrada y los bloques del
piso es y1 y su ancho y espaciamiento es
aproximadamente 0.75y1. - La distancia desde el extremo de aguas arriba del
cuenco disipador hasta los bloques del piso es
LB/3. - No deben localizarse bloques en el piso más
cerca de las paredes laterales que
3y1/8. - Los bloques del piso deben localizarse aguas abajo
enfrentados a las aberturas entre los bloques de la
rápida. - Los bloques del piso deben ocupar entre el 40% y el
55% del ancho del cuenco disipador. - Los anchos y el espaciamiento de los bloques del piso
para cuencos disipadores divergentes deben incrementarse en
proporción al aumento del ancho del cuenco disipador en
la sección donde se localizan los bloques. - La altura del umbral de salida está dada por c
= 0.07y2, donde y2 es la profundidad secuente
teórica, correspondiente a y1. - La profundidad de salida de aguas abajo por encima
del piso del cuenco disipador está dada por
para F1 =
1.7a 5.5; por y2' = 0.85y2, para Fl=5.5 a
11; y por
,
para F1 = 11 a 17. - La altura de los muros laterales por encima de la
profundidad de salida máxima esperada dentro de la vida
útil de la estructura está dada por z =
Y2/3. - Los muros de salida deben ser iguales en altura a los
muros laterales del cuenco disipador, y su parte superior debe
tener una pendiente de 1 en 1. - El muro de salida debe localizarse con un
ángulo de 45° con respecto al eje central de la
salida. - Los muros laterales del cuenco disipador pueden ser
paralelos (como en un cuenco disipador rectangular) o diverger
como una extensión de los muros laterales de la
transición (como en un cuenco disipador
trapezoidal) - Debe utilizarse un muro cortina de profundidad
nominal en el extremo del cuenco disipador. - El efecto de atrapamiento de aire no se considera en
el diseño del cuenco disipador.
para F1 =
,Cuenco disipador USBR II.
A partir de los estudios intensivos de muchas estructuras
existentes y de investigaciones de laboratorio, el U. S. Bureau
of Reclamation desarrolló varios tipos de diseños
generalizados de cuencos disipadores. El cuenco USBR I lo origina
un resalto hidráulico que ocurre en un piso plano sin
ningún accesorio, y puede diseñarse con facilidad.
Sin embargo, tal cuenco por lo general es muy práctico,
debido a que su longitud lo hace costoso y a su falta de control.
El cuenco USBRIII se diseña para un propósito
similar al del cuenco SAF pero tiene un factor de seguridad mayor,
ajustado a las necesidades del Bureau. El comportamiento de este
cuenco indica que su longitud y la del resalto pueden reducirse
alrededor del 60%, con accesorios en comparación con el
80% para el cuenco SAF. Por consiguiente, el cuenco SAF es
más económico, pero menos seguro.
El cuenco USBR V se utiliza cuando la economía estructural
implica el uso de un canal de aproximación inclinado, el
cual es usual en vertederos de presas altas.
El cuenco USBR II se desarrolló para cuencos disipadores
de uso común en vertederos de presas altas y de presas de
tierra y para
estructuras de canales grandes. El cuenco contiene bloques en la
rápida del extremo de aguas arriba y un umbral dentado
cerca del extremo de aguas abajo. No se utilizan bloques de
impacto debido a que las velocidades relativamente altas que
entran al resalto pueden causar cavitación en dichos
bloques. En las ilustraciones 9 y 10 se muestran el diseño
detallado y los datos necesarios
para el cálculo. Las reglas recomendadas para el
diseño son las siguientes:
- Fijar la elevación del piso para utilizar la
profundidad secuente de aguas abajo completa, más un
factor de seguridad adicional si es necesario. Las
líneas punteadas de la ilustración 9b sirven como
guía para diferentes relaciones de la profundidad real
de aguas abajo con respecto a la profundidad secuente. Estudios
de diseños existentes indican que la mayor parte de los
cuencos se diseñaron para profundidades de salida
secuentes o menores. Sin embargo, existe un límite, el
cual es establecido por la curva denominada Mínima
profundidad de salida, que indica el punto para el cual el
frente del resalto se mueve hacia afuera de los bloques de la
rápida. En otras palabras, cualquier reducción
adicional de la profundidad de salida hará que el
resalto se salga del cuenco; es decir, producirá un
"barrido de resalto". El cuenco no debe diseñarse para
una profundidad menor que la secuente. Para mayor seguridad, de
hecho, el Bureau recomienda un margen de seguridad
mínimo del 5% de D2, que debe sumarse a la
profundidad secuente. - El cuenco II puede ser efectivo hasta un
número de Froude tan bajo como 4, pero para valores
menores esto no necesariamente es cierto. Para valores bajos,
se recomiendan diseños que consideren la
supresión de ondas. - La longitud del cuenco puede obtenerse de la curva de
longitud del resalto dada en la ilustración
10c.
Ilustración 9
- La altura de los bloques de la rápida es igual a
la profundidad D1 del flujo que entra al cuenco.
El ancho y el espaciamiento deben ser aproximadamente iguales
a D1; sin embargo, esto puede modificarse para
eliminar la necesidad de fracciones de bloques. Con respecto
a las paredes laterales es preferible un espaciamiento igual
a 0.5D1 para reducir salpicaduras y mantener
presiones adecuadas.
Ilustración 10
- La altura del umbral dentado es igual a
O.2D2. y el ancho máximo y el espaciamiento
máximos recomendados son aproximadamente 15D2. En este
diseño se recomienda colocar un bloque adyacente a cada
pared lateral ilustración 10e. La pendiente de la parte
continua del umbral de salida es 2:1. En el caso de cuencos
angostos, lo cual involucraría sólo algunos
dientes según la regla anterior, es recomendable reducir
el ancho y el espaciamiento, siempre y cuando esto se haga de
manera proporcional. La reducción del ancho y del
espaciamiento en realidad mejora el comportamiento en estos
cuencos; luego los anchos y los espaciamientos mínimos
entre los dientes se establecen sólo por consideraciones
estructurales. - No es necesario escalonar los bloques de la
rápida y el umbral dentado. De hecho, esta
práctica no es recomendable desde un punto de vista
constructivo. - Las pruebas de
verificación sobre los cuencos II no indican cambios
perceptibles en la acción del cuenco disipador con
respecto a la pendiente de la rápida aguas arriba del
cuenco. En estas pruebas la pendiente de la rápida
varía desde 0.6: 1 a 2: 1. En realidad, la pendiente de
la rápida tiene un efecto sobre el resalto
hidráulico en algunos casos. Es recomendable que la
intersección aguda entre la rápida y el cuenco se
remplace por una curva de radio razonable (R³
4D1) cuando la pendiente de la rápida es 1:1
o mayor. Los bloques de la rápida pueden incorporarse a
la superficie curva con tanta facilidad como a las planas. En
rápidas empinadas la longitud de la superficie superior
de los bloques debe hacerse lo suficientemente larga para
deflectar el chorro.
Las reglas anteriores darán como resultado un
cuenco más seguro para vertederos con caída hasta
200 pies y para caudales hasta 500 pies3/s por pie de
ancho, siempre y cuando el chorro que entra al cuenco sea
razonablemente uniforme tanto en velocidad como en profundidad.
Para caídas superiores, caudales unitarios mayores o
asimetrías posibles, se recomienda un estudio en modelo
del diseño específico.
8. Los perfiles aproximados para la superficie del agua y para
las presiones de un resalto en el cuenco se muestran en la
ilustración 10-d.
Cuenco disipador USBR IV
Cuando Fl = 2.5 a 4.5, se producirá un resalto oscilante
en el cuenco disipador, el cual genera una onda que es
difícil de atenuar. El cuenco USBR IV se diseña
para combatir este problema eliminando la onda en su fuente. Esto
se lleva a cabo intensificando el remolino que aparece en la
parte superior del resalto, con los chorros direccionales
deflectados utilizando grandes bloques en la rápida. Para
un comportamiento hidráulico mejor, es conveniente
construir estos bloques más angostos que lo indicado,
preferiblemente con un ancho igual a 0.75D1, y fijar
la profundidad de salida, de tal manera que sea un 5% a 10% mayor
que la profundidad secuente del resalto. La longitud del cuenco
se hace igual a la del resalto en un cuenco disipador horizontal
sin accesorios y, por consiguiente, también igual a la
longitud del cuenco USBR. El cuenco IV sólo se utiliza en
las secciones transversales rectangulares.
- Con la realización del presente taller,
comprendemos que el diseño de estructuras especiales,
como luna transición, nos permite una formación
integral en cuanto al campo de acción profesional,
aunque no obtengamos de una sola vez los criterios para este
tipo de diseños, es una muy buena experiencia en el
diseño de este tipo de estructuras y sabremos que en el
futuro ya tenemos unas buenas bases para realizar este tipo de
diseño. - Es importante tener en cuenta que las transiciones
deben considerarse las líneas de flujo para no provocar
daños tanto en el desplazamiento del fluido como en la
estructura misma. - El diseño de cuencos disipadores es una
aplicación nueva para nosotros, no queda exento de que
podamos encontrarnos con el diseño de este tipo de
estructura en el futuro.
Autor:
Duvan Beltran
Universidad Del Quindio
Facultad de Ingenierías
Ingeniería Civil