Un caudal dado puede ser regulado por un vertedero estrecho que descarga con una carga alta o con uno ancho por el que pasa una corriente poco profunda. La combinación óptima de carga y anchura depende de diversos factores, como son los siguientes: 1. Del gasto total del vertedero, en m'/s. 2. De la anchura del canal de Ilegada, principal o secundario, en el cas0 de un dispositi-

vo instalado en el mismo cauce, y de la anchura del canal, aguas abajo del vertedero, cuando éste funciona como una toma.

3 . De la profundidad del agua en el canal de entrada, principal o secundario. 4. De la perdida de carga disponible en el vertedero. 5. De limitaciones constructivas, tales como la disposición de las guías, del mecanismo

6. De si el vertedero se mueve por detrás de una compuerta de fondo o de-un salto

7. De la precisión de medida deseada. 8. Del número de vertederos que se necesitan y del deseo de normalizar sus dimensio-

En la practica estos factores limitan el valor máximo de HI a 1,OO m. La anchura - del vertedero, b,, varia de 0,30 m hasta 4 m, correspondiendo las mayores anchuras

a los valores mas altos de Hlmax. Generalmente el diseño se basa en la elección de la altura de carga, Hl, que dará

una precisión razonable y en la subsiguiente elección de la anchura más adecuada para el caudal del proyecto. La tabla de aforo que se da en el Apartado 6.5 es válida para la carga energética máxima, Hlmax, siendo ésta igual a la longitud de la coronación. El proyectista necesita entonces, solamente, seleccionar la tabla apropiada, que le da una anchura razonable (ver el Apartado 4.3).

Para un vertedero móvil, que suministra agua a una gran finca o a un grupo de fíncas pequeñas, generalmente se utiliza un limite superior de HI de, aproximadamen- te, 0,50 m. Para hacer minima la longitud de la coronación móvil, ésta debe ser,pues, L = 0,50 m y la anchura del borde redondeado de la parte aguas arriba, de 0,2HI,,, = 0,lO. Las demás dimensiones de este dispositivo de derivación se muestran en la Figura 6.10. Con una anchura de b, = 0,30 m, que.es la minima en la practica, el vertedero de la Figura 6.10 puede medir y regular caudales de entre 5 y 170 litros/s, siendo sus dimensiones lo suficientemente reducidas como para dar servicio a pequ- eiías unidades de riego (terciarias).

Con frecuencia, resulta más práctico utilizar una anchura menor que b, = 1,50m, ya que puede utilizarse un mecanismo de compuertas central para mover el vertedero, al tiempo que el sistema de guias puede ser relativamente sencillo (ver las Figuras 6.11 y 6.12 o el Apartado 6.6). Si la anchura supera 1,50 m, deberán utilizarse engrana- jes de elevación a ambos lados del vertedero para evitar que la compuerta se acodale

de elevación de las compuertas y del peso de la compuerta.

en el canal.

nes.

I en las guías.

6.5 Tabla de aforo

El nivel del agua más arriba de una toma móvil permanecerá casi constante, o fluctuará con el del canal del que se hace la derivación, en función del tipo de dispositivo y

162

estacion de aforo

I

volante y eje ocultos

soporte superior/ L 10ox5ox8

soporte de compuerta LlOOx50x5

f compuerta- 'i defondo h

junta .I, de cierre-

m v)

astidor de las guías orificios para el pasador de b.loqueo

Figura 6. I O Dimensiones de uso más frecuente de una obra de derivación, con vertedero móvil.

de SU procedimiento de manejo. Por tanto, la profundidad del agua, y,, en el canal de aproximación, puede variar, mientras que el caudal derivado y, por tanto, h,, son los mismos. La variación resultante en la velocidad de aproximación, v,, es mayor si la carga aguas arriba, h,, es grande en relación con la profundidad del agua, y,, tal como ocurre con el vertedero del tipo adosado en un salto de agua.

La aparición de valores diferentes de v, (y, por tanto, de v12/2g) para el mismo valor de hl , da lugar a errores algo superiores en la medida del caudal (ver el Apartado 7.4.4). Si el nivel del agua en el canal de abastecimiento continuo oscila más de, aproxi- madamente, 0,15HI,,,, se deberá utilizar un vertedero de doble compuerta, o bien una de las alternativas del fondo para un vertedero de compuerta montada en un salto. En cualquiera de los dos casos debe utilizarse la tabla de aforo del vertedero de doble compuerta (ver la Figura 6.5). Sin embargo, muchos sistemas de canales de riego operan de forma que el nivel del agua en los canales principal y secundarios se mantenga dentro de unos límites estrechos, por medio de dispositivos de control mbviles. En estas condiciones de manejo, la profundidad del agua, yI , en el canal de aproximación, permanece bastante constante. AI deducir la tabla de aforo (Tabla 6.1) se han supuesto estas condiciones y se han utilizado:

Para el tipo de compuerta doble (Figura 6. IO),

y, 2Hl,,, -i- 0,05m (6.1)

163

Tabla 6.1 Tablas de aforo, pare vertederos móviles, en unidades mbtricas

~~

L - 0,50 m 0,3 m < b, < 2.0 m

L - 0.75 m L - 1.00 m 0.5 m < b, < 3.0 m 1.0 m < b, < 4.0 m

( d / s p9,r metro hl

p:r metro hl

( 3 1 s p:r metro hl

( m) de anchura) ( m) de anchura) ( m) de anchura)

Con s a l t o Doble Con s a l t o Doble Con S a l t o Doble en s o l e r a campuerts en s o l e r a compuerte en eolera mmpuerta

0 .05

0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

0.11 0.12 0.13 0.14 0.15

0.16 0.17 0.18 0.19 0.20

0.21 0.22 0.23 0.24 0.25

0.26 0.27 0.28 0.29 0.30

0.31 0.32 0 , 3 3 0.34 0.35

0.36 0.37 0.38 0.39 0.40

0.41 0.42 0.43 0.44 0.45

0.46 0,47 0.48

0,018

0,024 0,031 0,038 0,045 0,053

0,062 0,070 0,079 0,089 0.099

0.109 0.120 0.131 0,142 0,154

0,166 0.179 0,192 0,205 0,218

0,232 0,247 0.261 0,277 0,292

0,308 0,324 0,341 0,358 0,376

0,394 0,413 0.432 0,451 0,471

0.492 0,513 0.535 0,558 0,578

0.603

0,018

0,024 0,031 0,038 0,045 0.053

0,061 0.070 0,079 0,088 0,098

0,108 0,119 0,130 0,141 0,152

0,164 0,176 0,188 0,201 0,214

0,227 0,241 0.255 0.269 0,283

0.298 0.313 0,328 0,344 0,360

0.376 0.392 0,409 0.426 0,444

0,461 0,479 0,497 0,516 0.535

0,554 0,574 0.593

AH - 0.13 m 0,11 m

0,07 0.08 0.09 0.10

0,11 0.12 0.13 0.14 0.15

0,16 0.17 0.18 0.19 0.20

0.21 0.22 0.23 0.24 0.25

0.26 0.27 0.28 0.29 0.30

0.31 0.32 0.33 0.34 0,35

0.36 0.37 0.38 0.39 0,40

0,4Za 0,44 0.46 0.48 0.50

0,52 0.54 0.56 0.58 0.60

0.62 0,64 0,66 0.68 0.70

0.72

0,031 0,037 0,045 0,053

0.061 0,069 0,078 0,088 0,097

0,107 0,118 0,129 0,140 0,151

0,163 0,175 0,187 0,200 0.213

0,226 0,240 0,253 0,268 0.282

0,297 0,312 0,327 0,343 0,359

0.375 0,391 0,408 0,425 0,443

0,479 0,516 0.554 0,594 0.635

0,677 0,721 0.767 0.814 0.863

0,914 0,967 1,021 1.078

0,030 0,037 0,045 0,052

0,061 0,069 0,078 0,087 0.097

0,107 0,117 0,128 0,139 0,150

0,162 0,174 0,186 0,198 0,211

0,224 0,237 0.251 0.265 0.279

0,293 0,307 0,322 0.337 0.353

0,368 0.384 0,400 0,416 0,433

0,467 0,501 0.537 0.574 0,611

0,650 0,689 0,730 0.771 0,814

0,857 0,901 0,947 0,993 1,041

1.089

0.10

0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

0.22 0.24 0.26 0.28 0.30

0.32 0.34 0.36 0.38 0.40

0.42 0.44 0.46 0.48 0.50

0.52 0.54 0.56 0.58 0.60

0.62 0.64 0.66 0.68 0.70

0.72 0.74 0.76 0.78 0.80

0,82 0.84 0.86 0.88 0.90

0.92 0.94 0.96

0,052

0,068 0,087 0,106 0,127 0,149

0,173 0.197 0,223 0,250 0,278

0,307 0,337 0.367 0,400 0,433

0,467 0,503 0,539 0,576 0,614

0.653 0.694 0,735 0.778 0.821

0,866 0,912 0.959 1,008 1,057

1,108 1.160 1.214 1,269 1,326

1.384 1,444 1,505 1,569 1,634

1,701

0,052

0.068 0.087 0,106 0,127 0,149

0,172 0,197 0,222 0,249 0,276

0,305 0,334 0,364 0,396 0,428

0,461 0.495 0,530 0,566 0.602

0,640 0,678 0,717 0.757 0,798

0,839 0,882 0,925 0,968 1.014

1,060 1,106 1,153 1,202 1,251

1,301 1,352 1,403 1.456 1.509

1.564 1,619 1.675

0.20 m 0.17 m 0,26 m 0,22 m

a Cambio en e l incremento de carga.

164

Para el tipo de compuerta montada en un salto (Figura 6.5),

y1 1,33H,max (6.2)

Si el valor de y1 es diferente de los valores anteriores, puede deducirse una tabla de aforo adecuada ajustando el cambio de la velocidad de aproximación por el método expuesto en el Apartado 7.4.7, o interpolando entre las cargas tabuladas. Se dan tres series de tablas: para L = 0,50 m, 0,75 m y 1,OO m. Para reducir al mínimo el tamaño del vertedero se ha utilizado, como límite superior, Hl/L < 1,O.

Al pie de la Tabla 6.1 se da la pérdida de carga necesaria, AH, en el vertedero móvil. Estos valores pueden ser utilizados si el vertedero tiene un tramo corto de canal rectan- gular en SU salida, tal como el del ejemplo de la Figura 6.21. Si se utiliza un canal de cola más ancho deberán calcularse las pérdidas de carga por el método que se explica en el Apartado 7.5 o estimarlas en 0,4H,,,, para el cas0 más desfavorable (ver la Tabla 7.5).

6.6 Disposicion de las guias

Según se mencionó en el Apartado 6.4, la disposición de las guías en los vertederos con anchura de entre 0,30 y 1,50 m puede ser bastante sencilla; las compuertas, con sus correspondientes soportes de suspensión y perfiles, se mueven por dentro de estre- chas acanaladuras con cierre hidráulico del tipo metal contra metal. Las filtraciones de agua por los bordes horizontales se impiden utilizando juntas de goma.

El sistema de guías y juntas de cierre terminales, que pueden usarse en el tipo de vertedero que se muestra en la Figura 6.10, se dan en la Figura 6.1 1. SegÚn se muestra, los perfiles de las guías van enrasados con los cajeros del canal de aproximación. Tam- bién las pletinas de elevación, de 8 x 50 mm, encajan perfectamente en las guías de 10 mm de anchura. Por tanto, la anchura del vertedero es la misma que la del canal de aproximación. La coronación del vertedero se mueve, entre las paredes de hormigón o fábrica de ladrillo, con una holgura de unos 5 mm, lo que apenas tiene una influencia apreciable en la exactitud de la medida del caudal.

SegÚn se expusó en el Apartado 6.2.1, el movimiento de las compuertas superior y de fondo se restringe para reducir al mínimo las pérdidas accidentales o las salidas furtivas de agua. Para est0 se suelda una pletina de 8 x 60 mm en el ángulo superior de la compuerta alta. Esta pletina encaja en la guía correspondiente y termina 0,20 m por debajo de la esquina superior del bastidor (la compuerta de fondo está cerrada). Un pasador de cierricon candado encaja en un orificio (10 x 40 mm) que atraviesa la estructura, justamente por encima de esta pletina. Si el pasador se retira, la compu- erta de fondo puede abrirse 0,20 m, lo cual permite que fluya menos agua a través de esta abertura que sobre el vertedero, con lo que se evitan despilfarros.

En los verrederos con compuerta de fondo, la compuerta vertical se coloca, general- mente, de forma que aproximadamente la mitad de la coronación del vertedero quede aguas arriba del plano de la compuerta, con el fin de reducir al mínimo el par de empuje giratorio sobre esta compuerta, cerca de las guías. Sin embargo, los vertederos que se mueven detrás de un salto tienen, frecuentemente, la compuerta vertical unida al borde redondeado que presenta en la parte de aguas arriba SU coronación (ver la Figura 6.5), de manera que se necesita dar una robustez algo mayor a las guías de

165

Figura 6.13 Sección de un sistema de guias para compuertas de entre 1,SO y 4,OO m de anchura (dimensiones

de la carga hidráulica máxima, bajo la que tendrá que funcionar, del tipo de canal en el que se instale (a nivel de finca o a nivel de zona), de la velocidad del desplazamien- to de la compuerta y del método de manejo.

Existen en el mercado diversos mecanismos que cubren las necesidades de múltiples aplicaciones. En el Apartado 6.7.2 se describen algunos dispositivos que pueden utili- zarse en vertederos de anchura menor de 1,50 m.

EI mecanismo elevador de la compuerta debe superar un conjunto de fuerzas para mover cualquier vertedero desplazable. Estas fuerzas incluyen el peso del vertedero y de la compuerta o compuertas, el peso del soporte y del eje, la resistencia por el rozamiento debido a la presión hidráulica ejercida contra la compuerta o compuertas y el peso del agua sobre la coronación del vertedero.

Para determinar la fuerza de elevación necesaria para mover un vertedero se utiliza la ecuación siguiente:

en milimetros)

F = fTb, + W + pghib,L (6.3)

en donde: F = Fuerza elevadora necesaria (N) f = Coeficiente de rozamiento (adimensional) b, = Anchura del vertedero (m) W = Peso del vertedero móvil (y compuertas) más el de las pletinas de sujeción, el

g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s’) p = Densidad del agua (kg/m3) hl = Carga sobre la coronación del vertedero (m), aproximadamente igual al calado

T = Superficie del triángulo sombreado o trapezoide de la Figura 6.14 (kg/s2)

168

del soporte y el del vástago (N)

aguas arriba

A I

todas las compuertas deben elevarse para el arrastre de sedimentos

B D

Figura 6.14 Ejemplos de presión hidráulica ejercida sobre vertederos móviles.

En la Figura 6.14 se muestra la presión hidráulica, ejercida sobre las compuertas y el vertedero, en cuatro posiciones extremas de este Último. La Figura 6.14A, ilustra la posición para la que F llega a ser máxima con un vertedero de doble compuerta. Esto se debe a que T = 0,5pgy12 y a que todas las compuertas y el vertedero deben levantarse para facilitar el arrastre de sedimentos. En la Figura 6.14D la fuerza, F, alcanza un valor maximo para el vertedero de compuerta tras un salto, debido a que el valor de T 2: 0,4pghI2 (para pI = 0,33H,,,,) y a que todos los demás términos de la Ecuación 6.3 tienen un valor maximo. En la Ecuación 6.3 se utilizan dos coeficien- tes de rozamiento diferentes. El primer0 es para iniciar el movimiento de las compu- ertas partiendo de SU posición de cierre, y SU valor, con un criterio conservador, se ha determinado que puede ser, aproximadamente, f = 0,6. Una vez que la compuerta se ha levantado un poco, este coeficiente, inicialmente alto, se reduce hasta, aproxima- damente, f = 0,3. Estos valores aproximados varian según el tiempo transcurrido desde la Última apertura de la compuerta, según que ésta se halle mas o menos cubierta por sedimentos de limo o arena y según que las superficies de contact0 estén bien lubrificadas o secas.

6.7.2 Tipos de mecanismos para la elevación de compuertas

Una vez determinada la fuerza, F, el paso siguiente es elegir una combinación del mecanismo de elevación y del correspondiente vástago. Tanto el engranaje con piñón como el gato de elevación son muy apropiados, cuando las fuerzas a vencer son pequ- eñas. La ventaja de estos mecanismos de bajo coste es que pueden ser soldados el uno al otro en la mayoría de los talleres mecánicos.

Mecanismo de piñón y cremallera

Este mecanismo fué desarrollado por Fullerformt (1 977) para disponer de un disposi- t Los nombres comerciales o de empresas se dan solo para ayudar al lector, sin que ésto signifique una aprobación o un tratamiento de preferencia hacia la compañía citada o hacia sus productos.

169

VISTA FRONTAL (dimensiones en mm)

(el perfil frontal L 1 O0 x 50 x 6 y la manivela nose ven)

-1w: SECCION SOBRE LA MANWELA

perfil L 150 x 50 x ,orificiade 15 mm

solda

DETALLES DE LA TERMINACION DE LA MANIVELA

Figura 6 . I5 Mecanismo elevador de piñón y cremallera.

tivo de bajo coste, para el ajuste exacto de compuertas pequeñas. Para un verteder0 de 0,30 m de anchura no se presentarán problemas si se construye de acero de alta resistencia, con las dimensiones que aparecen en la Figura 6.15. Si la manivela tiene un radio de longitud 6 veces la del piñón y se le aplica una fuerza manual de 120 N ( N 12 kgf), este mecanismo puede producir una fuerza de elevación, F, de aproxima- damente 700 N (68 kgf).

170

VISTA SUPERIOR DEL FRENO SECCION A-A

VISTA FRONTAL

to de giro alternativo

6.7 o la 6.8

VISTA SUPERIOR DEL BRAZO DE PALANCA(todos los elementos en un solo plano)

2 A

(dimensiones en m m )

*-so+

Figura 6.17 Mecanismo elevador de gato.

172

Ï l

volante para mover la com- puerta 25 mm

2,5 2.5 2,s 2.5 2.5 2.0 2 3 2.0 2.5 2.0

diametro del volante

en m m en N, para un

esfuerzo sobre el A 8 volante de 120 N

4300 70 16 3400 5800 70 16 4800 5800 90 29 4300 7250 90 29 5800 8700 90 29 7250

250

360

450

610

760

I t-"+"I I 7

I

diametro lvueltas del lfuerza de elevacion, dimensiones en mm lel husillo

en m m

22 29 22 29 29 38 29 38 29 38

C

80

80

1 O0

1 O0

1 O0

- E

-

180

180

230

230

230

-

F

95

95

120

120

120

* ) 1 N = 0,0981 Kg fuerza

Figura 6.18 Dimensiones deun volante (adaptado de la ARMCO Steel Corporation, 1977)

Husillo con volante

Para vertederos que se suben y bajan regularmente y requieren una fuerza de elevación mayor de 750 N (73 kgf) se recomienda el empleo de un husillo con volante. Esto supone, en la práctica, que deben equiparse con husillo y volante los vertederos que tienen una longitud de coronación de L = 0,50 m (que son, por lo general, los más utilizados) y cuya anchura sea mayor que la minima, b, = 0,30 m.

Existen en el mercado muchas clases de volantes manuales con tuercas de elevación, de hierro fundido o de bronce. Se recomiendan especialmente las tuercas de bronce, en vez de las de fundición, por SU alta resistencia a la corrosión, SU mis larga duración y SU mayor eficiencia. .

173

como el que se muestra en la Figura 6.8, la carga aguas arriba referida al resalto y, por tanto, el caudal que fluye sobre el vertedero, permanecen constantes.

6.8 Ejemplo de diseño para la construccion de una obra de derivacion

Según se explicó en el Capítulo 4, la solera y los cajeros de las obras de medición pueden construirse de ladrillo, de hormigón armado o con una combinación de ambos materiales. Como se puede ver en la Figura 6.4, la mamposteria de piedra natural da buenos resultados. La elección del material de construcción debe basarse tanto en SU disponibilidad como en la de la mano de obra, pues de ambos depende el coste de construcción de la obra. Desde el punto de vista hidraulico no existe preferencia alguna por ningún material de construcción especifico.

El vertedero de coronación móvil es especialmente adecuado para regular y medir el caudal derivado de un canal de riego principal o secundario. En el ejemplo de la Figura 6.21 se utilizó hormigón armado, por ser el material de construcción mas cor- riente. Esta obra aloja un vertedero de tamaño normalizado (L = 0,50 m), situado en un salto. Sin embargo, si se rebajase la solera del canal de aproximación, podría instalarse un vertedero con compuerta de fondo.

VISTA FRONTAL SECCION A-A

Figura 6.20 Detalle del angulo superior del bastidor de un vertedero de doble compuerta (ver la Figura 6. I I ) .

175

176 3

I

E c LL m

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177