1. instalaciones generales del laboratorio de hidráulica

Estudio experimental de la influencia del estrato rocoso en la forma del foso de erosión producida por jet en salto de esquí.

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1. Instalaciones generales del laboratorio de hidráulica.

Las instalaciones utilizadas en el laboratorio de la Escuela de Caminos, Canales y Puertos se sitúan en el modulo B-0. En este recinto, a cielo abierto, la escuela dispone de un sistema de bombeo y distribución que dota a los distintos modelos reducidos, que allí se construyen para fines experimentales, de las condiciones de caudal adecuadas y controladas.

El sistema hidráulico del complejo es cerrado y está dividido en tres partes: depósito de agua, red a presión de suministro de agua y red de drenaje en lámina libre.

El depósito de agua tiene una capacidad de 480 m3 y su función es la de independizar el laboratorio de hidráulica de la red de suministro de agua potable de la escuela, pudiendo así suministrar mayores caudales que los que puede proporcionar la red de suministro y disminuir el consumo de agua. La cubierta del depósito se ha aprovechado para la construcción de modelos reducidos, aumentando así la superficie en planta del módulo B-0.

La red a presión de suministro está formada por un sistema de 3 bombas de distinta capacidad (100,200 y 300 l/s), ver figura 12, que ponen en funcionamiento el circuito hidráulico y mantienen un caudal constante. Las bombas se pueden combinar entre ellas para obtener caudales de ensayo mayores. Las bombas bombean el agua del depósito a una cámara de carga donde se mantiene un nivel constante gracias a un rebosadero rectangular, tal como se observa en la figura 13.

Figura 12. Fotografía del cuarto de bombas del laboratorio.


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Figura 13. Fotografía de la cámara de carga con el rebosadero rectangular.

Mediante unas válvulas de mariposa mecanizadas controlamos el paso de agua al depósito en lámina libre en el que hay instalado un vertedero, tal como se puede observar en la figura 28. El vertedero es el encargado de proporcionar un caudal medido al circuito, pues se convierte en una sección de control que permite establecer una relación conocida entre caudal y calado en el depósito. El vertedero vierte el caudal medido por medio un salto de agua a una cámara de carga que es la encargada de poner en presión la tubería perimetral de fibrocemento que llevará el caudal medido en el vertedero hasta el modelo reducido en estudio.

La conexión entre la red a presión y el modelo reducido se realiza por una tubería que lleva el agua de la tubería perimetral de 350mm de diámetro hasta una arqueta de reparto, ver figura 14. De la arqueta de reparto sale otra tubería que conecta con el modelo reducido. Dentro de la conexión encontramos un conjunto de válvulas de mariposa que nos permiten llevar el caudal hasta los modelos colindantes al nuestro.

Una vez el agua haya pasado por el modelo reducido, el caudal se vierte a un canal central que cruza el laboratorio, ver figura 15, y que llevará el agua en lámina libre hasta una arenero donde quedaran retenidos los sólidos y los flotantes arrastrados por el agua. Finalmente el agua es devuelta al depósito del laboratorio por medio un rebosadero cerrándose así el circuito hidráulico.

En la figura 16 podemos ver un esquema de las tres partes que forman el circuito hidráulico del laboratorio, así como la ubicación aproximada de nuestro modelo reducido dentro del módulo B-O.


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Figura 14. Arqueta que conecta la tubería perimetral con el modelo reducido del estudio.

Figura 15. Canales en lámina libre que recogen los caudales de los modelos. Nuestro canal es el que se encuentra cubierto por losetas de hormigón prefabricado.


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Figura 16. Esquema en planta de las instalaciones generales del laboratorio de hidráulica de la ETSECCPB, situadas en el módulo B0.


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2. Descripción del modelo reducido utilizado.

Para la realización de los ensayos de esta tesina se ha utilizado el modelo reducido del túnel de desvío del río Cardener, ver figura 17. El modelo reducido de la obra de derivación se construyó a una escala 1/50 y con materiales de construcción comunes utilizados en el laboratorio de modelos hidráulicos. Este tiene unas dimensiones de 14.4 x 4.5 x 0.6 m, largo, ancho y alto, respectivamente. El modelo consta, básicamente de los siguientes elementos: arqueta de entrada, plataforma de modelo, modelo del río, modelo de la trompeta, túnel, trampolín, plataforma y depósito de material erosionable, canal de desagüe y arenero.

La arqueta de entrada del agua al modelo consta de un tanque de 1.5 m3 de volumen que contiene una pared intermedia que hace las veces de vertedero y sirve tanto para la repartición del flujo a la entrada del modelo como para la disipación de la energía cinética proveniente de la tubería de suministro. Está construida en obra y permite una entrada de flujo adecuada al tramo inicial de río.

La plataforma del modelo es una placa constituida en dos cuerpos principales. El primero comprende una plataforma horizontal de hormigón sobre la cual soporta el modelo reducido del tramo inicial de río y la obra de derivación al túnel (trompeta). Esta plataforma es de 25 m2 de área, esta apoyada directamente sobre el suelo del laboratorio y levantada con relleno de machaca, contenida en las viguetas y paredes de cierre de placa.

La segunda plataforma es una placa simple que sirve de apoyo a la solera y cajeros del túnel. Del mismo tipo de diseño constructivo que las anteriores, está apoyada sobre una cama de machihembrados, que se encuentran elevados a 40cm del suelo del laboratorio, apoyados sobre dos vigas metálicas. Ambas plataformas se sitúan a una altura de 50cm sobre el suelo del laboratorio.

El Modelo del río está formado por el tramo en curva previo a la obra de derivación, reproduciendo las condiciones reales de distribución de velocidades y calados. Este fue realizado sobre la plataforma principal e incluye el cierre del tramo del río contra la trompeta. Las paredes de cierre son de tochana y construidas hasta una altura de 61 cm por encima de la plataforma de hormigón. A partir de la topografía y cartografía de proyecto se modelaron secciones transversales al eje del río. Con estas se reprodujeron los negativos de las secciones perpendiculares al cauce de aguas bajas del río, cada 0.5 m en modelo. Utilizando estos negativos se levantaron tabiques en tochana y se modeló la topografía exacta de cada sección con mortero. El relleno entre secciones se hizo utilizando una grava muy regular de construcción de 2.5 cm de diámetro, justa para reproducir la rugosidad necesaria en la superficie sin vegetación pero con formas de fondo del cauce.

Todas las partes del modelo descritas anteriormente se pueden ver en la figura 18.


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Figura 17. Plano del modelo reducido del desvío del río Cardener.


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El Modelo de la Trompeta y Túnel fue construido en obra limpia con mortero y encofrados de madera que reproducen la rasante del fondo en una sola pieza de hormigón. Los hastiales o paredes de la trompeta y del túnel se construyeron de metacrilato de 8mm de espesor para facilitar la evaluación del funcionamiento del dispositivo y las mediciones en el mismo. Estos cajeros fueron fijados a la solera, con tornillos de acero galvanizado y tacos plásticos de 8mm de diámetro. La longitud del túnel a escala modelo es de 5.19 m, con 22 cm de anchura y 15 cm de altura de hastiales, tal como se puede ver en la figura 19.

El depósito de material erosionable se sitúa al finalizar el túnel y tiene aproximadamente unas dimensiones en planta de 2.5 x 3.25 m2. La propia solera del laboratorio (una vez saneada y reforzada con mallazo y hormigón) se utiliza como base de apoyo de todo el depósito. Las paredes de cierre son de tochana y construidas hasta una altura de 60cm, excepto donde se ha dispuesto del aliviadero rectangular que manteniendo el nivel de agua constante en el depósito. El interior del depósito se impermeabiliza con mortero de cemento. Este depósito estará relleno con el material granular propio del estudio, permitiendo que el lecho sea erosionable. Dentro del depósito se construyeron en su día unas secciones que permitían modelar la topografía y la geología de la zona de estudio. Todo lo descrito en este parágrafo se puede observar en la figura 20.

Al final del túnel se dispone de un trampolín. La descripción de los tipos de trampolines utilizados en la realización de los diferentes ensayos se encuentra en apartado siguiente.

El agua y el sedimento arrastrado vierten por el aliviadero alimentando lateralmente un canal horizontal de 30 cm de anchura, denominado canal de desagüe, cuya solera está formada por la propia losa de cimentación del modelo. La mezcla de flujo y sedimento es forzada a girar y caer, al arenero de 1.85 m de longitud, 0.90 m de anchura y 1 m de profundidad. El arenero está dotado de un vertedor horizontal de labio fino, tal como se aprecia en la figura 21, de manera que el flujo se frena y parte del sedimento decanta, mientras el agua rebosa por él hacia el canal de la red de drenaje del laboratorio.

El depósito de material erosionable y el arenero se vacían por medio una válvula de bola y un orificio en la parte inferior del aliviadero, respectivamente.


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Figura 18. Fotografía general del modelo.

Figura 19. Fotografía de la trompeta en el modelo y el arranque del túnel de desvío.


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Figura 20. Fotografía del depósito de material erosionable.

Figura 21. Fotografía del arenero.

3. Descripción de los elementos y material específicos de la tesina.

Para la realización de la tesina ha sido necesario modelizar los siguientes elementos de interés: trampolín en esquí, salida rectangular del túnel, material no cohesivo y lecho rocoso.

El trampolín en esquí utilizado es una reproducción a escala 1/50 del construido a la salida del túnel de desviación del río Cardener. Se han utilizado los planos de proyecto del trampolín para su creación. Se ha utilizado metacrilato transparente de 4mm y tras un trabajo de moldeado térmico, se han conseguido las curvaturas necesarias tanto en los hastiales como en la solera.


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Los planos del trampolín en esquí del Cardener se pueden ver en la figura 22. En la figura 23 se puede ver una fotografía del trampolín modelado y del trampolín real.

Figura 22. Planta y alzado del trampolín en esquí del desvío del río Cardener. Las medidas son a escala prototipo.

La longitud total del trampolín es, a escala de modelo, 63.5 cm, su anchura aumenta de 22 cm (en la salida del túnel) hasta 34.5 cm (en el borde o labio) con una pendiente de solera del 15%.

Figura 23. Fotografía del trampolín en esquí modelo (izquierda) y del trampolín en esquí prototipo (derecha).

La salida rectangular del túnel consiste en una prolongación recta de 80 cm de la salida del túnel del desvío del río Cardener, con sección rectangular de 22 cm de ancho y 7 cm de alto, ver figura 24. Construida con PVC de 4 mm de espesor, se utiliza una sección rectangular cerrada para dar-le mayor inercia frente a la flexión, por el peso del agua, y a la torsión, como consecuencia de los gradientes térmicos producidos por la radiación solar.


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Figura 24. Planta, alzado, perfil y fotografía de la prolongación rectangular del túnel. Las medidas son a escala modelo, en centímetros, y la prolongación es de color gris.

Tanto el trampolín en esquí como la salida rectangular son independientes del túnel de desvío de metacrilato y mortero de cemento, uniéndose a él por medio de tornillería y sellándose el contacto por medio de silicona ácida.

El material no cohesivo utilizado para simular el material aluvial erosionable ha sido una grava de machaqueo de 26,5 KN/m3 de peso específico. Para determinar los diámetros característicos de la grava se ha realizado una granulometría. Para que la granulometría sea representativa del material se necesita que la mayor partícula extraída de la muestra no represente más del 1% en peso de toda la muestra, tal como se indica en Martín Vide (1997). Si consideramos que las partículas mayores son esferas de 4 mm de diámetro y el peso específico del material es de 2.65 T/m3, según el criterio anterior el peso de la muestra debe ser aproximadamente de 1 Kg.


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Los diámetros característicos se han obtenido directamente de la curva granulométrica e interpolando linealmente, ver figura 25, siendo d16= 1.51 mm, d50 = 2.91 mm, d84= 4.02mm, d85= 4.05mm y d90= 4.21mm.

El valor del diámetro medio y de la desviación estándar, utilizando las fórmulas estadísticas habituales, valen respectivamente 3.66 y 0.91 mm. Al ser la desviación estándar menor que 3, se dice que la granulometría es uniforme o mal graduada.

El lecho rocoso se ha simulado por medio un adoquinado realizado con bloques cúbicos de granito, tal como se puede ver en la figura 26. La obtención de las dimensiones de los bloques de granito, para que no vibrasen, ni fueran arrastrados bajo la acción del jet de agua generado por el caudal máximo del modelo, se utilizo la expresión 91 que se encuentra en Fiorotto et al. (1992), donde � lado del bloque de granito, � velocidad del flujo en la zona de impacto y g la gravedad.

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� (91)

Considerando una geometría cúbica del bloque y que el caudal máximo del modelo es de 44 l/s, se obtuvo que los bloques de granito tenían que tener 12 cm de lado.

Figura 25. Curva granulométrica del material no cohesivo utilizado.

GRANULOMETRIA DE LA GRAVA UTILIZADA

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20

40

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Diámetro (mm)

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Figura 26. Bloques de granito empleado para la construcción del lecho rocoso.

Durante los ensayos se pudo comprobar la validez de la expresión ya que los bloques obtenidos según la expresión no se movían, mientras que aquellos con dimensiones menores si lo hacían.

El adoquinado se ha colocado a la cota correspondiente para obtener los espesores de material no cohesivo que se necesitaban en los ensayos, concretamente 5 y 10 cm. La construcción del adoquinado se realizaba a mano, excavando el material no cohesivo del depósito hasta la cota necesaria y extendiendo un geotextil sobre el que se colocaba el adoquinado. El geotextil impedía que la grava sobre la que se apoyaba el adoquinado fuera arrastrada por el jet de agua, produciéndose el descalce de los bloques y el posterior colapso del adoquinado. Una vez finalizado la construcción del adoquinado se cubría con el espesor de material no cohesivo necesario para cada ensayo, quitando del depósito la grava sobrante.

4. Escala del modelo reducido. Leyes de semejanza.

El depósito de material erosionable junto con los trampolines supone la continuación de los trabajos de análisis experimental del túnel del Cardener, en la parte de la entrega o salida al propio río. Por tanto ha sido necesario mantener la coherencia en cuanto a la elección de la escala geométrica de los nuevos elementos a construir. Así, se ha mantenido una escala geométrica 1:50, no distorsionada en la construcción tanto de la trompeta como de la geometría del río representada por las secciones de obra en el interior del depósito de material erosionable. Asimismo, se ha considerado la semejanza en el número de Froude como base para las transformaciones de las variables físicas que intervienen en el proceso. Si la escala geométrica (longitud prototipo

sobre modelo) es �

��

�=λ =50 las demás relaciones quedan tal como muestra

la tabla 3.


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Tabla 3. Relaciones de escalas de nuestro modelo reducido.

Escala Nomenclatura Relación Valor en nuestro modelo

Velocidades �λ �

�

�λ 7.07

Caudal �λ �

�

�λ 17678

Tiempo �λ �

�

�λ 7.07

Fuerza λ �

�λ 125000

Caudal sólido ��λ �

�

�λ 17678

1. instalaciones generales del laboratorio de hidráulica

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