disipadores de energÍa
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TRABAJO MONOGRÁFICO DE DISEÑO DE ESTRUCTURAS
HIDRÁULICAS
ESTANQUES AMORTIGUADORES
INDICE
INTRODUCCION
2.0 OBJETIVOS
3.0 FUNDAMENTO TEORICO
3.1 DESCRIPCION 4.0 INFORMACION BASICA
4.1 Esquema perfil de la salida de la presa. 4.2 Parámetros hidráulicos aguas arriba y aguas abajo de la estructura. 4.4 Plano de Planta y Perfil.
5.0 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
5.1 PASOS 5.2 DESCRIPCION 5.3 GRAFICOS DE DISEÑO6.1 DISEÑO DE LA SECCIÓN DEL ESTANQUE AMORTIGUADOR
7.0 CONCLUSIONES
8.0 BIBLIOGRAFIA
9.0 ANEXOS
10.1 Planos de planta y perfil. 10.2 Plano de ubicación de la zona del proyecto. 10.3 Plano topográfico. 10.4 Plano de diseño hidráulico
1.0 INTRODUCCIÓN: DISIPADORES DE ENERGÍA
Cuando el agua corre por el vertedero y los canales o túneles de descarga contiene gran cantidad de energía y mucho poder destructivo debido a las altas presiones y velocidades. Éstas pueden causar erosión en lecho del río, en el pie de la presa, o en las estructuras mismas de conducción, poniendo en peligro la estabilidad de las estructuras hidráulicas. Por lo tanto se deben colocar disipadores de energía.
Para la selección del tipo de disipador se debe tener las siguientes consideraciones:
1. Energía de la corriente. 2. Economía y mantenimiento ya que éste eleva mucho el costo. 3. Condiciones del cauce aguas abajo (roca, suelo erosionable, etc). 4. Ubicación de las vías de acceso, casa de máquinas, y demás estructuras
hidráulicas ya que su seguridad no puede quedar comprometida. 5. Congelamiento. 6. Efecto de las supresiones y del vapor de agua sobre las instalaciones. 7. Daños causados a la fauna y la flora por la erosión. 8. Proyectos y poblaciones aguas abajo.
Existen varios tipos de disipadores de energía, entre los cuales se tienen:
Bloques de concreto o bafles:
Se instalan en el piso del tanque amortiguador para estabilizar el salto suministrando una fuerza en el sentido de aguas arriba. También se instalan a lo largo del canal de descarga, intercalados, para hacer que el flujo tenga un recorrido más largo y curveado, disminuyendo su velocidad.
Dientes o dados:
Se colocan a la entrada del tanque amortiguador para dispersar el flujo. También se colocan en los vertederos y canales de descarga para disminuir la energía por medio de impacto. Cuando se colocan en la contraescarpa distribuyen el impacto en un área mayor.
Por medio del uso de modelos reducidos se ha llegado a la conclusión que son muy eficaces para caudales pequeños, pero para caudales grandes, el agua se subdivide con violencia y es lanzada en arco de gran altura y al caer provoca socavaciones en el terreno. Debe tenerse en cuenta las cargas adicionales sobre la estructura que transmiten los dados amortiguadores al vertedero, para que por mal diseño de estos no se comprometa la estabilidad de la presa.
Escalones:
Se colocan con mayor frecuencia en el canal de descarga y disipan la energía por medio de impacto e incorporación de aire al agua.
Tanques amortiguadores:
Disipa la energía cinética del flujo supercrítico al pie de la rápida de descarga, antes de que el agua retorne al cauce del río. Todos los diseños de tanques amortiguadores se basan en el principio del resalto hidráulico, el cual es la conversión de altas velocidades del flujo a velocidades que no puedan dañar el conducto de aguas abajo. La longitud del tanque debe ser aproximadamente la longitud del resalto. Ésta se puede disminuir construyendo bloques de concreto, dientes o sobre elevando la salida. Es muy importante tener en cuenta el número de Froude para saber la forma y características del resalto y del flujo y así definir el tipo de estanque.
Estanques de amortiguadores:
Tipo impacto.
Es una estructura amortiguadora donde la disipación se da cuando el chorro de llegada choca con un deflector vertical suspendido y por los remolinos que se forman debido al cambio de dirección de la corriente después de haber chocado con el amortiguador. Es indispensable que la estructura sea lo suficientemente fuerte para soportar el empuje que produce el chorro sin deslizarse ni poner en peligro la presa.
Con válvulas de control de chorro hueco.
El chorro sale inducido por una válvula y choca contra una pantalla inclinada. Es usada para grandes descargas en estructuras de control en el extremo de aguas abajo. Es mucho más corto, alrededor del 50% menos que un tanque convencional. Para reducir costos y salvar espacios es construido adyacente o en el interior de la casa de máquinas.
Estanques de inmersión.
La energía se disipa por medio de choque ya que el agua cae libre y verticalmente en un estanque en el lecho del río. Debido al gran poder erosivo del agua, se tiene que revestir el cauce y sus paredes con rocas o concreto de modo que quede como una especie de piscina de clavados. De todas maneras los materiales sufren mucho desgaste por el constante choque por lo cual se le debe hacer un buen mantenimiento.
Losas dentadas para canales o descarga de vertedores.
Se usa en canales donde el agua debe bajarse de una elevación a otra. La losa impide aceleraciones inconvenientes del flujo a medida que el agua avanza por el vertedero. El canal puede diseñarse para descargas hasta de 5.5 m3/s por metro de ancho y la caída puede ser tan grande como sea estructuralmente factible. Con la losa el agua llegará al pie del vertedero con una velocidad relativamente baja y no requerirá tanque amortiguador.
Salto de esquí.
Se utiliza para grandes descargas, principalmente en los vertederos. Ésta se hace directamente sobre el río. Se utilizan unos trampolines para hacer saltar el flujo hacia un punto aguas abajo reduciendo así la erosión en el cauce y el pie de la presa. La trayectoria del chorro depende de la descarga, de su energía en el extremo y del ángulo con el que sale del trampolín. Su funcionamiento se ve con la formación de dos remolinos uno en la superficie sobre el trampolín y el otro sumergido aguas abajo; la disipación de la energía se hace por medio de éstos.
Existen dos modelos, trampolín liso y trampolín estriado, ambos con igual funcionamiento hidráulico y con las mismas características, que difieren únicamente en la forma de salir el agua del trampolín.
En el liso el agua sale con mayor ángulo y choca con la superficie, creando remolinos y haciendo que el flujo aguas abajo no sea uniforme.
En el estriado, el agua sale con menor ángulo lo que hace que el choque con la superficie sea más suave y que el flujo aguas abajo sea uniforme. Debido a que tiene dos ángulos diferentes de lanzamiento, incorpora aire y también genera remolinos horizontales disipando mayor cantidad de energía.
Aunque en el trampolín estriado se obtiene mejor disipación con menos perturbación, es más sensible con las variaciones de caudal, veamos:
Cuando la descarga es insuficiente (mínima), el chorro empuja el remolino a lo largo del cauce, produciendo erosión aguas abajo ya que se lo puede llevar a una zona que no este protegida.
Al aumentar el caudal, el remolino empieza a remontar, desplazándose aguas arriba, llegando al comportamiento ideal, pero el caudal sigue aumentando y cuando es demasiado grande, se produce el fenómeno de chorro ahogado. El chorro ya no se eleva al salir del trampolín si no que sigue por el fondo del canal, y el remolino se forma en la superficie, lo que produce erosión.
Cuando el caudal empieza a disminuir, el chorro se empieza a elevar y a producir el remolino en el fondo, rellenando lo erosionado (etapa B), en este proceso es muy importante tener en cuenta la dirección de los remolinos en cada etapa para poder entender lo que sucede.
En los amortiguadores estos son los principales o los que más se han desarrollado, pero para cada proyecto puede decirse que se crea un nuevo disipador ya que todos los proyectos son distintos y tienen diferentes regímenes; además las combinaciones que se pueden hacer son infinitas. También se debe estar consciente, que una falla en el diseño, instalación u operación de los disipadores puede llevar a problemas como socavación, erosión o retención de material, que pueden terminar produciendo la falla del vertedero y posteriormente la falla de la presa. Así pues los diseños de estructuras disipadoras de energía, obedecen a estudios experimentales que tienen en cuenta las características propias del flujo a manejar, del sitio de la construcción y su engranaje con el conjunto total de la obra, lo que hace que cada diseño sea único, y crea la necesidad de construir modelos hidráulicos para garantizar que el funcionamiento corresponda a lo planteado teóricamente.
2.0 OBJETIVOS
2.1 Planteamiento del problema
Los caudales vertidos durante el invierno del año 2002 llevaron a la Junta de Castilla y León a pensar en la posibilidad de un recrecimiento de la presa de Tórtoles de Esgueva con la finalidad de aumentar tanto la capacidad de embalse como la superficie dominada para riego por gravedad.La solución finalmente adoptada y ejecutada consistió en la elevación del labio vertiente del aliviadero 1,00m. y un recrecimiento del dique, por motivos de seguridad, en una altura de 1,00m, dentro de ello debemos considerar el diseño hidráulico de las estructuras terminales, en este caso, el estanque amortiguador.
2.2 Objetivo general
Conocer a plenitud los fundamentos del diseño de los Estanques Amortiguadores y verificar el diseño hidráulico de un estanque amortiguador, construido para disipar la energía del canal de descarga del aliviadero de la PRESA DE TÓRTOLES DE ESGUEVA (Burgos, España).
2.3 Objetivo específico
- Proporcionar para un futuro proyecto una fuente de información que le sirva de guía al proyectista para diseñar eficientemente dicha estructura.
3.0 FUNDAMENTO TEORICO
3.1 Descripción.
A.- Generalidades.-
Cuando la energía del flujo del aliviadero debe disiparse, antes de que el caudal vuelva al cauce agua abajo, los cuencos amortiguadores constituyen un dispositivo muy útil para reducir la velocidad de salida. El resalto que se produce en el cuenco, tiene características propias y adoptan una forma definida según sea la relación de la energía que debe ser disipada con el calado. “El Bureao Reclamatión ha realizado una serie de ensayos para determinar las propiedades de dicho resalto hidráulico. La forma del resalto y las características del flujo, pueden expresarse: en función del factor cinético v2/gd de la corriente que entra en el cuenco, del calado crítico o del número de Froude v/√gd. Las formas del resalto para distintos valores del número de Froude pueden verse en la FIGURA N° 1, cuando el número de Froude correspondiente a la corriente entrante, es igual a 1, se produce el calado crítico y no se forma resalto, para números de Froude comprendidos entre 1.0 y 1.7, el calado es ligeramente inferior al crítico. El paso del régimen rápido a lento es gradual y se manifiesta únicamente en que la superficie aparece levemente revuelta. Cuando el número de Froude se aproxima a 1.7 empieza a desarrollarse pequeños remolinos en la superficie, que aumenta en importancia con el número de Froude. No se produce ninguna otra manifestación hasta que el número de Froude llega a 2.5. FIGURA N°1-A, se presenta el fenómeno que tiene lugar para valores comprendidos entre 1.7 y 2.5.
Para números de Froude entre 2.5 y 4.5 se forma un resalto hidráulico oscilante y el chorro fluctúa intermitentemente entre el fondo y la superficie a lo largo del canal de agua abajo. Esta corriente oscilatoria produce ondas superficiales censurables, por que se extienden hasta bastante lejos del cuenco. En la FIGURA N°1-B, se representa este tipo de corriente.
Para números de Froude entre 4.5 y 9, se forma un resalto estable y bien proporcionado. La turbulencia aparece únicamente en el cuerpo principal del resalto, mientras que la superficie agua abajo es relativamente tranquila. Cuando el número de Froude sobrepase el valor 9.0 la turbulencia del resalto en los remolinos
superficiales, aumentan dando por resultado una superficie risada, con grandes ondas superficiales agua abajo del resalto, en las FIGURA 1-C y 1-D, representa el fenómeno para valores del número de Froude comprendidos entre 4.5 y 9.0 y mayores de nueve respectivamente.
El ábaco de la Fig. 204 relaciona los calados conjugados y sus velocidades para el resalto hidráulico de un canal rectangular, la misma figura estarán clasificados los resaltos de acuerdo con los dispuesto anteriormente.
B.- Cálculo de cuenco amortiguador en función del número de Froude:
1.- Número de Froude menor de 1.7.- Para F = 1.7 el calado conjugado es aproximadamente, el doble que el de entrada o alrededor de 40% mayor que el crítico. La velocidad de salida es aproximadamente la mitad de la velocidad de entrada o 30% menor que la crítica. Si F es menor que 1.7 no es necesario ningún dispositivo, excepto que la longitud del canal, a partir del punto en el que se empieza a cambiar el calado, debe ser por menos 4d, no son necesarios dados de impacto y ningún otro procedimiento de amortiguación.
2.- Cuenco para números de Froude comprendidos entre 1.7 y 2.5.- El fenómeno es representado en la figura 203 A. Puesto que la corriente no es muy turbulenta, no son necesarios dados ni umbrales. El cuenco deberá ser lo suficientemente largo para contener el caudal mientras dura el proceso de desaceleración. Los calados conjugados y las longitudes de cuenco, dadas por el DIAGRAMA 1 (Anexo Autocad) proporcionan resultados satisfactorios.
3.- Cuencos para números de Froude entre 2.5 y 4.5.- Cuando el número de Froude esta comprendido entre estos valores, no se produce un verdadero resalto hidráulico y corriente, se llama entonces de transición. Los cuencos que deben construirse para el tipo de corriente no son muy efectivos para asegurar la amortiguación ya que los dispositivos ordinarios, son impotentes para contrarrestar el oleaje superficial, las olas que se producen se propagan más allá del extremo del cuenco y es necesario amortiguarlas con otros medios.
El cuenco tipo I, ha demostrado ser el más eficiente, cuando F esta entre 2.5 y 4.5, para disipar la mayor parte de la energía. Sin embargo, la acción de oleaje superficial no consigue reducirse enteramente. Algunas veces es necesario emplear amortiguadores de ondas para asegurar una corriente tranquila agua abajo.
Debido a la tendencia del resalto a extenderse y así como para reducir la acción del oleaje, la poca profundidad del agua en el cuenco debe ser alrededor de un 10% mayor que el calado conjugado obtenido por medio del cálculo.
Algunas veces puede evitarse la necesidad de emplear este tipo de cuenco, dimensionando el dispositivo total de manera que el número de Froude en la entrada, se salga de este intervalo de transición. Por ejemplo, con un aliviadero de 22 m3/s de capacidad, si la energía específica agua arriba del cuenco es de 4.65 metros aproximadamente, y la velocidad de entrada al cuenco es de unos 9 m/s, el número de Froude es de 3.2 cuando el ancho del cuenco es de tres metros, pero aumenta a 4.6 para una anchura de 6m. La elección de la anchura adecuada llega a ser por lo tanto una cuestión tanto económica como hidráulica.
4.- Número de Froude de mayor de 4.5. En este caso se forma un verdadero resalto hidráulico. Los elementos del resalto varían con el número de Froude, como muestra la figura B.15 y el apéndice B. La instalaciones de dispositivos accesorios, tales como dados, hitos y umbrales a lo largo del cuenco, produce en el resalto un efecto estabilizador, que permite reducir su longitud y garantiza que no se saldrá del cuenco, debido a un calado inadecuado agua abajo.
El cuenco tipo II, puede adoptarse cuando la velocidad de entrada no supera el valor de 15 m/s. Este cuenco utiliza dados en la escarpa y la solera, así como un umbral final para aportar a la longitud del cuenco y reducir a las altas velocidades dentro del menor cuenco posible. Este cuenco actúa disipando la energía en los bloques de impacto y también mediante la turbulencia propia del resalto. Su uso debe limitarse a velocidades no superiores a 15 m/s, ya que existe el peligro de destrucción de los bloques, debido a los esfuerzos de impacto si la velocidad es demasiada alta, así como la posibilidad de que aparezcan fenómenos de cavitación en los bloques y en la solera.
Deben tenerse en cuenta los esfuerzos adicionales sobre la solera, producidos por las fuerzas dinámicas que actúan en la cara de agua arriba de los tipos de impacto. Estas fuerzas dinámicas equivalen aproximadamente, a las que producirían un chorro líquido chocando contra un plano normal a la dirección de la corriente y se expresan con la fórmula siguiente, en kilogramos por centímetro cuadrado.
FUERZA = (1/4645)*w*A*(d1 + hv1)
w = peso específico del agua en gramos por centímetro cúbico.A = área de la cara aguas arriba del bloque, en centímetros cuadrados.
(d1+ hv1) = energía específica de la corriente al entrar en el cuenco, en metros.
En la cara de aguas abajo aparecen supresiones que aumentan la fuerza total. Sin embargo, puesto que los bloques están situados a una distancia de 0.8d2 medida desde el principio del cuenco, se habrán producido ya algunas amortizaciones en el momento en que el chorro alcance el bloque ya la fuerza real menor que la indicada en la ecuación anterior, por lo que cuando se empleen la fórmula 24, puede despreciarse el efecto de succión.
El cuenco tipo III, de la FIGURA N° 7(anexo autocad), se emplea cuando la velocidad de llegada es mayor a 15 m/s y cuando no se emplean bloques de impacto. Su longitud es mayor que la del tipo II, porque la disipación de energía se confía fundamentalmente al resalto hidráulico; sin embargo los dados de la escarpa y el umbral final dentado, todavía son eficaces para reducir la longitud. Teniendo en cuenta el reducido margen de seguridad como la posibilidad de que el resalto salga fuera del cuenco, la profundidad del agua en el deberá tomarse en un 5% mayor que el calado conjugado.
C).- Comparación entre los cuencos rectangulares y trapeciales.
En algunas ocasiones resulta más económico revestir los laterales del cuenco con paramentos inclinados en lugar de hacerles en vertical, aprovechando para ello la inclinación favorable del terreno. Sin embrago en estudios sobre modelo reducido, se ha observado que la acción del resalto hidráulico en estos cuencos trapeciales es mucho menos completa y estable que en los cuencos rectangulares, pues a lo largo de las áreas triangulares, que se forman junto a los muros indicados del cuenco trapecial, el agua no se opone al chorro afluente de alta velocidad; El resalto tiende entonces a producirse en vertical, no extendiéndose lo necesario para ocupara las áreas laterales, por consiguiente, el resalto se forma únicamente en la zona central del cuenco, mientras que las áreas laterales están ocupadas por corrientes hacia aguas arriba procedentes del resalto del extremo final del cuenco. Los remolinos y vértices horizontales consiguientes, tienden a inferir he interrumpir la acción del resalto, por lo que, al no disiparse completamente la energía, se pueden producir ocasiones importantes agua abajo del cuenco.Así pues, para un buen funcionamiento desde el punto de vista hidráulico, los muros laterales del cuenco deberán ser verticales, o al menos tan verticales como sea posible.
D).- Profundidad del cuenco con relación a la altura hidráulica de caída.
El ábaco de la figura 208 sirve para determinar aproximadamente la profundidad del cuenco amortiguador, en función de su anchura y su diferencia de niveles entre el embalse y el nivel de aguas abajo. Se han dibujado las curvas correspondientes a las hipótesis de que no existen pérdidas de carga en la entrada del cuenco y que estas sean de un 10, 20 y 30% (escalas A, B, C y D respectivamente). El calado conjugado d2, dependerá de la energía específica disponible a la entrada del cuenco, determinada con el procedimiento indicado en el apartado 196. Cuando se conozca la energía específica, las pérdidas de carga en el canal de aguas arriba pueden expresarse, en forma de altura de velocidad, y determinar que porcentaje de pérdidas representa, con el cual se puede obtener el calado conjugado entrando en el ábaco. Si no se han calculado esas pérdidas, pueden valorarse aproximadamente empleando la figura B-5, del apéndice B. Cuando se requiere solamente una
determinación aproximada de la profundidad, pueden valorarse las perdidas en la siguiente forma.1) En el caso de un aliviadero, en que el cuenco está directamente aguas debajo
de la coronación o que la longitud del resalto no sea mayor que la carga hidráulica, no deben considerarse perdidas.
2) Si se trata de un aliviadero en canal, deberán considerarse pérdidas del 10% de la altura, siempre que la longitud del canal este comprendida entre la carga hidráulica y 5 veces este valor.
3) En el caso de que la longitud del canal sea mayor que 5 veces la carga hidráulica, deberá considerarse pérdidas del 20%.
El ábaco de la figura 208, da los valores del calado conjugado en el resalto hidráulico, la profundidad del agua abajo, en los distintos tipos de resalto descritos en el artículo 199, deberán incrementarse en la forma que ahí se especifica.
E).- Consideraciones sobre la corriente de agua abajo.
En el apéndice B, parágrafo B, se estudia la terminación de la curvas de calados vs caudales, que relacionan el caudal desaguado por el cauce natural, agua debajo de la presa, con el nivel que en cada momento tiene la superficie libre del agua.Estas curvas para la corriente del río agua abajo de la presa, están fijadas por las condiciones naturales del cauce y, generalmente, no pueden ser modificadas por el aliviadero o por las características del desagüe. De acuerdo con lo expuesto en el apartado 185(d), las condiciones del desagüe pueden producirse represiones en el cauce del río agua debajo de la presa, fenómeno que debe ser previsto al escoger la curva de calados vs caudales que se emplee en el cálculo del cuenco amortiguador. Normalmente no se dispone de aforos de las máximas avenidas, la curva de calados vs caudales, debe ser extrapolada desde aforos conocidos o calculada mediante criterios empíricos o supuestos. Así, pues resulta que en el mejor de los casos, la curva de partida es solamente, aproximada y debe por ello tomarse en el proyecto, un coeficiente de seguridad.
En un cuenco amortiguador de este tipo, los niveles de agua abajo para varios caudales, deben de estar de acuerdo, con la curva de calados vs caudales, y por lo tanto, es preciso disponer el nivel de la solera del cuenco, de tal manera, que la superficie del agua del resalto, coincida lo más aproximadamente en lo posible con la del río. En un cuenco dado, rara vez coinciden los calados del cauce con los conjugados del resalto para cada caudal, por consiguiente, las formas relativas y relacionadas entre la curva de caudales vs alturas de agua abajo, en la cual del cuenco, proporcionan la mínima profundidad necesaria para este. Esto se ilustra en la Figura 209. En A la curva, 1, es la de calados vs caudales y la 3 de los calados conjugados vs caudales, para un cuenco de cierta altura, como debe ser bastante profundo para albergar el calado conjugado completo (o algo mayor que tener en cuenta, el coeficiente de seguridad) Cuando el caudal sea el máximo que pueda
desaguar el vertedero, las curvas deberán cortarse en el punto D. para desagües menores, el calado en el río será mayor que el necesario, lo que producirá un resalto sumergido. (En estás condiciones en lugar de obtenerse una buena disipación de energía por mezcla de las corrientes de agua arriba y agua abajo, el chorro incidente, se sumerge hasta la solera y la recorre a alta velocidad en toda su longitud). Si la solera del cuenco se coloca más alta que la indicada por la curva 3, las curvas correspondientes se cortarían a la izquierda del punto D, lo que indica un exceso de calado en el río, para desagües pequeños y un déficit para desagües grandes.
Figura N°1 - Formas características del Resalto Hidráulico en función del número de Froude
FIGURA N°2 (Apéndice B; Proyecto de Pequeñas Presas, USBR)
4.0 INFORMACION BASICA
4.1 Descripción del aliviadero y el canal de descarga.
El tipo de aliviadero elegido es lateral, de labio fijo y con un perfil Creager. La longitud de la cresta vertedero es de 25,00m, siendo la altura de la lámina de agua de 1,00 sobre la misma cuando se vierte un caudal de 50m3/s.El cuenco de recepción, que recogería y conduciría el agua hasta el canal de descarga, es de forma rectangular con una anchura de 5,00m, longitud total de 25,00m y una pendiente longitudinal de 0,08m/m. La altura máxima que alcanza el muro exterior de dicho cuenco es de 7,00m, siendo su anchura de 0,80m en coronación y de 1,40m en su base.
FIGURA N°3 Aliviadero. Cuenco de recepción de la presa (antes de recrecimiento)
El canal de descarga se ha dimensionado para que su funcionamiento hidráulico se realice en régimen sub crítico en el primer tramo y en régimen supercrítico en el segundo. El paso de un régimen a otro se consigue mediante una estructura de control de 1,00m de longitud y 0,50m de elevación sobre la solera del canal, en la cual se establecen las condiciones críticas de flujo.
La longitud total de dicho canal es de 142,00m y se proyecta todo él en hormigón armado. El primer tramo, de 49,00m e longitud, presenta sección rectangular de 5,00m de anchura en su base con una altura variable en su tramo descubierto y una sección en marco rectangular de 5,00x4,00 m. de dimensiones interiores en el tramo que discurre por el interior del dique. La pendiente longitudinal en todo el primer tramo es de 0,011m/m.
El segundo tramo, de 93,00m de longitud total, presenta también sección rectangular de 5,00m de anchura en su base, con una altura máxima de cajeros de 4,00m y mínima de 1,50 m. y un espesor de 0,50 m. La pendiente longitudinal es de 0,198 m/m en todo su recorrido.
FIGURA N° 4
Vista del canal de descarga desde coronación de la presa y vista desde aguas debajo de la presa
Estanque amortiguador
Con objeto de disipar la energía debida a la velocidad que la corriente adquiere al circular por el canal de descarga, se construye un estanque amortiguador en la base de dicho canal. La anchura del estanque es de 5,00m y longitud total de25,00m.
4.2 Plano de Ubicación, Planta y Perfil.
Figura Nº 5 Plano de Ubicación
Figura Nº 6 Plano Topografico
PLANO DE PERFIL (FIGURA 6- Anexo Autocad)
CUADRO Nº1
CARACTERÍSTICAS HIDRAULICAS
PARÁMETROS SÍMBOLO UNIDADES
CANALAGUAS ARRIBA
Caudal Q m3/s 50.0000
Rugosidad N - 0.0140
Talud Z - 0.0000
Ancho Solera B m 5.0000
Pendiente S m/m 0.1980
Tirante Normal Yn m 0.4997
Área Hidráulica A m2 2.4983
Espejo de agua B m 5.0000
N º de Froude F - 9.0396
Tipo de Flujo - - SupercríticoPerímetro mojado P m 5.9993
Radio hidráulico R m 0.4997
Velocidad V m/s 20.0135Energía Especifica E m 20.9145
5.0 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
5.1. Pasos.
- Determinación del número de Froude para elegir el tipo de Estanque Amortiguador.
- Determinar las dimensiones de los dados de la escarpa y el umbral final dentado, en base a lo que indica la Figura Nº7, tomado del libro del USBR.
- Determinar la longitud y altura máxima del Resalto Hidráulico, para dimensionar el espacio que ocupará en la estructura.
- Calculo de la elevación del Estanque amortiguador.
- Diseñar el acero de refuerzo.
- Proporcionar protección en el canal aguas abajo, si es requerido.
5.2. Desarrollo:
Cálculo del Número de Froude:
F = V/√(g*Yn)
F = 9.04
Esto significa que debemos utilizar el Estanque Amortiguador Tipo III, teniendo en cuenta que la velocidad de llegada es 20.0135 m/s (superior a los 15 m/s que determina el uso del Estanque Amortiguador Tipo II). Como señala la teoría, en este tipo de estanque, se confía la disipación de energía principalmente en la longitud del Estanque Amortiguador.
Sobre las características del resalto hidráulico, esta en el límite superior de lo que se considera un resalto hidráulico perfecto, por lo que se prevé que el régimen aguas abajo es uniforme y no se apreciarán olas.
De la Figura 7 (Anexo Autocad)
Cálculo d1
Pendiente = 0.1980 = m/Yn
d1˄2 = m˄2 + Yn˄2
d1(m) = 0.5094
Dados de la Escarpa
h1 = d1 = S1 = 0.51
h1: Altura de los dados.
S1. Ancho y separación entre dados
Asumiremos 0.53m para el ancho y 0.52m para la separación, para cumplir con la condición del lado lateral izquierdo en la distribución de dados (FIGURA N°7- Anexo autocad), que señala una separación lateral de (d1)/2 con respecto a la pared del cuenco. Entonces, para un ancho de la base de 5m, tendremos:
5 dados de 0.51m de altura y 0.53m de ancho, separados entre sí a una distancia de 0.52m y con una separación lateral del último dado con respecto a la pared del cuenco, de 0.27m.
De manera práctica y con fines constructivos, podemos asumir el valor de 0.50m para la altura, ancho y separación, resultado la misma cantidad de dados, aunque pasando por alto la condición de distribución antes mencionada. Esto puede repercutir en una menor disipación de la energía en la entrada del cuenco, pero como señala la teoría, en este caso, la disipación se confía principalmente en la longitud del Estanque.
Del Figura N °2
d2/d1 = 1/2*(√(1+8*F˄2) - 1)
d2(m) = 6.2620
Como lo recomienda la teoría, para reducir los riesgos en los factores de seguridad y evitar que el resalto salga del cuenco, tomaremos un 5% adicional para considerar la profundidad del agua. Entonces tendremos como profundidad del agua el valor de:
Y2 = 1.05*d2 = 6.575 m
Para determinar la altura de la pared del estanque, adicionaremos 40cm.
Dientes del umbral final:
h2 = 0.2*d2 = 1.25
S2 = 0.15*d2 = 0.94
c2 = 0.02*d2 = 0.13
h2: Altura de los dientes.
S2: Ancho y separación entre dientes.
c2: Corona de los dientes
Con estas medidas, tenemos que para el ancho de base de 5m, podremos colocar 3 dientes cuyo ancho y separación entre sí, será de 1m. Ya se ha manifestado que estos cambios no producen un efecto considerable.
Longitud del Resalto HidráulicoDel Diagrama 1(Anexo autocad)
Lrh/d2 = 4.06675
Lrh(m) = 25.47
Formula Empírica:
4.5*(d2 - d1) < Lrh < 7*(d2 - d1)
25.89 < Lrh < 40.27
6.0 Diseño de la Sección del Estanque Amortiguador(Ver figura N° 8 ANEXO AUTOCAD)
Análisis Estructural
h(m) = 6.575ϒa(kg/m3)= 1000.000
Mu= 1.7*(1/6)*ϒa*h˄380,535.052
D1(cm) = √(Mu/ØRb)Ø = 0.9b = 1mR = q*f´c*(1-0.59q)q = 0.18
f´c = 210R = 33.786
D1(cm) = 51.464
Recubrimiento = 6cmt1 = D1 + 6cm = 57.464
(+) 15 porciento 66.084
hz = t1 + 5cm 71.084
Análisis de Estabilidad
Sección Fuerza = PESO Brazo Momento R.1 W1 = 10,920.00 0.33 3,549.002 W2 = 10,584.00 2.83 29,899.803 Wagua = 33,000.00 3.15 103,950.00
FV = 54,504.00 137,398.80
Momento Volcante
Empuje = 1.7*(1/2)*ϒa*h˄2 = 36,746.03Brazo = 2.19
MV = 80,535.05Fuerza Normal = 21,615.31
FSV = MR/MV1.70607452 > 1.5
CD = f*(Fv/Fn)1.51 > 1.5
Cumple el factor de estabilidad y deslizamiento
7.0 CONCLUSIONES
Haciendo una comparación con los datos que se presentan en el proyecto que sirvió de base para realizar este trabajo, podemos concluir que los valores alcanzados son más conservadores que los asumidos en la construcción y puesta en funcionamiento del estanque amortiguador en La Presa de Tórtoles de Esgueva.
8.0 BIBLIOGRAFÍA
- MANUAL DE DISEÑO HIDRÁULICO Y OBRAS DE ARTE
ING. ELMER GARCÍA RICO CONCYTEC
Primera Edición – 1987.
PAGS. 120-132
- PROYECTO DE PEQUEÑAS PRESAS
Versión en español y en sistema métrico decimal y autorizada por el USBR México 1966.
PAGS. 291-307
- DESING SMALL CANAL STRUCTURES
USBR
PAGINAS: 299-321