estudio de procesos de erosion aguas abajo de vertedores laberinto

8/18/2019 Estudio de Procesos de Erosion Aguas Abajo de Vertedores Laberinto

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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN

FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

ESTUDIO DE PROCESOS DE EROSIÓN AGUAS ABAJO DEVERTEDORES LABERINTO

Proyecto de Grado, Presentado Para Optar al Diploma Académico de

Licenciatura en Ingeniería Civil.

Presentado por: HORACIO BRAYAN BRAÑEZ SAAVEDRA

Tutor: M.Sc. Ing. Mauricio Romero Mérida

COCHABAMBA – BOLIVIA

Marzo, 2008


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DEDICATORIA

A mis padres,

Sabiendo que jamás existirá una forma de agradecer en esta vida

de lucha y superación constante, deseo expresarles que mis ideales,

esfuerzos y logros han sido también suyos y constituye el legado

más grande que pudiera recibir.

Con cariño, admiración y respeto.

Horacio Brayan


3/173

AGRADECIMIENTOS

A mi familia por el eterno apoyo moral y estímulos brindados con infinito amor y

confianza.

Al Ing. Mauricio Romero por la amistad, el apoyo técnico y moral para hacer

posible este Proyecto.

A los Ingenieros Galo Muñoz, Marco Escobar, Edgar Montenegro por su apoyo y

colaboración.

A Julio Janko, Tatiana, y todo el personal del Laboratorio de Hidráulica por la

comprensión y la amistad brindada.

A los docentes por sus consejos y enseñanzas, haciendo de mí una persona de

bien.

A la Universidad por abrirme las puertas y cobijarme hasta la culminación mi

Carrera profesional.

Y a todos mis amigos y compañeros por la amistad, por lo que ha sido y será.

Gracias.


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FICHA RESUMEN

Un vertedor laberinto se caracteriza por el incremento de la longitud total de cresta que se

logra variando la forma del vertedor en planta, la cual consta de un eje poligonal,

generalmente con la misma forma triangular o trapezoidal, repetida periódicamente. Deaquí, que para un mismo ancho de canal de aproximación, el vertedor laberinto presenta

una longitud de descarga mayor que un vertedor recto. Por consiguiente, para un mismo

tirante de agua sobre la cresta, la descarga por unidad de ancho es sustancialmente

incrementada.

De esta manera, los vertedores laberinto se constituyen en una alternativa apropiada cuando

se trata de elevar el nivel de agua, y donde se cuenta con una cota de inundación en lospoblados aguas arriba de la estructura, la cual no es deseable alcanzar.

Por otro lado, la erosión en el fondo de un curso de agua, en el lugar en donde se implanta

una estructura, es una de las causas hidráulicas mas frecuentes de fallo cuando afectacimentaciones imperfectas o insuficientes. A raíz de ello, se ha realizado un estudio con

vertedores laberinto en lechos horizontales, cuyo objetivo principal es el de contribuir al

conocimiento sobre los procesos de erosión aguas abajo asociados a estas estructuras.Adicionalmente, como un aporte al diseño óptimo de vertedores laberinto, se proponen

medidas de protección sobre la base de los resultados de la fase experimental.

La fase experimental (modelación física) se llevo a cabo en el Laboratorio de Hidráulica de

la Universidad Mayor de San Simón, el cual cuenta con un canal de pendiente regulable de

18 m de longitud y sección rectangular de 0.80 m de ancho. Se realizaron pruebas condiferentes vertedores laberinto con la variable principal del ángulo de abertura entre sus

brazos y el ángulo de inclinación de la cresta. Se ensayaron 8 vertedores, cada uno concaudales de 10, 20 y 30 l/s, determinados con la finalidad de asegurar el funcionamiento delos vertedores en condiciones aireadas. La cuantificación de los montos de socavación fue

posible con el uso de un Escáner Láser fabricado en Universidad de Aalborg (Dinamarca).

Este equipo es capaz de realizar relevamientos de las superficies erosionadas con una

precisión de 1 mm en las lecturas. Adicionalmente, se realizaron mediciones de tirantes deagua sobre la cresta y longitudes efectivas de descarga.

A partir de un modelo digital de elevaciones, se determinaron las principales variables delos lechos erosionados como volumen erosionado, profundidad máxima de socavación,

longitud máxima de erosión, área erosionada en planta y altura máxima de berma.

Para el análisis cualitativo de los procesos de erosión, se determinaron 5 números

adimensionales con los cuales se elaboraron gráficos adimensionales para describir el

comportamiento de los procesos de erosión frente a los parámetros de vertedor h/P (tirante

de agua/altura de cresta), Cd (coeficiente de descarga), y longitud efectiva de descarga.

Finalmente, se exponen las medidas de protección propuestas que se constituyen en la

aplicación de revestimiento de enrocado (rip-rap), y estanques amortiguadores.


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Dedicatoria i

Agradecimientos iiFicha Resumen iii

Índice General iv

Índice de Figuras viii

Índice de Tablas xiii

CAPITULO 1

GENERALIDADES Página

1.1 Introducción ……………………………………………………………… 1

1.2 Antecedentes …………………………………………………………… 1

1.3 Justificación ……………………………………………………………… 5

1.4 Objetivo general ………………………………………………………… 6

1.5 Objetivos específicos …………………………………………………… 6

1.6 Resultados intermedios ………………………………………………… 6

1.7 Hipótesis del estudio …………………………………………………… 7

CAPITULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1 Vertedores Laberinto …………………………………………………… 8

2.1.1 Parámetros geométricos ………………………………………………… 8

2.1.2 Interferencia de flujo …………………………………………………… 9

2.1.3 Autolimpieza …………………………………………………………… 12

2.1.3.1 Caso Hellsgate …………………………………………………………… 12

2.1.3.2 Caso La Joya …………………………………………………………… 132.1.4 Aireación ………………………………………………………………… 16

2.1.5 Diseño de vertedores laberinto ………………………………………… 19

2.1.5.1 Consideraciones generales sobre los parámetros de diseño …………… 19

2.1.5.2 Curvas de Diseño ………………………………………………………… 22

ÍNDICE GENERAL

iv


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Índice General Estudio de procesos de erosión aguas abajo de vertedores laberinto

2.2 Procesos morfológicos asociados a vertedores ………………………… 29

2.2.1 Erosión y Socavación …………………………………………………… 29

2.2.1.1 Socavación general ……………………………………………………… 29

2.2.1.2 Socavación local ………………………………………………………… 30

2.2.2 Agradación ……………………………………………………………… 30

2.3 Medidas de protección …………………………………………………… 31

2.3.1 Revestimiento de enrocado o Rip-Rap ………………………………… 31

2.3.2 Estanques amortiguadores ……………………………………………… 32

CAPITULO 3

3.1 Planificación y diseño del modelo ……………………………………… 35

3.1.1 Determinación del área de trabajo ……………………………………… 35

3.1.2 Selección de la pendiente del canal ……………………………………… 36

3.1.3 Selección del material del lecho ………………………………………… 37

3.1.4 Cálculo de las variables de diseño de los vertederos laberinto ………… 39

3.1.5 Determinación de los caudales de trabajo ……………………………… 41

3.1.6 Determinación del tiempo de prueba óptimo …………………………… 43

3.2 Equipos y estructuras utilizadas en el estudio …………………………… 45

3.2.1 Canal de sección rectangular uniforme y pendiente regulable ………… 45

3.2.2 Sistema de circulación, almacenamiento y bombeo …………………… 47

3.2.3 Medidor de flujo electromagnético para caudales de gran magnitud …… 49

3.2.4 Medidor de pendiente …………………………………………………… 49

3.2.5 Limnímetro ……………………………………………………………… 50

3.2.6 Escáner Láser …………………………………………………………… 51

3.3 Implementación del modelo en el canal ………………………………… 543.3.1 Implementación de los vertedores ……………………………………… 55

3.3.2 Implementación del lecho ……………………………………………… 62

PLANIFICACIÓN, DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLENTACIÓN DELMODELO EXPERIMENTAL

v


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CAPITULO 4

DESARROLLO EXPERIMENTAL

4.1 Introducción ……………………………………………………………… 66

4.2 Descripción de las pruebas ……………………………………………… 66

4.3 Variables de estudio ……………………………………………………… 69

4.4 Números adimensionales considerados ………………………………… 70

4.5 Resultados experimentales ……………………………………………… 72

4.5.1 Pruebas con vertedores tipo A …………………………………………… 74

4.5.1.1 Profundidad máxima de socavación …………………………………… 74

4.5.1.2 Longitud máxima de erosión …………………………………………… 78

4.5.1.3 rea erosionada en planta ……………………………………………… 79

4.5.1.4 Altura de berma ………………………………………………………… 80

4.5.1.5 Cortes longitudinales y transversales …………………………………… 80

4.5.1.6 Transporte de sedimentos ……………………………………………… 83

4.5.1.7 Análisis de gráficos adimensionales …………………………………… 85

4.5.1.7.1 Volumen erosionado …………………………………………………… 86

4.5.1.7.2 Profundidad máxima de socavación …………………………………… 90

4.5.1.7.3 Longitud máxima de erosión …………………………………………… 94

4.5.1.7.4 rea erosionada en planta ……………………………………………… 98

4.5.1.7.5 Altura máxima de berma ………………………………………………… 102

4.5.2 Pruebas con vertedores tipo I …………………………………………… 106

4.5.2.1 Profundidad máxima de socavación …………………………………… 106

4.5.2.2 Longitud máxima de erosión …………………………………………… 107

4.5.2.3 rea erosionada en planta ……………………………………………… 108

4.5.2.4 Altura de berma ………………………………………………………… 109

4.5.2.5 Cortes longitudinales y transversales …………………………………… 109

4.5.2.6 Transporte de sedimentos ……………………………………………… 1124.5.2.7 Análisis de gráficos adimensionales …………………………………… 112

4.5.2.7.1 Volumen erosionado …………………………………………………… 114

4.5.2.7.2 Profundidad máxima de socavación …………………………………… 118

4.5.2.7.3 Longitud máxima de erosión …………………………………………… 122

vi


8/173


4.5.2.7.4 Área erosionada en planta ……………………………………………… 126

4.5.2.7.5 Altura máxima de berma ………………………………………………… 130

4.5.3 Determinación del vertedor óptimo ……………………………………… 134

CAPITULO 5

MEDIDAS DE PROTECCIÓN

5.1 Introducción ……………………………………………………………… 136

5.2 Rip-Rap ………………………………………………………………… 136

5.3 Estanques amortiguadores ……………………………………………… 138

5.3.1 Dimensiones del estanque amortiguador ………………………………… 139

5.3.2 Aplicación al estudio …………………………………………………… 145

CAPITULO 6

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1 Conclusiones …………………………………………………………… 148

6.1.1 Volumen erosionado …………………………………………………… 149

6.1.2 Profundidad máxima de socavación …………………………………… 150

6.1.3 Longitud máxima de erosión …………………………………………… 151

6.1.4 rea erosionada en planta ……………………………………………… 152

6.1.5 Altura de berma ………………………………………………………… 154

6.2 Recomendaciones ……………………………………………………… 155

BIBLIOGRAFÍA

ANEXOS

Anexo I Propiedades de los sedimentos

Anexo II Hojas de laboratorioAnexo III Determinación de caudales de trabajo

Anexo IV Determinación de coeficientes de descarga

Anexo V Cuantificación de procesos de erosión

vii


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Página

Fig. 1.1. Vertedor laberinto de la presa de UTE (Houston, 1982) 3

Fig. 1.2. Modelo físico del proyecto La Joya, implementado en el LHUMSS 4

Fig. 2.1. 9

Fig. 2.2. Interferencia de napas según Indlekofer & Rouvé (1975) 10

Fig. 2.3. 11

Fig. 2.4. Definición de longitudes de disturbancia (Indlekofer & Rouvé, 1975) 11

Fig. 2.5. 13

Fig. 2.6. 14

Fig. 2.7. 15

Fig. 2.8. 16

Fig. 2.9. Perfiles de aireamiento (Indlekofer, 1974) 17

Fig. 2.10. 18

Fig. 2.11. Pilares de aireación en vertedor laberinto (Houston, 1983) 19

Fig. 2.12. 23

Fig. 2.13. 25

Fig. 2.14. Curvas de diseño (Tullis, 1995) 26

Fig. 2.15. Curvas de diseño (Alfaro, 2004) 28

Fig. 2.16. 32

viii

Eficiencia de aireación en función de la altura de cresta P (Wormleaton &Tsang, 2000)

Curvas de diseño para vertedores a)Trapezoidales y b)Triangulares (Hay &Taylor, 1970)

Curvas de diseño para vertedores a)triangulares y b)trapezoidales (Afshar,1989)

Tipos de colocado de Rip-Rap a)lanzado y b)manualmente (Brown &Clyde, 1989)

ÍNDICE DE FIGURAS

Parámetros geométricos del vertedor laberinto (Hay & Taylor, 1970;Ledezma, 1999)

Distribución de C(l) a lo largo de la cresta del vertedor (Indlekofer &Rouvé, 1975)

Socavación aguas arriba de un vertedor laberinto, Auto-Limpieza (Babb,1976)

Alternativas de ángulo de inclinación de la cresta, Proyecto La Joya(LHUMSS, 1999)

Flujo a través del vertedor laberinto con cresta cortada hacia aguas arriba(LHUMSS, 1999)

Flujo a través del vertedor laberinto con cresta cortada hacia aguas abajo(LHUMSS, 1999)


10/173

Índice de Figuras Estudio de procesos de erosión aguas abajo de vertedores laberinto

Fig. 2.17. 33

Fig. 2.18. Esquema de un estanque amortiguador curvo (Peterka, 1984) 34

Fig. 3.1. Esquema del área de trabajo en canal, a) Planta y b) Elevación 36

Fig. 3.2. Compuerta elevada para cumplir con la condición de borde (18 cm) 36

Fig. 3.3. 40

Fig. 3.4. 44

Fig. 3.5. Vista lateral del canal de pendiente regulable 46

Fig. 3.6. Esquema del canal de pendiente regulable, corte longitudinal 46

Fig. 3.7. Esquema del sistema de circulación, alimentación y bombeo del LHUMSS 47

Fig. 3.8. Bombas de a)100 l/s y b)7 l/s 48

Fig. 3.9. Esquema de la disposición de tanques 48

Fig. 3.10. a)Medidor de flujo electromagnético y b)panel de control 49

Fig. 3.11. Panel de control de la pendiente y compuertas del canal inclinable 50

Fig. 3.12. Lectura de los tirantes de agua por encima el vertedor laberinto 50

Fig. 3.13. Escáner Láser o Laser Profiler 51

Fig. 3.14. 52

Fig. 3.15. Láser montado en la barra vertical del Escáner (Aalborg University, 2003) 52

Fig. 3.16. Computadora conectada al Escáner láser para la adquisición de datos 53

Fig. 3.17. 53

Fig. 3.18. Ejemplo de relevamiento en curso en el EPro 54

Fig. 3.19. Modelos de vertedores laberinto disponibles en el LHUMSS 55

Fig. 3.20. Limpieza de los vertedores 57

Fig. 3.21. Vista de los rigizadores 57

Fig. 3.22. Refacción de los vertedores con soldadura 58

ix

Ventana para definir los limites de relevamiento e intervalos de lectura enel EPro

Esquema en corte de la distribución de velocidades en un vertedor laberintosegún Savage, Frizell, y Crowder (2005) con el uso de FLOW-3D

Vista en planta, frontal y lateral derecha de los vertedores laberintoestudiados (después de Alfaro, 2004)

Mediciones realizadas en las prueba preliminares: a)profundidad máximade socavación, b)altura de berma, c)longitud de la base al punto máximo deelevación de berma y d)longitud de extensión de berma

Servomotores de control de movimiento horizontal del Escáner Láser(Aalborg University, 2003)


11/173


Fig. 3.23. 59

Fig. 3.24. Impermeabilización de las bases con pintura al óleo 59

Fig. 3.25. Pintado de las partes del modelo a)vertedores y b)vigas de apoyo 60

Fig. 3.26. Colocado de los angulares para fijación de la viga hacia aguas arriba 61

Fig. 3.27. Sellado de los bordes del vertedor con silicona 61

Fig. 3.28. Tamices disponibles en el LHUMSS (Ávila, 2006) 62

Fig. 3.29. Obtención del material del lecho. a)proceso de tamizado y b)lavado 63

Fig. 3.30. 63

Fig. 3.31. Proceso de alisado del lecho 64

Fig. 3.32. Instalación completa del modelo experimental 64

Fig. 4.1. Ilustración del desarrollo de las pruebas, Prueba I6Q10 66

Fig. 4.1. Ilustración del desarrollo de las pruebas (continuación), Prueba A65Q20 67

Fig. 4.2. 68

Fig. 4.3. Determinación del área de relevamiento en planta por simple inspección 68

Fig. 4.4. Variables de estudio con respecto a la base del vertedor laberinto 70

Fig. 4.5. Esquema en planta de los limites del área de relevamiento 73

Fig. 4.6. Ventana Average Filter en EPro, para suavizar la superficie relevada 73

Fig. 4.7. 75

Fig. 4.8. 75

Fig. 4.9. Condición de borde de espesor de lecho alcanzada 76

Fig. 4.10. 77

Fig. 4.11. Esquema del método de extrapolación parabólico 78

Fig. 4.12. 78

Fig. 4.13. Curvas de nivel generadas con Surfer 8.0 79

x

Esquema de bases a implementar en los vertedores laberinto, lasdimensiones están en cm.

Guinche usado para implementar el material del lecho en el canal y procesode colocado

Ejemplo de superficie extrapolada en vertedores tipo A, a)antes yb)después de procesos de erosión

Vista en planta de relieves obtenido con Surfer 8.0 y de una pruebaestándar

Etapa de drenado. a)Válvula de desagüe y compuerta abierta, b)Drenado deagua bajo la base del vertedor

Vista isométrica y en planta del lecho erosionado obtenidos en Surfer 8.0,prueba A65Q20

Parábola ajustada a la parte inferior de las fosas de socavación en laspruebas A45Q20, A55Q20 y A65Q20


12/173


Fig. 4.14. 80

Fig. 4.15. 80

Fig. 4.16. Cortes longitudinales en secciones representativas para la prueba A35Q20 81

Fig. 4.17. 82

Fig. 4.18. Berma formada aguas abajo de vertedor laberinto 84

Fig. 4.19. 84

Fig. 4.20. Gráfica 1=Ve/Vc vs h/P. Vertedores Tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 86

Fig. 4.21. Gráfica 1=Ve/Vc vs Cd. Vertedores Tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 86

Fig. 4.22. Gráfica 1=Ve/Vc vs LE/L. Vertedores Tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 87

Fig. 4.23. Gráfica 1=Ve/Vc vs . Vertedores Tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 87

Fig. 4.24. Gráfica 2=D/P vs h/P. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 90

Fig. 4.25. Gráfica 2=D/P vs Cd. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 90

Fig. 4.26. Gráfica 2=D/P vs LE/L. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 91

Fig. 4.27. Gráfica 2=D/P vs . Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 91

Fig. 4.28. Gráfica 3=Le/Lc vs h/P. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 94

Fig. 4.29. Gráfica 3=Le/Lc vs Cd. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 94

Fig. 4.30. Gráfica 3=Le/Lc vs LE/L. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 95

Fig. 4.31. Gráfica 3=Le/Lc vs . Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 95

Fig. 4.32. Gráfica 4=Ae/Ac vs h/P. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 98

Fig. 4.33. Gráfica 4=Ae/Ac vs Cd. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 98

Fig. 4.34. Gráfica 4=Ae/Ac vs LE/L. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 99

Fig. 4.35. Gráfica 4=Ae/Ac vs . Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 99

Fig. 4.36. Gráfica 5=Ab/P vs h/P. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 102

Fig. 4.37. Gráfica 5=Ab/P vs Cd. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 102

Fig. 4.38. Gráfica 5=Ab/P vs LE/L. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 103

Fig. 4.39. Gráfica 5=Ab/P vs . Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 103

xi

rea erosionada en planta para la prueba I6Q10 en a)Surfer 8.0 y b)modelofísico

Esquema de ubicación de cortes longitudinales y transversales para

vertedores tipo A

Ilustración de procesos erosivos incipientes para caudal de llenado de 2 l/s,prueba A65Q10 e I6Q10

Cortes transversales hacia aguas abajo en secciones representativas para laprueba A35Q20


13/173


Fig. 4.40. 106

Fig. 4.41. 107

Fig. 4.42. Vistas diversas del chorro generado a la salida del vertedor 108

Fig. 4.43. 108

Fig. 4.44. 109

Fig. 4.45. Cortes longitudinales en secciones representativas para la prueba I6Q20 110

Fig. 4.46. 111

Fig. 4.47. Gráfica 1=Ve/Vc vs h/P. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 114

Fig. 4.48. Gráfica 1=Ve/Vc vs Cd. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 114

Fig. 4.49. Gráfica 1=Ve/Vc vs LE/L. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 115

Fig. 4.50. Gráfica 1=Ve/Vc vs . Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 115

Fig. 4.51. Gráfica 2=D/P vs h/P. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 118

Fig. 4.52. Gráfica 2=D/P vs Cd. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 118

Fig. 4.53. Gráfica 2=D/P vs LE/L. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 119

Fig. 4.54. Gráfica 2=D/P vs . Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 119

Fig. 4.55. Gráfica 3=Le/LE vs h/P. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 122

Fig. 4.56. Gráfica 3=Le/LE vs Cd. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 122

Fig. 4.57. Gráfica 3=Le/LE vs LE/L. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 123

Fig. 4.58. Gráfica 3=Le/LE vs . Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 123

Fig. 4.59. Gráfica 4=Ae/Ac vs h/P. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 126

Fig. 4.60. Gráfica 4=Ae/Ac vs Cd. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 126

Fig. 4.61. Gráfica 4=Ae/Ac vs LE/L. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 127

Fig. 4.62. Gráfica 4=Ae/Ac vs . Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 127

Fig. 4.63. Gráfica 5=Ab/P vs h/P. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 130

Fig. 4.64. Gráfica 5=Ab/P vs Cd. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 130

Fig. 4.65. Gráfica 5=Ab/P vs LE/L. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 131

xii

Taludes de sedimentos en vertedor tipo I: a)adyacente al vertedor durantela prueba y b)posición final después de la prueba

Modelo de elevación digital del lecho aguas abajo de vertedor laberinto

para la prueba I3Q30 a)antes y b)después de la extrapolación superficial

Vista en planta de tramos erosionados en: a)prueba I9Q20 y b)pruebaI9Q30

Esquema de ubicación de cortes longitudinales y transversales paravertedores tipo I

Cortes transversales hacia aguas abajo en secciones representativas para la

prueba I6Q20


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Fig. 4.66. Gráfica 5=Ab/P vs . Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 131

Fig. 5.1. Esquema del estanque amortiguador formado por dos semi-parábolas 139

Fig. 5.2. 141

Fig. 5.3. 141

Fig. 5.4. Esquema del tanque amortiguador propuesto. Vista lateral 143

Fig. 5.5. 144

Fig. 5.6. 146

Fig. 5.7. 146

Fig. 5.8. 147

Fig. 5.9. 147

Gráfica XD/w vs. h/P, para la determinación de la distancia a la que se

produce la profundidad máxima de socavación

Gráfica XD/w vs. h/P, para la determinación de la distancia a la que seproduce la altura máxima de berma

Esquema del estanque amortiguador propuesto. Detalle de los bloques desalida y dados amortiguadores

Vista en elevación del estanque amortiguador diseñado para la pruebaA35Q30.

Vista en planta del estanque amortiguador diseñado para la pruebaA35Q30.

Detalle de los bloques de salida y dados amortiguadores diseñados para laprueba A35Q30

Vista isométrica del estanque amortiguador diseñado para la pruebaA35Q30.

xiii


15/173

Página

Tabla 2.1. Coeficientes para curvas de diseño (Tullis, 1995) 27

Tabla 2.2. Coeficientes para curvas de diseño (Alfaro, 2004) 29

Tabla 3.1. Resumen de los resultados de los ensayos de análisis granulométrico 37

Tabla 3.2. Propiedades de los Sedimentos 39

Tabla 3.3. Variables de diseño de los vertedores laberinto 41

Tabla 3.4. Determinación de los caudales de prueba alto, medio y bajo 42

Tabla 3.5. Resultados obtenidos de las pruebas preliminares 45

Tabla 3.6. Diámetro de abertura de tamiz y proporción a mezclar 62

Tabla 4.1. Matriz de las pruebas realizadas 69

Tabla 4.2. Eficiencia del ángulo de abertura en el volumen erosionado 89

Tabla 4.3. 93

Tabla 4.4. Eficiencia del ángulo de abertura en la longitud máxima de erosión 97

Tabla 4.5. Eficiencia del ángulo de abertura en el área erosionada en planta 101

Tabla 4.6. Eficiencia del ángulo de abertura en la altura máxima de berma 105

Tabla 4.7. Eficiencia del ángulo de inclinación de cresta en el volumen erosionado 117

Tabla 4.8. 121

Tabla 4.9. Eficiencia del ángulo de inclinación de cresta en la longitud de erosión 125

Tabla 4.10 Eficiencia del ángulo de inclinación de cresta en el área erosionada 129

Tabla 4.11 Eficiencia del ángulo de inclinación de cresta en la altura berma 133

Tabla 5.1 Diferencia de la variable XD, entre vertedores Tipo A y Tipo I 142

Tabla 5.2 Diferencia de la variable Xb, entre vertedores Tipo A y Tipo I 143

xiv

ÍNDICE DE TABLAS

Eficiencia del ángulo de abertura en la profundidad máxima de

socavación

Eficiencia del ángulo de inclinación de cresta en la profundidad

máxima de socavación


16/173

1

Capítulo 1

GENERALIDADES

1.1 Introducción

En el presente capítulo, se aborda el tema de manera general exponiendo los antecedentes

relacionados a estudios previos y al conocimiento general sobre aspectos relevantes en

relación el tema de investigación. También se presenta la justificación para el desarrollo del

tema de investigación y los objetivos que se pretenden lograr, los resultados intermedios

que se habrán alcanzado, y una hipótesis como base y punto de partida para el trabajo de

investigación.

1.2 Antecedentes

Se puede considerar un vertedor (o vertedero) como un muro o barrera que se interpone en

la trayectoria de un curso de agua el cual debe ser sobrepasado por la corriente (USBR,1987). Son varias las funciones de los vertederos, entre algunas de ellas se pueden

mencionar el permitir la salida de los volúmenes de agua excedentes a los de

aprovechamiento, control del nivel en embalses, aforo o medición de caudales y evacuación

de crecientes.

El concepto de un vertedor laberinto es el de proveer longitud de cresta adicional para un

ancho de canal dado, de esa manera, se requiere menor altura de cresta para descargar un

determinado caudal. La longitud adicional de la cresta es obtenida por una serie de muros

trapezoidales o triangulares dentro del ancho total del vertedor. Estos muros son delgados y

en ménsula vertical en la cara de aguas arriba y con una cierta pendiente en la cara aguas

abajo. Son soportados por una losa de concreto o adecuados a una fundación existente. La

cresta del vertedor generalmente consiste de un arco de cuarto de circunferencia en el borde


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Capítulo 1 Generalidades

2

de aguas arriba y ligeramente redondeado en el borde hacia aguas abajo.

Un vertedor laberinto es particularmente benéfico cuando el ancho del canal es limitado, el

nivel de la superficie de aguas arriba es restringido, y grandes caudales deben ser

descargados (Lux, 1989). El incremento en la longitud de la cresta debido a la

configuración del vertedor laberinto permite el paso de mayores descargas bajo menores

tirantes de agua. Allí donde un caudal de diseño se ha incrementado y la capacidad del

reservorio debe ser también incrementada, un vertedor laberinto es una excelente

alternativa frente a los métodos tradicionales de construir otro vertedor. Los vertederos

laberinto han sido usados también como estructuras de control en canales y ríos. El tirante

aguas arriba puede ser también incrementado porque la cresta del vertedor puede ser

colocada a una mayor elevación que la de un vertedor recto, aun descargando el caudal

requerido.

El patrón de flujo de un vertedor laberinto es complicado. Los parámetros primarios que

afectan el funcionamiento son (Hay & Taylor, 1970): la magnificación del flujo, el ángulo

de abertura, el caudal de diseño y altura máxima del tirante de agua (cota de inundación).

Se han construido varios vertedores laberinto alrededor del mundo, principalmente en

Estados Unidos y Europa, algunos de ellos antes de que se haya estudiado con detalle el

comportamiento y las características hidráulicas por las que se rigen.

La primera y más extensiva investigación de vertedores laberinto fue desarrollada por Hay

& Taylor (1970). Su trabajo presentó un método para evaluar la descarga teórica de un

vertedor laberinto en relación a un vertedor recto. Ambos autores determinaron que la

eficiencia de un vertedor laberinto en particular puede ser expresada como Ql /Qn donde: Ql

es igual a la descarga sobre el vertedor laberinto de longitud L, bajo una altura de tirante

aguas arriba dada, y, Qn igual a la descarga sobre un vertedor de cresta recta de longitud, W

(ancho del canal de aproximación), para la misma altura de tirante aguas arriba.

En Estados Unidos, la presa UTE ubicada en el río Canadian, a 3.2 Km. al este de Logan,

Nuevo-México, fue completada en 1962, con una altura de 36.88 m y 256.03 m de ancho


18/173


3

libre de flujo a la salida. El diseño original incluía vertedores de compuerta de 8.23 m de

altura los cuales no fueron instalados. Sin compuertas que permitan incrementar la

capacidad del reservorio, los requerimientos futuros no podrían ser alcanzados. En 1982 se

presento un estudio para incrementar la capacidad de este reservorio con la implementaciónde un vertedor laberinto. El diseño preliminar se basó en el método de Hay & Taylor y a

través del estudio en un modelo físico se cumplieron los requerimientos de descarga y nivel

de la superficie de agua. El diseño final cuenta con un vertedor laberinto con forma de

series trapezoidales visto en planta, con 9.14 m de altura y 1024.13 en longitud efectiva de

cresta, distribuida en 14 ciclos.

Fig. 1.1. Vertedor laberinto de la presa de UTE (Houston, 1982)

En Sydney, Australia, la Metropolitan Water Sewerage and Drainage Board ha construido

dos vertedores laberinto, sirviendo como estructura de control para crecidas en reservorios.

El primero fue completado en 1941 en la presa Woronora, el segundo en 1970 en la presa

Avon. El eje longitudinal del vertedor en el plano es recto en el caso del vertedor de

Woronora, y curvo hacia aguas abajo en el caso de Avon. El vertedor de Woronora tiene

una altura de cresta de 2.20 m, longitud total de cresta de 31.20 m y altura de diseño de

tirante aguas arriba igual a 1.36 m. El vertedor de la presa de Avon tiene una altura de

cresta de 3.0 m, longitud efectiva de cresta de 26.5 m y altura de diseño de tirante aguas


19/173


4

arriba igual a 2.20 m.

En Bolivia, se tiene el proyecto de un vertedor laberinto en el río Desaguadero en el sector

denominado La Joya, el cual se encuentra ubicado al nordeste del departamento de Oruro

aproximadamente a 40 Km. de la ciudad. El Laboratorio de Hidráulica de la Universidad

Mayor de San Simón (LH-UMSS), realizó el estudio correspondiente con el objetivo de

controlar el caudal existente y prever la derivación controlada de 30 m³/s hacia un

denominado brazo izquierdo con fines de aprovechamiento agrícola y conservación, en

cuanto el brazo derecho tiene la finalidad de conducir el resto del flujo, así como los

sedimentos.

Fig. 1.2. Modelo físico del proyecto La Joya, implementado en el LHUMSS,

Uno de los aspectos importantes en el estudio de una obra hidráulica, es el de la erosión, del

cual dependen el buen funcionamiento y la estabilidad de la estructura. La erosión es la

combinación de distintos procesos, unos a largo plazo y otros transitorios (avenidas),

aunque la mayoría de los fallos ocurren durante las avenidas, también los procesos a largo

(LHUMSS, 1999)


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5

plazo pueden llevar al fallo de las estructuras, que entonces se presentarían

inesperadamente. Es fundamental considerar los procesos de erosión en inmediaciones del

lugar de emplazamiento de la obras.

Los procesos de erosión no dejan de ser importantes en el estudio de vertedores laberinto

debido a la magnitud de estas estructuras y a la importancia de su funcionamiento.

Lamentablemente no se tienen datos sobre estudios realizados sobre el tema de erosión para

este tipo de vertederos.

En este estudio se abordará el tema con el objetivo de hacer posible la cuantificación de

procesos de erosión aguas abajo de vertedores laberinto en función a las variables que

gobiernan su desempeño, tales como longitud efectiva de la cresta, ángulo de apertura,ángulo de inclinación de la cresta, altura de tirante aguas arriba. El desarrollo experimental

de este estudio se implementará en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Mayor

de San Simón (LH-UMSS), que para tal efecto se cuenta un canal de sección rectangular

uniforme y pendiente regulable, además de todos los equipos adicionales y herramientas

necesarias.

1.3 Justificación

La erosión en el fondo de un curso de agua, en el lugar en donde se implanta una estructura,

es una de las causas hidráulicas mas frecuentes de fallo cuando afecta cimentaciones

imperfectas o insuficientes. A menudo no es posible observar el proceso de erosión porque

todo ocurre bajo el agua cuando esta se torna turbia y debido a ello se ignora el problema

hasta que se manifiesta irremediablemente como un fallo.

Se considera importante el estudio de procesos de erosión aguas abajo de vertederos

laberinto bajo los siguientes puntos:

• El tema se constituye en un aporte importante al conocimiento sobre los procesos

morfológicos asociados a estas obras hidráulicas.


21/173


6

• El conocimiento del comportamiento de estos procesos erosivos permitirá un mejor

entendimiento tanto sobre la ubicación de implementación de la estructura, así como los

montos de socavación originados durante su funcionamiento. Dichos montos podrán ser

analizados en función de las variables de diseño de los vertedores.

• Se dispondrán de medidas de protección contra la erosión, aplicables a los procesos de

erosión aguas abajo de vertedores laberinto.

1.4 Objetivo general

• Contribuir al conocimiento sobre procesos de erosivos aguas abajo de vertederos

laberinto instalados en un lecho horizontal y proponer medidas de protección.

1.5 Objetivos específicos

• Cuantificar experimentalmente montos de socavación producidos por diversos

vertedores laberinto, aguas abajo de los mismos.

• Identificar el vertedor laberinto que origine menores montos de socavación en el lecho

en función a sus variables de diseño.

• Disponer de alternativas de protección de las estructuras estudiadas ante procesos de

socavación aguas abajo.

1.6

Resultados intermedios

Entre los resultados intermedios se tienen:

• Se habrán cuantificado montos de socavación producidos aguas abajo de cada estructura

en función a sus variables de diseño.


22/173


7

• Se identificará el vertedor laberinto que origine menores montos de socavación aguas

abajo de la estructura.

• Se dispondrá de alternativas de protección para las estructuras consideradas sobre la

base de los resultados obtenidos.

1.7

Hipótesis del estudio

Las variables de diseño de vertedores laberinto (ángulo de abertura, longitud efectiva de

descarga, tirante de agua, etc.) originan montos de socavación diferentes (volúmenes

erosionados, profundidades máximas de socavación, áreas erosionadas en planta, etc.), y es

posible el identificar el vertedor que produzca las menores alteraciones en el lecho aguas

abajo de la estructura.


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8

Capítulo 2

MARCO TEÓRICO

2.1

Vertedores Laberinto

Un vertedor laberinto se caracteriza por el incremento de la longitud total de cresta que se

logra variando la forma del vertedor en planta, permitiendo el paso de descargas mayores

para un mismo tirante de agua sobre la cresta. Su forma en planta se caracteriza por un eje

poligonal, generalmente con la misma forma triangular o trapezoidal, repetida

periódicamente. De aquí, para un mismo ancho de canal de aproximación, el vertedor

laberinto presenta una longitud de cresta mas larga que un vertedor recto.

Consecuentemente, para un mismo tirante sobre la cresta, la descarga por unidad de ancho

es sustancialmente incrementada (Hay & Taylor, 1970; Lux, 1989).

2.1.1 Parámetros geométricos

La figura 2.1 ilustra los parámetros geométricos que definen a un vertedor laberinto, los

cuales son (Hay & Taylor, 1970; Ledezma, 1999):

: Ángulo de abertura entre los brazos del vertedor.

: Ángulo de inclinación de la cresta.

L: Longitud total del vertedor laberinto.

w: Ancho de un ciclo del vertedor.

a: Ancho de las puntas del vertedor. B: Longitud individual del brazo.

P : Altura de la cresta del vertedor.

Adicionalmente se pueden definir las siguientes variables:


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Capítulo 2 Marco Teórico

9

W : Ancho total del vertedor ó ancho del canal de aproximación.

n: número de ciclos del vertedor.

t : Espesor de la cresta.

h: Tirante de agua sobre la cresta.

Canal Aguas Arriba

Canal Aguas Abajo

w

a

a

B

A A

L = 4a + 2BL: longitud total de la cresta

Vista en Planta

P

Flujo

Canal deAproximación

P'

B

B

tP

h

Corte B-B

Corte A-A

Fig. 2.1. Parámetros geométricos del vertedor laberinto (Hay & Taylor, 1970;

Ledezma, 1999)

2.1.2 Interferencia de flujo

Las napas de dos vertedores colocados con cierto ángulo entre ellos, tendrán un impacto

sobre el límite de la longitud de la cresta del vertedor, como se muestra en la figura 2.2.

Este impacto es llamado interferencia de napa (Indlekofer & Rouvé, 1975). El efecto de la

interferencia de napa es el de disminuir la descarga. La interferencia ocurre cuando el

chorro de un brazo de vertedor laberinto o de una punta intersecta con el del brazoadyacente.

Indlekofer & Rouvé (1975) tomaron la definición anterior y concluyeron que el grado de

interferencia o área disturbada está en función del tirante de agua sobre el vertedor h, la


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10

altura de la cresta P , y el ángulo de abertura, .

B

Ld

B

Ld

Area Disturbada Ld

P

h

B

Nivel de agua

IsométricaPlanta

Fig. 2.2. Interferencia de napas según Indlekofer & Rouvé (1975)

Debido a que la longitud de interferencia en la punta está en relación con la longitud del

brazo B, y el ángulo de abertura incluido , la interferencia puede ser expresada como

(Indlekofer & Rouvé, 1975):

( ), , ,d h

L f h P f P

= =

(2.1)

Ambos autores determinaron que la longitud de disturbancia Ld , se incrementa linealmente

con la altura de flujo. Para definir el problema, usaron un coeficiente de disturbancia, el

cual se define como:

( ) r

d

C C l

C = (2.2)

Donde:

C r : Coeficiente de descarga reducido para el vertedor causado por la interferencia.C d : Coeficiente de descarga para un flujo a través de un vertedor recto sin interferencia.

La distribución de C(l) a lo largo de la cresta y el valor del coeficiente de disturbancia

medio C m, se muestran en la figura 2.3


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11

B

0

1.0

DisturbanciaZona de

Cm

C =

C r

C d

Ld

Fig. 2.3. Distribución de C(l) a lo largo de la cresta del vertedor

(Indlekofer & Rouvé, 1975)

Indlekofer & Rouvé usaron dos definiciones para la longitud de disturbancia. Una es la

longitud de disturbancia Ld , y la otra es la longitud efectiva de disturbancia Lde. La relación

entre ambas está dada por:

( )/

··

·de m d

3 2

d m

3 Q L 1 C L B

2 C 2gh= = (2.3)

Donde:

B: Longitud de la cresta (un brazo), en metros.

hm: El tirante de agua medido sobre el vertedor, en metros.

B

0

1.0

Longitud de disturbancia efectiva

C =

Lde = Ld(1-Cm)

Ld

C r

C d

Fig. 2.4. Definición de longitudes de disturbancia (Indlekofer & Rouvé, 1975)


27/173


12

Las variables independientes de la ecuación 2.3, B, Q, C d y hm, pueden ser determinados

experimentalmente de modelos físicos, en los cuales el coeficiente de descarga C d , es el

correspondiente a un vertedor recto y es determinado usando una ecuación apropiada según

el tipo de cresta, por ejemplo la ecuación de Rehbock para vertedores con cresta delgada.Físicamente, el significado de Ld y Lde se ilustra en la figura 2.4

La longitud de disturbancia Ld , es la longitud de la cresta sobre la cual la descarga es

afectada por la interferencia. La longitud efectiva de descarga Lde, es la longitud de la cresta

sobre la cual el coeficiente de descarga es igual a cero. El flujo sobre la longitud restante se

da con un coeficiente de descarga igual al de un vertedor recto.

2.1.3

Autolimpieza

Las características de sedimentación y/o auto-limpieza de vertedores laberinto son

importantes para canales que llevan grandes montos de sedimento o material erosionable

aguas arriba. En proyectos ubicados dentro de cursos de agua aluviales o en aquellos que

transportan altos montos de sedimento, el cual puede depositarse aguas arriba del vertedor

laberinto durante los caudales bajo. Como consecuencia, estudios en modelos se han

desarrollado con el objetivo de determinar si el sedimento puede ser transportado hacia

aguas abajo a grandes caudales. A continuación se describen dos estudios que ilustran esta

característica. Uno de ellos fue llevado a cabo en la Universidad del Estado de Colorado

(1976), proyecto “Hellsgate”; y el otro fue desarrollado por el Laboratorio de Hidráulica de

la Universidad Mayor de San Simón (1999) para el proyecto “La Joya”.

2.1.3.1 Caso Hellsgate

En el estudio del modelo del vertedor laberinto Hellsgate se llenaron los canales de aguasarriba del vertedor con grava que correspondía a guijarros de 100 mm de diámetro en el

prototipo. Luego se observaron los montos de socavación tomando como nivel de

referencia el nivel de la cresta. En la figura 2.5, se observan los resultados después de 6.3

minutos de prueba. El tirante sobre la cresta corresponde a un h/P aproximadamente igual a


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13

0.1. La altura de la cresta es 2.12 m (prototipo). La socavación se encuentra por debajo del

nivel del nivel de la base de la cresta porque no se considero una base rígida para los

vertedores.

Fig. 2.5. Socavación aguas arriba de un vertedor laberinto, Auto-Limpieza (Babb,

1976)

Para un tirante correspondiente a un h/P aproximado a 0.4, los procesos de erosión fueron

aun más marcados. Estas pruebas mostraron que el vertedor laberinto es capaz de remover

sedimento de entre los brazos del vertedor y del canal de aproximación.

2.1.3.2 Caso La Joya

Con el objetivo de optimizar la autolimpieza de sedimentos del vertedor laberinto, se

probaron diferentes alternativas, con variaciones en la forma de instalación del vertedor y

un ángulo de inclinación de la cresta. Las alternativas probadas fueron tres, las cuales se

esquematizan en la figura 2.6.


29/173


14

P

a) Vertedor con cresta y base inclinada

PP'

b) Vertedor con cresta cortada hacia aguas arriba

P P'

c) Vertedor con cresta cortada hacia aguas abajo

Flujo

Flujo

Flujo

Fig. 2.6. Alternativas de ángulo de inclinación de la cresta, Proyecto La Joya

(LHUMSS, 1999)

El vertedor con base y cresta inclinadas hacia aguas arriba, consta del mismo vertedor, el

cual se encuentra inclinado hacia aguas arriba manteniendo la parte mas elevada haciaaguas abajo.

Finalizada las pruebas, se observó que esta estructura es menos efectiva en su auto-

limpieza, comparada con la estructura original. Después y durante la prueba, se evidencia la

poca remoción de sedimentos, y la gran deposición en la parte interna y mas elevada de

cada ciclo que conforma el vertedor.

Para el vertedor laberinto con cresta cortada hacia aguas arriba, se utilizo el termino “crestacortada” para referirse a un ángulo de inclinación en la cresta. El vertedor así concebido,

consta de una variación en la altura de la cresta, con menor altura hacia aguas arriba.

En las pruebas se observó que el vertedor tiende a verter sus aguas por las puntas de aguas


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15

arriba, evitando que al interior de los ciclos se originen flujos helicoidales, lo cual incide

negativamente en los montos de sedimento a ser limpiados.

q

q

q

Q

constante

Sub-Cauces

Fig. 2.7. Flujo a través del vertedor laberinto con cresta cortada hacia aguas arriba

(LHUMSS, 1999)

En la figura 2.7 se observa claramente que cada sub-cauce que pasa a través del vertedor,

comienza a verter sus aguas por las puntas de aguas abajo de cada ciclo, y pasadirectamente sin chocar contra las paredes del vertedor. Como consecuencia de esta

situación, no existe turbulencia ni arrastre de sedimentos, como ocurre con el vertedor de

cresta horizontal.

Se concluye que esta alternativa no mejora la auto-limpieza de sedimentos en la zona de

aguas abajo de la estructura.

Para el vertedor laberinto con cresta cortada hacia aguas abajo, se tiene una variación en laaltura de la cresta, con menor altura hacia aguas abajo.

La figura 2.8 muestra un esquema de esta alternativa, donde se observa que las líneas de

corriente, a su paso por el vertedor, colisionan contra las paredes, produciendo flujo


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16

helicoidal al interior de los ciclos, existiendo resuspensión de los sedimentos y auto-

limpieza de la parte interna de los ciclos.

Punto donde se iniciael flujo helicoidalq

q

q

Q

Sub-Cauces

Fig. 2.8. Flujo a través del vertedor laberinto con cresta cortada hacia aguas abajo

(LHUMSS, 1999)

Como conclusión se determinó que esta variante es más favorable y más eficiente en lo que

se refiere a auto-limpieza en la parte de aguas arriba, comparada con los casos anteriores.

Los estudios aquí presentados (Hellsgate y La Joya) han mostrado que un vertedor laberinto

tiene la capacidad de autolimpieza. Esto significa que, cualquier sedimento depositado en

las vecindades del vertedor durante caudales bajos, son erosionados hacia aguas abajo por

la acción turbulenta desarrollada en las esquinas de aguas abajo.

2.1.4 Aireación

El agua desfogada por un vertedor de cresta delgada no está en contacto con el cuerpo de la

cresta en su lado de aguas abajo, donde se encierra una bolsa de aire a consecuencia de la

napa de agua. Continuamente se da una remoción de aire por las aguas efluentes formando

una zona de subpresión. Esta subpresión reduce el radio de las líneas de corriente y pega el


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17

chorro contra la pared de la cresta, que resulta en un aumento en la descarga del vertedor.

Este efecto inicialmente ventajoso tiene el riesgo de producir cavitación y dañar la

estructura (LHUMSS, 1999).

La cavitación, según Falvey (1990) es la formación de burbujas o cavidades dentro de un

fluido cuando este proceso, de pasar del estado liquido a estado gaseoso, se realiza con

cambios en la presión local y manteniendo la temperatura constante.

Así mismo, Indlekofer (1974), esquematiza las condiciones de flujo que pueden presentarse

sobre una cresta de media circunferencia, las cuales se ilustran en la figura 2.9.

Presurizada Atmosférica Cavitante Subatmosférica

Fig. 2.9. Perfiles de aireamiento (Indlekofer, 1974)

En el caso de flujo presurizado, la presión sobre toda la cresta es positiva (mayor a la

atmosférica), semejante a la descarga sobre un vertedor de cresta ogee con bajo tirante de

agua. A medida que el tirante aumenta, un punto es alcanzado en el cual la presión sobre la

cresta es atmosférica. El caso de flujo atmosférico es análogo al tirante de diseño vertido

sobre una cresta ogee. A mayores valores de tirante, la presión sobre la cresta se hace

subatmosférica. Si la napa hacia aguas abajo puede ser aireada, la presión de la cresta se

hará atmosférica. Sin embargo, si la napa no puede ser aireada, entonces se formara un flujo

subatmosférico. Entre estos dos casos, puede formarse paquetes o cavidades de aire, lo cual

es llamado flujo cavitante. El flujo cavitante es usualmente inestable y dependiendo del

nivel de aguas abajo el flujo estará entre atmosférico y subatmosférico.


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18

Wormleaton & Tsang (2000), condujeron estudios de aireación sobre vertedores laberinto.

Las pruebas fueron realizadas sobre vertedores rectos, rectangulares y trapezoidales. En la

figura 2.10 se observa los resultados de estas pruebas expresadas en función de la eficiencia

de aireación E 20 y la altura de caída del chorro P .

Fig. 2.10. Eficiencia de aireación en función de la altura de cresta P (Wormleaton &

Tsang, 2000)

La conclusión mas relevante que se obtiene de la figura anterior es (Wormleaton & Tsang,

2000): Un vertedor rectangular es mas eficiente que un triangular, y un vertedor triangular

es mas eficiente que uno recto, en el mejoramiento de la concentración de oxigeno aguas

abajo (ó eficiencia de aireación). Esta observación es importante porque ilustra el efecto de

la interferencia sobre la aireación en vertedores triangulares.

Para la aireación del vertedor laberinto del proyecto La Joya, ubicado en el río

Desaguadero, el Laboratorio de Hidráulica LHUMSS, optó por colocar una tubería de

aireación al lado derecho del vertedor, que lleva el aire de la superficie del río a la zona de

subpresión. El dimensionamiento de las tuberías de aireación está descrito en Bos (1989).

La implementación de pilares ubicados sobre la cresta, es otra solución que se ha

implementado en diversos proyectos. Hinchliff & Houston (1983) recomiendan que los

pilares sean ubicados a una distancia entre 8% y 10% de la longitud del brazo del vertedor,

medidos desde las puntas de aguas abajo. La altura de los pilares no tiene que ser lo


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19

suficientemente alta para cubrir todo el rango de tirantes de agua, sino solamente el rango

de operación en la fase aireada (Lux, 1989). Este sistema de aireación se ilustra en la figura

2.11.

Fig. 2.11. Pilares de aireación en vertedor laberinto (Houston, 1983)

2.1.5 Diseño de vertedores laberinto

2.1.5.1 Consideraciones generales sobre los parámetros de diseño

Diferentes estudios realizados sobre vertedores laberinto han demostrado que los

parámetros de mayor importancia en el diseño de estas estructuras son, W/L (ancho del

vertedor / longitud total de la cresta), h/P (tirante de agua / altura de la cresta), (ángulo de

abertura), W/P (ancho total del vertedor/altura de la cresta). Otro parámetro, de menor

influencia, es el tipo de cresta. Finalmente, el número de ciclos n no es un parámetro de

importancia en la descarga de vertedores laberinto. Las condiciones de flujo y del canal de

aproximación, son también parámetros con gran influencia en la determinación del


35/173


20

coeficiente de descarga de vertedores laberinto. En los siguientes párrafos se describen

cada uno de los parámetros mencionados.

a) Parámetro h/P . Debido a que el coeficiente de descarga disminuye con el incremento

del tirante, los vertedores laberinto tienen mayor aplicación en situaciones donde el

tirante es pequeño. Lux (1989) recomienda que el valor máximo de h/P está entre 0.45 a

0.50. No obstante, algunos vertedores laberinto han sido diseñados con valores de h/P

mayores a 1. El máximo valor de h/P depende más del modelo con el que los

coeficiente de descarga han sido determinados que algún valor absoluto. Tullis (1995)

determinó coeficientes de descarga para valores de h/P hasta 0.9. Por otro lado, Lux

menciona que un vertedor laberinto se constituye en una solución económica como tal,

para valores de h/P hasta 0.7. Más allá de este valor, existen otros tipos de vertedores en

los que el coeficiente de descarga se incrementa con el incremento en el tirante, tales

como un vertedor tipo Ogee, que puede ser una alternativa más efectiva

económicamente.

b)

Parámetro W/P . Hay & Taylor (1970) recomienda que para minimizar el efecto de la

interferencia de napas, el parámetro W/P debe ser mayor a 2. Para propósitos de diseño

y dimensionamiento inicial (o prediseño), un valor entre 2 y 2.5, es recomendado porLux (1989). Valores de W/P mayores a 2.5, resultan en una estructura más ancha y por

consiguiente menor ganancia en la longitud total de descarga. Valores de W/P menores

a 2 no deben usarse ya que la eficiencia del vertedor laberinto disminuye, esto debido a

que los ciclos no son lo suficientemente amplios para permitir el flujo sin considerable

interferencia de las napas.

c) Parámetro L/W . Lux (1989) indica que para valores de L/W mayores a 6, se obtienen

pequeños incrementos en la eficiencia, a menos que el tirante de agua sea pequeño

(h/P


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21

d) Ángulo de abertura . Este factor es de principal importancia en la determinación de la

eficiencia del vertedor laberinto. Valores pequeños de ángulos de abertura, resultan en

problemas de interferencia de napas ya que el ancho de ciclo disminuye a medida que lohace el ángulo de abertura. Hay & Taylor (1970) manifiestan que los vertedores

triangulares deberían ser usados donde sea posible. Si un vertedor triangular no es

aceptable por alguna razón, un vertedor trapezoidal con un ángulo de abertura no menor

a 1.5T, donde es el ángulo de abertura para un vertedor triangular, puede ser usado sin

pérdidas grandes en la eficiencia del vertedor. El ángulo de abertura se define como el

ángulo que existe entre brazos adyacentes de un vertedor laberinto (ver Fig. 2.1)

e) Ángulo de inclinación de la cresta . Ledezma (1999), realizó pruebas con distintos

vertedores y ángulos de inclinación de cresta, manteniendo constante el ángulo de

abertura . Dicho autor, determinó que para ángulos de inclinación de cresta

aproximadamente mayores a 9º, la eficiencia del vertedor incrementa en comparación

de un ángulo igual a 0º. Este incremento se produce solamente en condiciones

aireadas y para valores de h/P aproximadamente menores a 0.5. Adicionalmente,

LHUMSS (1999) determinó que la inclusión del ángulo de inclinación en la cresta

mejora las propiedades de auto-limpieza del vertedor laberinto. Similarmente, Alfaro(2004), realizó un estudio para la determinación de coeficientes de descarga en

vertedores laberinto, donde se incluyó un grupo de vertedores con ángulo de inclinación

de cresta, los cuales, una vez más presentaron mayor eficiencia en cuanto a aireación

respecto a vertedores sin inclinación de cresta.

f)

Tipo de cresta. Bajo condiciones sumergidas, el coeficiente de descarga tiende a ser

independiente del tipo de cresta (Lux, 1989). En consecuencia, el uso de complejostipos de cresta es innecesario cuando los vertedores podrían trabajar bajo dichas

condiciones. Los tipos de cresta, afilada, de cuarta y media circunferencia son los más

comunes y su uso mejora la eficiencia de los vertedores siempre que estos funcionen en

la fase aireada.


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g) Condiciones de flujo en el canal de aproximación. Debido a su forma en planta y su

gran capacidad de descarga, el vertedor laberinto es particularmente afectado por las

condiciones de flujo en el canal de aproximación. Según Lux (1989), dos factores

principales afectan la eficiencia del vertedor: la dirección del flujo en el canal de

aproximación respecto del eje longitudinal de los ciclos del vertedor, y la forma de las

estructuras, o topografía, existente a la entrada aguas arriba del vertedor. La orientación

óptima para el vertedor, se sitúa con su eje longitudinal paralelo a las líneas de flujo.

Esta configuración produce una distribución de flujo uniforme sobre el vertedor, de tal

forma que, cada ciclo trabaja bajo las mismas condiciones. Sin embargo, algunos

vertedores laberinto instalados en canales están orientados con un cierto ángulo respecto

de su eje longitudinal, con pequeñas perdidas en su eficiencia. Como ejemplos se puede

citar, el vertedor laberinto de la presa de Hyrum en Denver Colorado y el vertedor

laberinto del proyecto La Joya en el río Desaguadero en Bolivia.

2.1.5.2 Curvas de Diseño

Varios investigadores han desarrollado curvas para diseño de vertedores laberinto. Algunos

usan la altura de agua sobre la cresta y otros la altura total aguas arriba (la altura de agua

más la altura de velocidad). Algunas curvas son para vertedores ubicados en canal, y otros

son para vertedores ubicados al inicio de canales (presas). Algunas de las más comunes

curvas de diseño se exponen a continuación.

a) Hay & Taylor (1970)

En los experimentos desarrollados por Hay & Taylor (1970), la descarga fue considerada en

términos adimensionales, dividiendo la descarga a través del vertedor laberinto entre la

descarga sobre un vertedor recto, para un mismo ancho de canal. De esta manera, una

familia de curvas que representa las características dadas es:

( ) L N

Q h f PQ

= (2.4)


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Donde:

QL: Descarga total a través del vertedor laberinto.

QN: Descarga a través de un vertedor recto con el mismo ancho del vertedor

laberinto.h: Tirante de agua sobre la cresta.

P: Altura de la cresta.

Las curvas de diseño preparadas por Hay & Taylor (1970) se muestran en la figura 2.12.

Estas curvas son para vertedores laberinto ubicados en canales.

Fig. 2.12. Curvas de diseño para vertedores a)Trapezoidales y b)Triangulares (Hay &

Taylor, 1970)

La descarga para un vertedor recto en estos estudios fue determinada con la ecuación de

Kindsvater & Carter (1959):

/· · 3 2k k e eQ C L h= (2.5)


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Donde el coeficiente de descarga C k viene por:

. .k h

C 3 22 0 40 P

= + (2.6)

La longitud equivalente de cresta Leq, está dado por:

.eq L L 0 003= (2.7)

Y la altura de agua sobre la cresta está dada por:

.eqh h 0 003= + (2.8)

Donde:

Leq: Longitud de cresta equivalente, en pies.

heq: Altura de agua equivalente, en pies.

Las unidades empleadas en las ecuaciones 2.5 a 2.8 son pies y segundos. Las correcciones a

la longitud y la altura de agua, hacen diferencia solo en valores pequeños de h/P que

pueden ser observados en modelos físicos. Para dimensiones de prototipos, estas

correcciones son despreciables, pero en un modelo con pequeños tirantes, estas

correcciones son significativas.

b) Afshar (1988)

Afshar (1988) comenta que las pruebas efectuadas por Lux & Hinchliff (1985), fueron

realizados en vertedores de cresta redondeada. Un estudio similar al realizado por Lux fue

llevado a cabo empleando vertedores de cresta delgada. Los cálculos del caudal de descarga

son similares a los descritos por Lux & Hinchliff (1985). Las curvas de diseño

determinadas para vertedores triangulares y trapezoidales, se ilustran en la figura 2.13

Lux & Hinchliff (1985) y Afshar (1989), definen cuatro fases por las que el flujo pasa a

medida que el tirante de agua aumenta. Estas cuatro fases han sido denominadas:

totalmente aireada, parcialmente aireada, transicional y sumergida.


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Fig. 2.13. Curvas de diseño para vertedores a)triangulares y b)trapezoidales (Afshar,

1989)

En la fase totalmente aireada , el flujo cae libremente sobre toda la longitud de la cresta. El

tirante es pequeño, y, ni el espesor de la napa, ni las condiciones de aguas abajo tienenefecto alguno en el coeficiente de descarga. En esta fase, el vertedor se comporta casi

idealmente comparado a un vertedor recto.

A medida que el tirante se incremente sobre la cresta, el chorro crece y las napas convergen

entre si en las puntas de aguas arriba. Esta interferencia de las napas dificulta la aireación

en las puntas. El comienzo de la interferencia de napas define el inicio de la fase

parcialmente air eada . Debido a la interferencia de napas, el flujo en las puntas de aguas

arriba se hace sumergido y el aire bajo la napa es desplazado hacia las puntas aguas abajo

para mantener la aireación. Un paquete de aire estable se forma a lo largo de los brazos del

vertedor y en las puntas de aguas abajo.

Para un mayor incremento en el tirante de agua, la napa se hace sumergida en varios


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lugares a lo largo de la cresta. El paquete de aire estable se divide en paquetes de aire más

pequeños que intermitentemente se mueven hacia las puntas de aguas arriba. Este es el

inicio de la fase transicional . Visualmente es difícil distinguir entre la fase parcialmente

aireada y la fase transicional, pero la región de transición puede ser fácilmente identificadacomo una discontinuidad en la curva del coeficiente de descarga (Fig. 2.13).

Finalmente, cuando el flujo sobre la cresta forma una napa no aireada, el flujo se encuentra

en la fase sumergida . A medida que el tirante sobre la cresta se incrementa aun más, esto

lleva a la sumergencia total del vertedor laberinto. El vertedor laberinto estará

completamente sumergido cuando el nivel de aguas abajo se encuentre por encima del nivel

de la cresta (Hay & Taylor, 1970).

c)

Tullis (1995)

La siguiente figura muestra las curvas de diseño para diversos ángulos de abertura

Fig. 2.14. Curvas de diseño (Tullis, 1995)


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Tullis (1995) definió un coeficiente de descarga que usa la altura total de agua sobre la

cresta. La ecuación de descarga propuesta es:

.1 5 L T

2Q C L 2 g Ho3

= (2.9)

Los coeficientes de descarga para vertedores triangulares mostrdos en la figura 2.17., están

en función de el ángulo que el brazo del vertedor forma con la dirección del flujo (mitad del

ángulo de abertura ).

Los datos graficados fueron ajustados a una ecuación de la forma:

2 3 4o o o o

T 1 2 3 4 5

H H H H C A A A A A

P P P P

= + + + +

(2.10)

Los coeficientes de A se muestran en la siguiente Tabla 2.1.

Tabla 2.1. Coeficientes para curvas de diseño (Tullis, 1995)

F A1 A2 A3 A4 A56 0.49 -0.24 -1.20 2.17 -1.03

8 0.49 1.08 -5.27 6.79 -2.8312 0.49 1.06 -4.43 5.18 -1.9715 0.49 1.00 -3.57 3.82 -1.3818 0.49 1.32 -4.13 4.24 -1.5025 0.49 1.51 -3.83 3.40 -1.0535 0.49 1.69 -4.05 3.62 -1.1090 0.49 1.46 -2.56 1.44 0.00

Para determinar valores intermedios del ángulo T, se debe calcular los coeficientes de

descarga para dos ángulos adyacentes y luego interpolar entre estos valores. No debeninterpolarse los coeficientes A. Los coeficientes de descarga para vertedores laberinto son

validos en el rango de H o /P con límite superior igual a 0.9. Para vertedores rectos este

límite es de 0.7. Estos límites no son restrictivos ya que el diseño es generalmente limitado

para un valor de H o /P menor a 0.7.


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d) Alfaro (2004)

Alfaro (2004) definió un coeficiente de descarga que usa la altura de agua sobre la cresta.

La ecuación de descarga propuesta es:

.1 5 L d

2Q C L 2 g H

3= (2.11)

Los coeficientes de descarga para vertedores triangulares se muestran en la figura 2.15., en

función de el ángulo de inclinación de cresta, para un ángulo de abertura igual a 60º.

Cd Vs Ho/P

0.570

0.590

0.6 10

0.630

0.650

0.670

0.690

0.7 10

0.730

0.750

0 .10 0 0.120 0.14 0 0.16 0 0 .180 0.2 0 0 0 .22 0 0 .2 40 0 .2 60 0.28 0 0.3 0 0

Ho/P

C d

Fig. 2.15. Curvas de diseño (Alfaro, 2004)

Los datos graficados fueron ajustados a una ecuación de la forma:

(2.12)

Los coeficientes de A se muestran en la siguiente Tabla 2.2.

2 3

o o o1 2 3 4

H H H Cd A A A A

P P P

= + + +

G=0ºG=3º

G=9º

G=6º


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Tabla 2.2. Coeficientes para curvas de diseño (Alfaro, 2004)

G A1 A2 A3 A40 1.03 -1.85 1.26 0.49

3º 1.99 -2.96 1.51 0.476º 1.20 -1.78 0.92 0.569º 1.65 -2.55 1.28 0.50

2.2 Procesos morfológicos asociados a vertedores

A continuación, se hace un breve descripción de los procesos morfológicos asociados a

vertedores en general.

2.2.1 Erosión y Socavación

La erosión en un cauce es el descenso del fondo debido al transporte de partículas

acumuladas como consecuencia de los fenómenos de dinámica fluvial naturales o

suscitados por obras del hombre (Vide, 2003).

Se denomina socavación al resultado de los procesos erosivos causados por el flujo del

agua, se pueden distinguir dos tipos de socavación, socavación general y socavación local.

2.2.1.1 Socavación general

La socavación general es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la

dinámica de las corrientes. Es un fenómeno a largo plazo, sin embargo, eventos extremos,

como ser una crecida pueden acelerarlo (Urquieta, 2003; Romero, 2004). La socavación

general del fondo se puede explicar por la acción de un flujo de agua caracterizado

simplemente por una velocidad media (Vide, 2003). Afecta a tramos largos del cauce ysería la única o primordial en un cauce recto, prismático y sin ninguna singularidad.

En la medida que el flujo arrastra más material, alcanza rápidamente su capacidad potencial

de arrastre, el mismo que es función de la velocidad. En ese punto ya no produce


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30

socavación, la sección, orillas y fondo son estables.

2.2.1.2 Socavación local

Este fenómeno se presenta en sitios particulares del cauce, y es ocasionado por el paso de

las crecidas y por el efecto de obras civiles como ser pilas y estribos de puentes, obras de

encauzamiento, obras transversales de control, etc. (Romero, 2004). La socavación local del

fondo se explica por la acción de un flujo más complejo, que en una sección de la corriente

requeriría una descripción bidimensional de las velocidades (Vide, 2003). Se presenta

asociada a obstáculos y afecta a una pequeña extensión del lecho. El flujo local tiene una

fuerte turbulencia y desarrolla vórtices.

Los casos más típicos de socavación localizada son aquellos que se dan al pie de taludes;

alrededor del pilas y estribos de puentes o inmediatamente aguas abajo de un embalse o

vertedor. El embalse o vertedor retiene casi la totalidad del transporte solidó del rió, así, el

agua que es descarga aguas abajo de la estructura está casi totalmente libre de sedimentos,

teniendo por lo tanto una capacidad de erosión considerable.

La erosión local aguas abajo de un vertedor recto es más aguda cuanto más

perpendicularmente incide el agua sobre el lecho (Vide, 2003). El proceso de erosión es

particularmente complejo y depende de la interacción de factores hidráulicos y

morfológicos. El principal peligro de este tipo de socavación local es la vulnerabilidad de la

estabilidad de la estructura, ya sea debido a una falla estructural o a la filtración

incrementada (Breusers y Raudkivi, 1991).

2.2.2 Agradación

La agradación es el proceso que ocurre cuando la capacidad de transporte es superada, cesa

o no es alcanzada (Romero, 2004). Una deposición de sedimento ocurre cuando la

velocidad de arrastre y la turbulencia disminuyen (Van Rijn, 1986), y cuando la carga de

sedimentos es mayor que la energía del río. A medida que el flujo avanza fuera de la zona


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31

de erosión local, las velocidades disminuyen y la corriente deposita el material que

transporta.

2.3

Medidas de protección

El control de la erosión puede ser proporcionado por diversos materiales y métodos. A

continuación se describen dos métodos de protección, uno de ellos es el de revestimiento de

enrocado o Rip-Rap, y el otro es acerca del método de estanques amortiguadores.

2.3.1 Revestimiento de enrocado o Rip-Rap

El Rip-Rap se describe como una capa o superficie de roca, lanzada o colocada

manualmente para prevenir la erosión, socavación o desgaste de una estructura o terraplén.

Otros materiales descritos como Rip-Rap son por ejemplo, roca fragmentada, escombros de

edificios o pedazos de concreto, y formas prefabricadas de concreto. Estos materiales son

similares a la roca y pueden ser lanzados o colocados manualmente en un terraplén para

formar un revestimiento flexible.

El Rip-Rap o enrocado lanzado son piedras gradadas colocadas en un terraplén de tal

manera que forman una capa de piedras sueltas; estas piedras pueden ajustarse a

movimientos del material de la base.

El enrocado colocado manualmente, consiste en piedras puestas cuidadosamente a mano o

por maquinaria que siguen un patrón definido; los espacios entre piedras grandes son

rellenados con piedras pequeñas quedando una superficie relativamente uniforme. La

necesidad de trabar piedras manualmente, requiere que la piedra sea relativamente uniforme

en tamaño y forma (cuadrada o rectangular).

En la figura 2.16 se ilustra los dos tipos de colocado de Rip-Rap.

El procedimiento básico de diseño involucra principalmente la determinación del tamaño

de la roca del revestimiento de enrocado o rip-rap, y varios otros parámetros como la


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32

longitud de protección, la gradación del rip-rap, y el espesor del revestimiento.

Fig. 2.16. Tipos de colocado de Rip-Rap a)lanzado y b)manualmente (Brown &Clyde, 1989)

Los parámetros de diseño para revestimiento de enrocado, y el procedimiento de diseño

están descritos en Scott A. Brown & Eric S. Clyde, 1989, “Design of Rip-Rap Revetment”,

U.S Department of Transportation – Federal Highway Administration, Marzo 1989. Brown

& Clyde (1989), proponen una metodología para la determinación del diámetro medio de

partícula del rip-rap, basados en la teoría de la fuerza tractiva y considerando a la velocidad

de flujo como su principal parámetro.

2.3.2 Estanques amortiguadores

Son dispositivos para reducir la velocidad de flujo a la salida de embalses o vertedores

antes que este retorne al canal del río. En situaciones donde la energía del flujo a la salida

de un vertedor debe ser disipada antes que retorne al canal del río, los estanques

amortiguadores son un adecuado dispositivo para reducir la velocidad de salida a un estado

tranquilo. El resalto que ocurre en un estanque amortiguador tiene distintas características y

asume una forma definida, dependiendo de la relación entre la energía de flujo que debe ser

disipada y la profundidad de flujo. La U.S. Bureau of Reclamation ha desarrollado una

serie de pruebas para determinar las propiedades de dicho resalto hidráulico. La forma del


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33

resalto y las características del flujo pueden ser relacionadas al número de Froude. Los

estanques amortiguadores propuestos por la USBR (1984), tienen distintas aplicaciones que

dependen del tipo de estructura que descarga el agua, y primordialmente del tipo de resalto

(número de Froude) asociado a la salida de estas estructuras.

Por otro lado, debido al complejo flujo tridimensional a la salida del vertedor laberinto, la

distribución de velocidades se hace irregular y por tanto la determinación del número de

Froude de difícil a imposible. Savage, Frizell, y Crowder (2005), realizaron la modelación

del flujo sobre un vertedor laberinto a través de un modelo computacional CFD (FLOW-

3D). Con la finalidad de ilustrar la distribución de velocidades a la descarga de un vertedor

laberinto, determinaron las graficas que se observan en la figura 2.17.

Fig. 2.17. Esquema en corte de la distribución de velocidades en un vertedor laberinto

según Savage, Frizell, y Crowder (2005) con el uso de FLOW-3D

Una alternativa de estanque amortiguador introducido por Perterka (1984) se muestra en la

figura 2.18. Cuando el flujo es considerablemente turbulento e irregular, las altas energías

pueden ser disipadas con el uso de este tipo de estructuras. El comportamiento hidráulicode este tipo de disipador es manifestado principalmente por la formación de remolinos en la

parte curva del estanque. El movimiento de estos remolinos junto con el efecto mezclador

del flujo entrante, efectivamente disipan la energía del agua y previene la excesiva erosión

hacia aguas abajo (Peterka, 1984). A manera de ilustración, en la figura 2.18 se muestra un


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esquema de este tipo de estanque amortiguador.

Fig. 2.18. Esquema de un estanque amortiguador curvo (Peterka, 1984)

El diseño de estas estructuras envuelve la determinación de radios de curvatura, u otras

características principalmente relacionadas a su configuración geométrica, así como el

rango funcionamiento en cuanto a profundidades de flujo a los que estará expuesto.

Los métodos de rip-rap y estanques amortiguadores serán analizados en el Capítulo 5 con la

finalidad de obtener resultados aplicables a vertedores laberinto.


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35

Capítulo 3

PLANIFICACIÓN, DISEÑO, CONSTRUCCIÓN

E IMPLENTACIÓN DEL MODELO EXPERIMENTAL

3.1 Planificación y diseño del modelo

La planificación del modelo utilizado en la etapa experimental del estudio, se dividió en

seis etapas, las mismas definen las condiciones de borde o alcance del trabajo. Estas etapas

se describen a continuación.

3.1.1 Determinación del área de trabajo

El canal de sección rectangular y pendiente regulable instalado en el laboratorio de

hidráulica LHUMSS dividido en tres tramos los cuales se observan claramente en una vista

en planta del mismo (Fig. 3.1). A lo largo de los 18 m de longitud total que posee, en los

primeros 5.7 metros se encuentra un bloque de concreto alivianado con espesor de 15 cmsobre la base del canal, los siguientes 4.5 m están destinados para implementación del

modelo y material del lecho (15 cm de espesor) a ser usados en las pruebas. A continuación

se encuentra otro bloque de concreto alivianado con espesor de 15 cm y que se extiende 5.0

m hacia aguas abajo terminado en el lugar donde ubicado el desarenador del canal. La

sección del canal es rectangular e uniforme con 0.8 m de ancho en toda su longitud y 1.2 m

de longitud.

Se ubicaron los vertederos a una distancia de 1.50 m hacia aguas abajo medidos desde la

parte final del primer bloque de concreto, es decir, el material del lecho utilizado fue

colocado tanto aguas arriba como aguas abajo de la estructura. La longitud del lecho aguas

abajo varia desde 2.35 a 2.67 m aproximadamente, según las dimensiones del vertedor que

se estudie.


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Capítulo 3 Planificación, diseño, construcción e implementación del modelo experimental

36

5.7 m4.5 m5.0 m

Desarenador

2.8m

18m

FLUJO

5.7 m4.5 m5.0 m

Bloque de concreto alivianado

Bloque de concreto alivianado

2.8m

Bloque de concretoAlivianado Material del lecho 0

. 1 5 m

a) Planta

b) Elevación

FLUJOBloque de concreto

AlivianadoDesarenador

Tuberia desuministro de caudal

Fig. 3.1. Esquema del área de trabajo en canal, a) Planta y b) Elevación

3.1.2

Selección de la pendiente del canal

La pendiente dispuesta se mantendrá constante durante la realización de todas las pruebas

programadas. Se seleccionó un valor de 0.1% tomando en consideración la función

principal que tiene un vertedor, la cual es la de subir el nivel de aguas para fines de reserva

y aprovechamiento.

Fig. 3.2. Compuerta elevada para cumplir con la co

estudio de procesos de erosion aguas abajo de vertedores laberinto

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