estudio experimental de cuencos amortiguadores en aliviaderos

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL: HIDRAULICA Y ENERGETICA

ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS,

CANALES Y PUERTOS

ESTUDIO EXPERIMENTAL DE CUENCOS

AMORTIGUADORES EN ALIVIADEROS CON CAJEROS

ALTAMENTE CONVERGENTES

Autor:

Eduardo Martnez Olmos Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Directores:

Dr. Miguel Angel Toledo Municio

Dr. Eduardo Martnez Marn

2011

TESIS DOCTORAL

ESTUDIO EXPERIMENTAL DE CUENCOS AMORTIGUADORES EN

ALIVIADEROS CON CAJEROS ALTAMENTE CONVERGENTES Presentada por:

D. Eduardo Martnez Olmos

Dirigida por:

Dr. Miguel ngel Toledo Municio

Dr. Eduardo Martnez Marn

TRIBUNAL ENCARGADO DE JUZGAR LA TESIS DOCTORAL: Presidente: ________________________________________________________________________ Vocales: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Vocal Secretario: ________________________________________________________________________ Calificacin: Madrid, _______ de______________ de 2011

Resumen ______________________________________________________________________________________________________________

RESUMEN La normativa en relacin a la seguridad de presas y embalses es cada vez ms exigente, obligando en muchos casos a reducir el volumen de embalse utilizable o a la ampliacin de los aliviaderos existentes. Una posibilidad, para ampliarlos, es la utilizacin al mximo de la longitud de la coronacin como vertedero. Esta tipologa, implica utilizar unos aliviaderos laterales, que recojan el caudal vertido sobre la coronacin y lo restituyan al cuenco, habitualmente de anchura inferior a la longitud de vertido.

Esta tesis estudia, mediante un dispositivo experimental, parmetros bsicos del funcionamiento de la estructura hidrulica formada por los aliviaderos altamente convergentes, conjuntamente con el impacto de chorros y el resalto en la reincorporacin al cauce. El dispositivo experimental ha sido desarrollado en el Laboratorio de Hidrulica de la E.T.S.I. de Caminos, C. y P. de la Universidad Politcnica de Madrid. Dicho dispositivo experimental es un aliviadero de 1 metro de ancho y un mximo de 4 metros de aliviadero lateral, sobre una presa tipo gravedad con talud 0,8:1 que vierte sobre una restitucin horizontal donde se forma un resalto.

Los parmetros bsicos analizados son el caudal total circulante, la relacin entre la longitud de los aliviaderos laterales y el central, as como, el calado en la reincorporacin al cauce.

Los resultados de las medidas tomadas en el dispositivo experimental han sido estudiados por medio del anlisis dimensional y con mtodos estadsticos. A partir de estos anlisis se ha desarrollado una nueva formulacin, que relaciona la eficacia del resalto que se produce a pie de presa en funcin del factor de lateralidad (relacin entre el caudal vertido por aliviaderos laterales y el central) y el calado en la reincorporacin.

As mismo, desde el punto de vista prctico, se presenta una funcin que relaciona el sobreancho necesario en la reincorporacin y el factor de lateralidad.

Finalmente, se han comparado las medidas obtenidas en el dispositivo experimental con los resultados obtenidos con el modelo matemtico bidimensional InfoWorks RS 2D. La comparacin de los resultados entre el dispositivo experimental y el modelo matemtico permiten probar que son muy similares.

Abstract ______________________________________________________________________________________________________________

ABSTRACT

Regulations concerning the safety of dams and reservoirs are increasingly demanding, requiring in many cases to reduce the amount of usable reservoir or to increase the existing spillways. One way to increase them is to use the maximum length of the coronation as a spillway. This typology involves using a lateral overflow to collect the spill flow and to restore it to the stilling basin, usually narrower than the length of discharge.

This thesis analyses, using an experimental setup, basic parameters of the operation of the hydraulic structure, compound by highly converging spillways, together with the impact of jets and the hydraulic jump in the restitution to the river. The experimental setup has been developped at the Hydraulics Laboratory of the Civil University of the Polytechnic University of Madrid. This experimental setup is a 1 meter wide spillway and up to 4 meters of lateral overflow on a gravity dam of 0.8:1 slope that drains onto a horizontal restitution where it forms a hydraulic jump. The basic parameters considered are the total discharge, the relationship between the length of the lateral and the central spillway and the depth at the restitution.

The results of the measures taken on the experimental setup have been studied using dimensional analysis and statistical methods. Due to this analysis, a new formulation has been developed, relating the effectiveness of the hydraulic jump which occurs at foot of the dam as a function of laterality factor (ratio of the lateral flow vs. central flow on the spillway) and depth at the restitution. Also, from the practical standpoint, a new function has been developed relating the necessary widening of the hydraulic jump and the factor of laterality.

Finally, the measures taken on the experimental setup have been compared with the results obtained with the two-dimensional mathematical model InfoWorks RS2D. The comparison of the results between the experimental and the mathematical model prove that they are very similar.

Agradecimientos ______________________________________________________________________________________________________________

Agradecimientos

A los directores de tesis profesores D. Miguel ngel Toledo Municio y D. Eduardo Martnez Marn

por su constante ayuda, apoyo y nimo a lo largo de todos estos aos de trabajo y sobre todo por su

paciencia y confianza en m.

A mi mujer Amparo por su apoyo, su compresin y facilitarme el tiempo necesario para dedicarme a

esta tesis.

Al personal del Laboratorio de Hidrulica de la E.T.S.I. de Caminos, C. y P. de la Universidad

Politcnica de Madrid y en concreto al Profesor D. Francisco Laguna su apoyo y colaboracin y a D.

Gregorio Fernndez por su trabajo especializado.

Al personal del Departamento y en concreto los profesores D. Luis Garrote, D. Jess Fraile, D. Jos

Romn Wilhelmi y D. Jos ngel Snchez su apoyo, paciencia y colaboracin y a Elisa por su

amabilidad y contribucin a la parte administrativa.

A D. Vctor Elviro del Laboratorio de Hidrulica del CEDEX.

A toda mi familia por su apoyo y en concreto a mi madre Elena y mi hermano Ignacio y su esposa

Paloma por sus constantes nimos.

A mi mujer y a mis hijos

CONTENIDOS I

ESTUDIO EXPERIMENTAL DE CUENCOS AMORTIGUADORES EN ALIVIADEROS CON CAJEROS

ALTAMENTE CONVERGENTES

NDICE II

NDICE

CAPTULO 1. INTRODUCCIN ....................................................................1

1.1. ANTECEDENTES.............................................................................................. 1 1.2. JUSTIFICACIN Y MOTIVACIN ....................................................................... 1 1.3. OBJETIVOS GENERALES .................................................................................. 2 1.4. ORGANIZACIN DE LA TESIS............................................................................ 3

CAPTULO 2. ESTADO DEL ARTE ...............................................................4

2.1. INTRODUCCIN .............................................................................................. 4 2.2. VERTEDEROS DE LABIO FIJO. ........................................................................... 5

2.2.1. Efecto de las pilas y estribos.-........................................................................................................... 9 2.2.2. Efectos de interferencia aguas abajo del pie del vertedero ............................................................ 11

2.3. ALIVIADEROS LATERALES ............................................................................. 13 2.3.1. Planteamiento terico ..................................................................................................................... 14 2.3.2. Ecuacin Dinmica......................................................................................................................... 15 2.3.3. Anlisis del Perfil de Flujo.............................................................................................................. 18 2.3.4. Mtodo de Integracin Numrica.................................................................................................... 19 2.3.5. Inclusin de las ecuaciones de energa........................................................................................... 20 2.3.6. Formulacin Hidrulica ................................................................................................................. 22 2.3.7. Variacin de coeficiente en el canal ............................................................................................ 23 2.3.8. Parmetros que condicionan el rgimen hidrulico en canales laterales ...................................... 24

2.4. CUENCOS AMORTIGUADORES ....................................................................... 25 2.4.1. El resalto hidrulico ....................................................................................................................... 25 2.4.2. Cuenco amortiguador ..................................................................................................................... 28

2.5. CONFLUENCIA DE FLUJOS EN CAUCES ABIERTOS............................................ 36 2.5.1. Introduccin .................................................................................................................................... 36 2.5.2. Planteamiento hidrulico en rgimen subcrtico ............................................................................ 37 2.5.3. Planteamiento hidrulico en rgimen supercrtico ......................................................................... 44

CAPTULO 3. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL .............................................. 47

3.1. MODELO FSICO ............................................................................................ 47 3.2. SEMEJANZA HIDRULICA.............................................................................. 50 3.3. DISPOSICIN DE LA INSTRUMENTACIN Y ELEMENTOS AUXILIARES................. 50

CAPTULO 4. ENSAYOS REALIZADOS....................................................... 52

4.1. INTRODUCCIN. ........................................................................................... 52 4.2. ENSAYOS SOBRE EL MODELO-1...................................................................... 52

4.2.1. Situacin de los instrumentos de medida ........................................................................................ 52 4.2.2. Metodologa de los ensayos ............................................................................................................ 54 4.2.3. Ensayos realizados.......................................................................................................................... 58 4.2.4. Ensayos de referencia ..................................................................................................................... 58 4.2.5. Ensayos con vertido lateral de dos vanos de 0,50 m....................................................................... 59 4.2.6. Conclusiones obtenidas de los ensayos realizados en el modelo 1 ................................................. 59

NDICE III

4.3. ENSAYOS SOBRE EL MODELO-2...................................................................... 60 4.3.1. Situacin de los instrumentos de medida ........................................................................................ 60 4.3.2. Metodologa de los ensayos ............................................................................................................ 62 4.3.3. Proceso de medida en los ensayos realizados................................................................................. 64 4.3.4. Ensayos realizados.......................................................................................................................... 67

CAPTULO 5. RESULTADOS DE ENSAYOS................................................. 68

5.1. INTRODUCCIN. ........................................................................................... 68 5.2. CLCULOS REALIZADOS................................................................................ 68

5.2.1. Distribucin de caudales................................................................................................................. 68 5.2.2. Clculo de los calados aguas abajo................................................................................................ 72 5.2.3. Prdidas de energa en el paramento del vertedero central ........................................................... 74 5.2.4. Prdidas de energa en el paramento de los vertederos laterales................................................... 77

CAPTULO 6. MODELOS MATEMTICOS. CONTRASTE DE RESULTADOS .... 82

6.1. INTRODUCCIN ............................................................................................ 82 6.2. MODELO MATEMTICO UTILIZADO ................................................................ 82 6.3. PARMETROS UTILIZADOS EN EL MODELO MATEMTICO................................ 82

6.3.1. Datos geomtricos de definicin del modelo................................................................................... 82 6.3.2. Datos hidrulicos. ........................................................................................................................... 84 6.3.3. Condiciones de contorno................................................................................................................. 86

6.4. DEFINICIN DEL MODELO MATEMTICO. ........................................................ 86 6.5. CONTRASTE DEL MODELO MATEMTICO CON MODELO FSICO. ....................... 87

6.5.1. Modelos con vertido slo por el cauce central. .............................................................................. 88 6.5.2. Modelos con vertido por el cauce central y aliviaderos laterales................................................... 92 6.5.3. Anlisis del ancho eficaz............................................................................................................. 93 6.5.4. Conclusiones relacin ancho eficaz con caudal del vertedero central....................................... 97

CAPTULO 7. CONCLUSIONES.................................................................. 99

7.1. INTRODUCCIN. ........................................................................................... 99 7.2. ANLISIS DIMENSIONAL Y RELACIONES FUNCIONALES...................................100 7.3. ANLISIS CON REGRESIN LINEAL. ...............................................................101

7.3.1. Prdida de energa en el resalto en funcin de la longitud del aliviadero lateral. ....................... 101 7.3.2. Prdida de energa en el resalto en funcin de la relacin de QL/Q............................................. 104 7.3.3. Regresiones lineales entre eficacia del resalto y la relacin de a*a*v/Q..................................... 105 7.3.4. Relacin entre el valor de a y QL/Q. ......................................................................................... 106 7.3.5. Relacin entre QC/Q y el parmetro a*a*v/Q.............................................................................. 107

7.4. ANLISIS CON REGRESIN LINEAL MLTIPLE .................................................107 7.4.1. Relacin funcional. ....................................................................................................................... 108

7.5. MODELIZACIN MATEMTICA DE ALIVIADEROS ............................................109

CAPTULO 8. APORTACIONES ORIGINALES Y FUTURAS LNEAS DE

INVESTIGACIN .................................................................................... 110

8.1. APORTACIONES ORIGINALES. .......................................................................110 8.2. FUTURAS LNEAS DE INVESTIGACIN............................................................113

NDICE IV

SMBOLOS Y NOTACIN........................................................................ 114

BIBLIOGRAFA ....................................................................................... 119

NDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 Esquema de un vertedero de labio fijo con canales laterales y cuenco amortiguador ........... 5 Figura 2.2 Perfiles tericos de vertedero de labio fino............................................................................ 6 Figura 2.3 Perfil tipo Bradley.................................................................................................................. 7 Figura 2.4 Caractersticas de un vertedero estricto ................................................................................. 8 Figura 2.5 Coeficientes de vertido en funcin del calado en la zona de aproximacin ........................ 10 Figura 2.6 Variacin del coeficiente de vertido con el ngulo del paramento de aguas arriba ............. 10 Figura 2.7 Efecto de interferencia aguas abajo del pie del vertedero.................................................... 11 Figura 2.8 Relacin entre coeficientes de desage modificado y libre ................................................. 12 Figura 2.9 Esquema general de funcionamiento de un aliviadero lateral.............................................. 14 Figura 2.10 Flujo de un vertedero sobre canal lateral ........................................................................... 15 Figura 2.11 Ecuacin del resalto ........................................................................................................... 25 Figura 2.12 Longitud del resalto ........................................................................................................... 28 Figura 2.13 Formas tpicas del resalto hidrulico en funcin del nmero de Froude ........................... 29 Figura 2.14 Relacin entre las variables en un resalto hidrulico en canal rectangular ........................ 31 Figura 2.15 Caractersticas de alternativas de cuenco amortiguador con bajo nmeros de Froude ...... 32 Figura 2.16 Caractersticas del cuenco amortiguador para nmeros de Froude mayores de 4,5........... 33 Figura 2.17 Caractersticas del cuenco amortiguador tipo III para nmeros de Froude altos ............... 34 Figura 2.18 Caractersticas del cuenco amortiguador tipo IV para nmeros de Froude entre 2,5 y 4,5 35 Figura 2.19 Esquema de una confluencia de flujos en cauces abiertos ................................................. 37 Figura 2.20 Esquema de una confluencia de flujos en cauces abiertos ................................................. 44 Figura 3.1 Planta y numeracin de piezmetros ................................................................................... 51 Figura 4.1 Disposicin de los puntos de medida y rea de toma de datos de velocidad con el NDV... 53 Figura 4.2 Hoja de ensayo del Modelo 1............................................................................................... 57 Figura 4.3 Disposicin de los puntos de medida con limnmetros........................................................ 61 Figura 4.4 Disposicin de los puntos de medida en el modelo-2 .......................................................... 62 Figura 4.5 Variables geomtricas e hidrulicas del modelo-2............................................................... 63 Figura 4.6 Hoja de ensayos tipo B en el modelo-2................................................................................ 65 Figura 4.7 Hoja de ensayos tipo C en el modelo-2................................................................................ 66 Figura 5.1 Curva de capacidad para el vertido slo por el vano central................................................ 69 Figura 5.2 Distribucin de caudales entre el aliviadero central y laterales del 50% del central ........... 69 Figura 5.3 Distribucin de caudales entre el aliviadero central y laterales del 100% del central ......... 70 Figura 5.4 Distribucin de caudales entre el aliviadero central y laterales del 200% del central ......... 70 Figura 5.5 Distribucin de caudales entre el aliviadero central y laterales del 300% del central ......... 71 Figura 5.6 Distribucin de caudales entre el aliviadero central y laterales del 400% del central ......... 71 Figura 5.7 Ajuste polinmico de calados en la seccin 1 para Q=30 l/s ............................................... 73 Figura 5.8 Ajuste lineal de calados en la seccin 1 para Q=30 l/s ........................................................ 73 Figura 5.9 Esquema de la metodologa de clculo de las prdidas en el paramento de la presa........... 74

NDICE V

Figura 5.10 Comparacin de los calados tericos y medidos en el paramento de la presa Q=15 l/s .... 76 Figura 5.11 Prdidas (porcentaje del total) en funcin del caudal utilizando la frmula de Manning.. 77 Figura 6.1 Vista 3D del modelo digital ................................................................................................. 83 Figura 6.2 Hidrograma utilizado para Q=455 m3/s (45 l/s)................................................................... 84 Figura 6.3 Relaciones entre el modelo 2D y el modelo fsico............................................................... 85 Figura 6.4 Mallado del modelo 2D para vertido por el aliviadero central ............................................ 86 Figura 6.5 Vista 3D del modelo digital del aliviadero central y cauce ................................................. 87 Figura 6.6 Disposicin de los puntos de medida en el modelo fsico ................................................... 87 Figura 6.7 Disposicin de los puntos de clculo en el modelo matemtico .......................................... 88 Figura 6.8 Resultados del modelo matemtico para Q=153 m3/s (15 l/s) ............................................. 88 Figura 6.9 Resultados del modelo matemtico para Q=153 m3/s (15 l/s) en 3 dimensiones ................ 89 Figura 6.10 Comparacin de los resultados del modelo matemtico y fsico Q=153 m3/s (15 l/s)....... 90 Figura 6.11 Comparacin de los resultados del modelo matemtico y fsico para Q=45l/s ................. 91 Figura 6.12 Determinacin del ancho eficaz en el modelo matemtico Q=455 m3/s (45 l/s) ............... 94 Figura 6.13 Detalle de la distribucin de velocidades en el modelo matemtico Q=455 m3/s (45 l/s) . 94 Figura 6.14 Relacin con cada caudal entre ancho eficaz (m) y longitud del aliviadero lateral (%) .... 96 Figura 6.15 Relacin para cada caudal entre el ancho eficaz (%) y caudal del aliviadero central (%) . 96 Figura 6.16 Relacin para cada caudal entre incremento del ancho del cuenco y Q central/Q total..... 97 Figura 6.17 Relacin funcional incremento del ancho del cuenco y caudal central / caudal total ........ 98 Figura 7.1 Relacin longitud de aliviadero lateral (%) y eficacia del resalto (Ens. B), a constante 102 Figura 7.2 Relacin longitud aliviadero lateral (%) y eficacia del resalto (Ens. B, C) a constante . 103 Figura 7.3 Relacin longitud aliviadero lateral (%) y eficacia del resalto (Ens. B, C) a mnima.... 103 Figura 7.4 Relacin entre QL/Q y la eficacia del resalto (Ens. B y C) a constante.......................... 104 Figura 7.5 Relacin entre QL/Q y la eficacia del resalto (Ens. B y C) a mnima............................. 105 Figura 7.6 Relacin entre monomio a2V/Q y la eficacia del resalto (Ens. B y C) a constante ........ 105 Figura 7.7 Relacin entre el valor a y el caudal QL/Q (Ens. B y C) ................................................ 106 Figura 7.8 Relacin entre QL/Q y el monomio a2V/Q (ensayos B y C) .............................................. 107 Figura 7.9 Relacin entre eficacia del resalto y los monomios QL/Q y a2V/Q.................................... 109

NDICE DE FOTOGRAFAS

Fotografa 3.1 Modelo-1 con los soportes de la instrumentacin.......................................................... 47 Fotografa 3.2 Vista general del Modelo-2............................................................................................ 48 Fotografa 3.3 Piezas auxiliares utilizadas para limitar los aliviaderos laterales .................................. 49 Fotografa 3.4 Cuenco con el dispositivo de variacin de longitud y sistema de instrumentacin ....... 49 Fotografa 3.5 Disposicin de los piezmetros ..................................................................................... 51 Fotografa 4.1 Disposicin de piezas especiales para variar la longitud del vertido lateral .................. 54 Fotografa 4.2 Disposicin de pieza mvil para variar la longitud del cuenco amortiguador............... 55 Fotografa 4.3 Vista general de un ensayo del Modelo 1 ...................................................................... 56 Fotografa 4.4 Vista de la salida del cuenco de un ensayo del Modelo 1.............................................. 56 Fotografa 4.5 Modelo-2 Vista general desde aguas abajo.................................................................... 60 Fotografa 4.6 Modelo-2 tubos piezomtricos....................................................................................... 60 Fotografa 4.7 Modelo-2 .Puntos de medida en el paramento............................................................... 61

NDICE VI

NDICE DE TABLAS

Tabla 3.1 Caudal en el modelo y caudales en el prototipo para distintas escalas geomtricas ............. 50 Tabla 4.1 Ensayos de referencia............................................................................................................ 58 Tabla 4.2 Ensayos con vertido lateral.................................................................................................... 59 Tabla 5.1 Caudales vertidos en el vano central (%), segn la longitud del aliviadero lateral ............... 72 Tabla 5.2 Valores de la n de Manning en funcin de la escala geomtrica ....................................... 75 Tabla 5.3 Comparacin de prdidas tericas utilizando las frmulas de Manning y Darcy ................. 76 Tabla 5.4 Prdidas (%) en funcin del caudal ....................................................................................... 76 Tabla 5.5 Longitud media del paramento segn la franja del aliviadero lateral.................................... 78 Tabla 5.6 Caudales vertidos en el vano central (%), segn la longitud del aliviadero lateral ............... 79 Tabla 5.7 Prdidas (%) en los aliviaderos laterales ............................................................................... 79 Tabla 5.8 Resumen de prdidas en el paramento .................................................................................. 81 Tabla 6.1 Valores geomtricos del modelo fsico y matemtico........................................................... 83 Tabla 6.2 Caudales utilizados en el modelo fsico y matemtico.......................................................... 84 Tabla 6.3 Correspondencia entre caudales y altura de a .................................................................... 88 Tabla 6.4 Medidas (cm) del Modelo Fsico para los distintos caudales y puntos de medida................ 89 Tabla 6.5 Medidas (cm) del Modelo Matemtico para los distintos caudales y puntos de medida ...... 90 Tabla 6.6 Comparacin de las medidas (%) del Modelo Fsico y del Modelo Matemtico.................. 90 Tabla 6.7 Valor de la energa antes y justo despus del resalto ............................................................ 91 Tabla 6.8 Valor de la energa en Seccin A (Modelo Fsico) ............................................................... 91 Tabla 6.9 Valor de la energa en Seccin A (Modelo Matemtico) ...................................................... 92 Tabla 6.10 Comparacin (%) de la energa en Seccin A (Modelo Fsico con Modelo Matemtico).. 92 Tabla 6.11 Modelos Matemticos con vertido por los aliviaderos laterales.......................................... 93 Tabla 6.12 Caudales vertidos por aliviadero central en funcin de longitud de aliviaderos laterales... 95 Tabla 6.13 Ancho eficaz (m), en funcin de la longitud del aliviadero lateral (%) .............................. 95 Tabla 7.1 Rango de las variables utilizadas en los ensayos................................................................... 99

ANEJOS

ANEJO 1 CONSTRUCCIN DEL MODELO FSICO. ESCALA Y SEMEJANZA

HIDRULICA

NDICE

1. INTRODUCCIN.............................................................................. 126

2. DESCRIPCIN GENERAL DEL MODELO FSICO................................... 126

3. PROCESO DE CONSTRUCCIN......................................................... 127

4. SISTEMA DE ALIMENTACIN DE AGUA Y MEDIDA DE CAUDALES...... 131

5. CAUDALES UTILIZADOS.................................................................. 133

NDICE VII

6. SEMEJANZA HIDRULICA ............................................................... 133

7. SEMEJANZA HIDRULICA CON DISTINTOS FACTORES DE ESCALA.... 136

8. APNDICE FOTOGRFICO ............................................................... 137

NDICE DE FIGURAS

Figura 1 Esquema del modelo fsico. Modelo 1.................................................................................................. 129 Figura 2 Esquema de la instalacin del modelo fsico en el sistema de circulacin de agua ............................ 130

NDICE DE TABLAS

Tabla 1 Frmulas utilizadas en la medida del caudal con Venturi..................................................................... 131 Tabla 2 Valores de caudal (l/s) y diferencia de altura (cm) medidos en el Venturi G de 300 mm................. 132 Tabla 3 Valores de caudal (l/s) y diferencia de altura (cm) medidos en el Venturi P de 150 mm ................. 132 Tabla 4 Caudal (l/s) del modelo y caudales del prototipo (m3/s) para distintas escalas geomtricas................ 136

NDICE DE FOTOGRAFAS

Fotografa 1. Modelo, finalizada la etapa de construccin, con los soportes de la instrumentacin................. 137 Fotografa 2. Modelo en las fases iniciales del proceso constructivo. ............................................................... 137 Fotografa 3. Detalles de los distintos procesos constructivos. .......................................................................... 138 Fotografa 4. Detalles del proceso de colocacin y nivelacin de los perfiles. .................................................. 138 Fotografa 5. Ejecucin en fbrica del ncleo del cuerpo de la presa. .............................................................. 139 Fotografa 6. Enfoscado del paramento de la presa........................................................................................... 139 Fotografa 7. Acabado del paramento con cemento blanco. .............................................................................. 140 Fotografa 8. Construccin de piezas auxiliares para delimitar la longitud del vertedero ................................ 140 Fotografa 9. Piezas auxiliares finalizada su construccin. ............................................................................... 141 Fotografa 10. Modelo-1 con piezas auxiliares instaladas limitando el aliviadero al vano central................... 141 Fotografa 11.Sistema de fijacin de elementos del canal de recogida de los aliviaderos laterales. ................. 142 Fotografa 12.Sistema de colocacin de piezas auxiliares para limitar los aliviaderos laterales...................... 142 Fotografa 13.Vista del modelo-1 desde aguas arriba se aprecia la longitud variable del cuenco.................... 143 Fotografa 14.Vista del modelo-1 desde aguas abajo con el sistema de soporte de instrumentacin. ............... 143 Fotografa 15.Vista durante la construccin del modelo-2. ............................................................................... 144 Fotografa 16.Tubos piezomtricos..................................................................................................................... 144 Fotografa 17.Vista general. ............................................................................................................................... 145 Fotografa 18.Vista del modelo-2 desde aguas abajo......................................................................................... 145 Fotografa 19.Vista del modelo-2. Reincorporacin al cauce. ........................................................................... 146 Fotografa 20.Vista del depsito de nivel constante y aforadores tipo Venturi. ................................................. 146 Fotografa 21.Detalle de los aforadores tipo Venturi......................................................................................... 147

ANEJO 2 INSTRUMENTOS DE MEDIDA

NDICE

1. INTRODUCCIN.............................................................................. 149

2. LIMNMETROS ................................................................................ 149

NDICE VIII

2.1. Limnmetros mecnicos. .......................................................................................................... 149 2.2. Limnmetros de ultrasonidos................................................................................................... 150

3. PIEZMETROS................................................................................ 151

4. VELOCMETRO NDV........................................................................ 152

4.1. Caractersticas fsicas y tcnicas........................................................................................... 153 4.2. Componentes y terminologa .................................................................................................. 154 4.3. Funcionamiento del NDV......................................................................................................... 155 4.4. Aplicaciones posibles ............................................................................................................... 156 4.5. Montaje del velocmetro en el modelo.................................................................................. 156 4.6. reas de medicin permitidas por el soporte y el NDV.................................................... 157 4.7. Equipo informtico. Limitaciones y detalles de la instalacin ......................................... 157 4.8. Operacin del modelo............................................................................................................... 158

5. PROGRAMAS INFORMTICOS PARA EL USO DE LA INFORMACIN .... 162

5.1. WinADV. ..................................................................................................................................... 162 5.2. Explore V..................................................................................................................................... 162

NDICE DE FIGURAS

Figura 1 - Velocmetro NDV de 10 MHz y dimensiones ..................................................................................... 153 Figura 2.- Componentes y terminologa del NDV. ............................................................................................. 154 Figura 3 - Componentes y terminologa del NDV. ............................................................................................. 155 Figura 4 - Velocmetro montado en el modelo.................................................................................................... 156 Figura 5 - rea en la que es posible medir la velocidad con el NDV................................................................. 157 Figura 6 - Pantalla de Setup Mode..................................................................................................................... 158 Figura 7 - Pantalla de Modo Ajuste del contorno. ............................................................................................. 160 Figura 8 - Pantalla del modo de adquisicin de datos del NDV. ....................................................................... 161

NDICE DE FOTOGRAFAS

Fotografa 1 Limnmetro mecnico .................................................................................................................... 149 Fotografa 2 Componentes del equipo de medida por ultrasonidos ................................................................... 150 Fotografa 3 Emisor/receptor de ultrasonidos en posicin de medida ............................................................... 151 Fotografa 4 Distribucin de piezmetros en el cuenco ..................................................................................... 152 Fotografa 5 Regleta de medida de piezmetros........................................................................................ 152

NDICE DE TABLAS

Tabla 1 Caractersticas tcnicas del sensor LS3 tipo 262 ................................................................................. 151 Tabla 2 Informacin tcnica del velocmetro...................................................................................................... 153

ANEJO 3 ENSAYOS EN EL MODELO FSICO

NDICE

1. INTRODUCCIN.............................................................................. 164

NDICE IX

2. ENSAYOS REALIZADOS SOBRE EL MODELO-1................................... 164

2.1. Situacin de los instrumentos de medida ...................................................................................... 165 2.2. Metodologa de los ensayos .......................................................................................................... 167 2.3. Ejemplo de ensayos sobre el Modelo-1 ......................................................................................... 168

3. ENSAYOS SOBRE EL MODELO-2 ...................................................... 172

3.1. Introduccin. ................................................................................................................................. 172 3.2. Metodologa de medida en el Modelo 2. ....................................................................................... 175 3.3. Medida de calados en el cuenco.................................................................................................... 176

4. PROCEDIMIENTO DE CLCULO DEL CALADO MEDIO. ........................ 177

NDICE DE FIGURAS

Figura 1 Disposicin de los puntos de medida y rea donde se puede medir velocidad con el NDV ................ 166 Figura 2 Disposicin de los puntos de medida con limnmetros ........................................................................ 174 Figura 3 Disposicin de los puntos de medida ................................................................................................... 175 Figura 4 Disposicin de los puntos de medida en el cuenco con limnmetros.................................................... 176 Figura 5 Ajuste polinmico de calados en la seccin 1 para Q=30 l/s .............................................................. 178 Figura 6 Ajuste lineal de calados en la seccin 1 para Q=30 l/s ....................................................................... 178 Figura 7 Ajuste de calados en la seccin 2......................................................................................................... 179 Figura 8 Ajuste de calados en la seccin 1......................................................................................................... 180

NDICE DE TABLAS

Tabla 1 Determinacin de los ceros de referencia en limnimetros fijos ........................................................ 169 Tabla 2 Determinacin de los ceros de referencia en limnmetro mvil ........................................................ 169 Tabla 3 Valores de los limnmetros medidos en el ensayo 11_2......................................................................... 171 Tabla 4 Valores de los calados el ensayo 11_2 .................................................................................................. 172

NDICE DE FOTOGRAFAS

Fotografa 1 Vista del Modelo-1 y la instrumentacin desde aguas arriba........................................................ 165 Fotografa 2 Modelo-1 detalle de aliviadero y canales laterales ....................................................................... 167 Fotografa 3 Modelo-2 Vista general desde aguas abajo ................................................................................... 172 Fotografa 4 Modelo-2 Piezmetros ................................................................................................................... 173 Fotografa 5 Modelo-2 Puntos de medida en el paramento................................................................................ 174

ANEJO 4 CLCULO TERICO DE PRDIDAS

NDICE

1. INTRODUCCIN.............................................................................. 183

2. CLCULO TERICO DE PRDIDAS (VERTEDERO CENTRAL) ................ 183

2.1. Desarrollo terico......................................................................................................................... 183 2.2. Valor del coeficiente de Manning utilizado................................................................................... 186 2.3. Valor de la rugosidad absoluta utilizada ...................................................................................... 186

NDICE X

2.4. Clculo de prdidas utilizando la frmula de Manning................................................................ 186 2.5. Clculo de prdidas utilizando la frmula de Darcy .................................................................... 187 2.6. Comparacin de prdidas con las frmulas de Manning y Darcy ................................................ 188 2.7. Contraste con medidas en el modelo fsico ................................................................................... 189 2.8. Conclusin .................................................................................................................................... 191

3. CLCULO TERICO DE PRDIDAS (VERTEDEROS LATERALES) ........... 193

3.1. Planteamiento terico ................................................................................................................... 193 3.2. Distribucin de caudales............................................................................................................... 195 3.3. Prdidas en los vanos laterales..................................................................................................... 200

4. COMPARACIN CON VALORES MEDIDOS EN EL MODELO FSICO....... 201

4.1. Contraste para el caudal de 15 l/s ................................................................................................ 201

5. RESUMEN ...................................................................................... 202

NDICE DE FIGURAS

Figura 1 Esquema de la metodologa de clculo de las prdidas en el paramento de la presa ......................... 183 Figura 2 Comparacin de las prdidas tericas utilizando las formulas de Manning y Darcy ........................ 189 Figura 3 Distribucin de los puntos de medida de calado realizados en el paramento de la presa................... 190 Figura 4 Comparacin de calados tericos con los medidos en el paramento de la presa Q=15 l/s................. 190 Figura 5 Prdidas (en porcentaje del total) funcin del caudal utilizando la frmula de Manning................... 191 Figura 6 Distribucin de prdidas tericas para varios caudales utilizando la frmula de Manning............... 193 Figura 7 Prdidas (en porcentaje del total) en funcin del caudal ................................................................... 194 Figura 8 Vertido sobre un aliviadero tipo Creager ............................................................................................ 196 Figura 9 Coeficiente de vertido sobre el aliviadero tipo Creager ...................................................................... 196 Figura 10 Curva de capacidad para el vertido slo por el vano central............................................................ 197 Figura 11 Distribucin de caudales entre el aliviadero central y laterales del 50% del central ....................... 197 Figura 12 Distribucin de caudales entre el aliviadero central y laterales del 100% del central ..................... 198 Figura 13 Distribucin de caudales entre el aliviadero central y laterales del 200% del central ..................... 198 Figura 14 Distribucin de caudales entre el aliviadero central y laterales del 300% del central ..................... 199 Figura 15 Distribucin de caudales entre el aliviadero central y laterales del 400% del central ..................... 199 Figura 16 Distribucin de los puntos de medida de calado ............................................................................... 201 Figura 17 Comparacin de los calados medidos el paramento de la presa y los clculos tericos................... 202

NDICE DE TABLAS

Tabla 1 Valores de la n de Manning en funcin de la escala geomtrica ..................................................... 186 Tabla 2 Clculo de prdidas tericas Q=45 l/s utilizando la frmula de Manning n=0.010 ....................... 187 Tabla 3 Clculo de prdidas tericas Q=45 l/s utilizando la frmula de Darcy k=0.00035 ........................ 188 Tabla 4 Comparacin de prdidas tericas utilizando las frmulas de Manning y Darcy............................... 189 Tabla 5 Prdidas (%) en funcin del caudal....................................................................................................... 191 Tabla 6 Prdidas acumuladas (%) en funcin del caudal y de la cota del punto del paramento ....................... 192 Tabla 7 Longitud media del paramento segn la franja del aliviadero lateral .................................................. 195 Tabla 8 Caudales vertidos en el vano central (%), segn la longitud del aliviadero lateral.............................. 200 Tabla 9 Prdidas (%) en los aliviaderos laterales.............................................................................................. 200 Tabla 10 Calados medidos en el aliviadero central Q=15l/s ............................................................................. 201

NDICE XI

Tabla 11 Prdidas (%) en todo el aliviadero para distintos caudales................................................................ 202

ANEJO 5 FICHAS DE ENSAYOS EN EL MODELO FSICO

NDICE

1. INTRODUCCIN.............................................................................. 204



3.1. Ensayos sobre el Modelo-2 serie B ............................................................................................... 205 3.2. Ensayos sobre el Modelo-2 serie C............................................................................................... 207

4. FICHAS DE ENSAYO SERIE B REALIZADOS SOBRE EL MODELO-2 .... 209

5. FICHAS DE ENSAYO SERIE C REALIZADOS SOBRE EL MODELO-2 .... 237

NDICE DE TABLAS

Tabla 1 Descripcin de los ensayos B ................................................................................................................ 206 Tabla 2 Descripcin de los ensayos C ................................................................................................................ 208

ANEJO 6 MODELOS MATEMTICOS. CONTRASTE DE RESULTADOS

NDICE

1. INTRODUCCIN.............................................................................. 282

2. MODELO FSICO ............................................................................. 282

3. MODELO MATEMTICO .................................................................. 283

4. DEFINICIN DEL MODELO MATEMTICO.......................................... 283

4.1. Datos geomtricos de definicin del modelo................................................................................. 283 4.2. Datos hidrulicos y rugosidad ...................................................................................................... 285 4.3. Condiciones de contorno............................................................................................................... 288

5. MAGNITUDES A CONTRASTAR ENTRE LOS MODELOS ...................... 288

5.1. Determinacin del calado y velocidad media ............................................................................... 289

6. CONTRASTE DEL MODELO MATEMTICO CON MODELO FSICO ........ 290

6.1. Modelos con vertido slo por el cauce central ............................................................................. 290

7. ANLISIS DEL ANCHO EFICAZ...................................................... 297

8. CONCLUSIONES ............................................................................. 302

NDICE XII

NDICE DE FIGURAS

Figura 1 Seccin longitudinal del paramento y reincorporacin....................................................................... 285 Figura 2. Vista 3D del modelo digital................................................................................................................. 285 Figura 3 Hidrograma Q=455 m3/s ..................................................................................................................... 286 Figura 4 Relaciones entre el modelo 2D y el modelo fsico................................................................................ 287 Figura 5 Disposicin de los puntos de medida en el modelo fsico .................................................................... 289 Figura 6 Disposicin de los puntos de clculo en el modelo matemtico .......................................................... 289 Figura 7 Medidas en el modelo fsico para Q= 15 l/s ........................................................................................ 290 Figura 8 Resultados del modelo matemtico para Q= 15 l/s ............................................................................ 290 Figura 9 Resultados del modelo matemtico para Q= 15 l/s en 3 dimensiones................................................ 291 Figura 10 Comparacin de los resultados del modelo matemtico y fsico para Q=15l/s................................. 293 Figura 11 Comparacin de los resultados del modelo matemtico y fsico para Q=30l/s................................. 293 Figura 12 Comparacin de los resultados del modelo matemtico y fsico para Q=45l/s................................. 293 Figura 13 Comparacin de los resultados del modelo matemtico y fsico para Q=60l/s................................. 294 Figura 14 Determinacin del ancho eficaz en el modelo matemtico Q=455 m3/s (45l/s) ................................ 297 Figura 15 Detalle de la distribucin de velocidades en el modelo matemtico Q=455 m3/s (45l/s).................. 298 Figura 16 Relacin con cada caudal entre el ancho eficaz (m) y longitud del aliviadero lateral (%) ............... 300 Figura 17 Relacin con cada caudal entre el ancho eficaz (%) y ancho del aliviadero lateral (%) .................. 300 Figura 18 Relacin con cada caudal entre el ancho eficaz (%) y caudal por aliviadero central (%)................ 301 Figura 19 Relacin para cada caudal entre incremento del ancho del cuenco y QC / Q ................................... 301 Figura 20 Relacin funcional incremento del ancho del cuenco y caudal central / caudal total ....................... 302

NDICE DE TABLAS

Tabla 1 Valores geomtricos del modelo fsico y matemtico ............................................................................ 283 Tabla 2 Valores de los caudales en el modelo fsico y matemtico .................................................................... 285 Tabla 3 Correspondencia caudal y altura de a .............................................................................................. 290 Tabla 4 Medidas (cm) del Modelo Fsico para los distintos caudales y puntos de medida ................................ 291 Tabla 5 Medidas (cm) del Modelo Matemtico para los distintos caudales y puntos de medida....................... 292 Tabla 6 Comparacin de las medidas (%) del Modelo Fsico y del Modelo Matemtico .................................. 292 Tabla 7 Valor de la energa antes y justo despus del resalto ............................................................................ 294 Tabla 8 Valor de la energa en Seccin A (Modelo Fsico) ................................................................................ 294 Tabla 9 Valor de la energa en Seccin A (Modelo Matemtico) ....................................................................... 295 Tabla 10 Comparacin (%) de la energa en Seccin A (Modelo Fsico vs. Modelo Matemtico) .................... 295 Tabla 11 Modelos Matemticos .......................................................................................................................... 296 Tabla 12 Caudales vertidos por el aliviadero central funcin de la longitud del aliviadero lateral.................. 298 Tabla 13 Caudales (%) vertidos por el aliviadero central segn la longitud del aliviadero lateral .................. 299 Tabla 14 Ancho eficaz (m), en funcin de la longitud del aliviadero lateral (%) ............................................... 299

NDICE DE FOTOGRAFAS

Fotografa 1.Vista del modelo-vertiendo 30 l/s por el vano central. .................................................................. 282

NDICE XIII

APNDICE.

FICHAS DE RESULTADOS DEL MODELO MATEMTICO Y COMPARATIVA CON MODELO FSICO.................................................................................................................................................303

ANEJO 7 ANLISIS DIMENSIONAL Y RELACIONES FUNCIONALES

NDICE

1. INTRODUCCIN.............................................................................. 323

2. METODOLOGA .............................................................................. 323

2.1. Magnitudes fsicas......................................................................................................................... 324 2.2. Monomios adimensionales ............................................................................................................ 324

3. RELACIN FUNCIONAL ................................................................... 328

4. OBTENCION DE ECUACIONES POR REGRESIN LINEAL MLTIPLE ...... 329

4.1. Metodologa .................................................................................................................................. 329 4.2. Aplicacin a las variables obtenidas del anlisis dimensional ..................................................... 330 4.3. Regresiones lineales entre eficacia del resalto y longitud de aliviadero ...................................... 332 4.4. Regresiones lineales entre eficacia del resalto y relacin de QL/Q.............................................. 335 4.5. Regresiones lineales entre eficacia del resalto y relacin de a*a*v/Q......................................... 336 4.6. Regresin lineal mltiple .............................................................................................................. 337

NDICE DE FIGURAS

Figura 1 Relacin longitud del aliviadero lateral (%) y eficacia del resalto (ens. B), a constante ............... 333 Figura 2 Relacin longitud del aliviadero lateral (%) y eficacia del resalto (ens. B y C) a const................. 334 Figura 3 Relacin longitud del aliviadero lateral (%) y eficacia del resalto (ens. B y C) a mn. .................. 334 Figura 4 Relacin entre QL/Q y eficacia del resalto (ens. B y C) a constante ............................................... 335 Figura 5 Relacin QL/Q y eficacia del resalto (ens. B y C) a mnima............................................................ 336 Figura 6 Relacin funcional entre monomio a2V/Q y eficacia del resalto (ens. B y C) a const. .................... 336 Figura 7 Relacin entre eficacia del resalto y los monomios QL/Q y a2V/Q ...................................................... 340

NDICE DE TABLAS

Tabla 1 Dimensiones y unidades de las variables relacionadas con el fenmeno fsico .................................... 325 Tabla 2 Datos y clculos para la regresin mltiple .......................................................................................... 338 Tabla 3 Resolucin de la ecuacin de regresin mltiple .................................................................................. 339

CAPTULO 1 INTRODUCCIN 1

Captulo 1. Introduccin

1.1. ANTECEDENTES

El agua constituye un elemento fundamental para la vida humana, condicionando de forma clara la situacin econmica y social de las poblaciones. El desarrollo de las mismas implica un aumento drstico de su consumo, lo cual, lleva a la necesidad de una mayor regulacin de los recursos hdricos existentes.

Las soluciones para estas situaciones son varias, desde la reutilizacin del agua, el uso de aguas subterrneas o la optimizacin de la capacidad de embalses existentes.

En los pases desarrollados, la normativa en relacin a la seguridad de presas y embalses es cada vez ms exigente, obligando en muchos casos a reducir el volumen de embalse utilizable o a la ampliacin de los aliviaderos existentes.

Por otra parte, la mayor parte de las presas ya estn construidas y adems existe una gran presin social en relacin a los aspectos medioambientales.

La tipologa de aliviaderos de gran longitud y poca altura, aporta soluciones a estos nuevos escenarios, entre las que cabe destacar:

Posibilidad de ampliacin de la capacidad de los embalses ya construidos, sin acometer nuevas

expropiaciones.

Mejora de los aspectos medioambientales cuya importancia es creciente, como los visuales (franja

muerta del embalse por la fluctuacin del nivel), fauna y flora, etc.

Ampliacin de los usos alternativos del embalse, como son los recreativos, etc. Disminucin de la superficie ocupada con caudales elevados.

Para dar respuesta a las necesidades anteriormente planteadas, existen varias alternativas como son los aliviaderos de tipo laberinto, los de tipo de pico de pato, etc. Otra posibilidad es la utilizacin al mximo de la longitud de la coronacin como vertedero. Esta tipologa implica utilizar unos aliviaderos laterales, que recojan el caudal vertido sobre la coronacin y lo restituyan al cuenco (normalmente de anchura inferior a la longitud de vertido). Esto puede llevarse a cabo tanto en presas de gravedad, como en aliviaderos de presas de materiales sueltos.

1.2. JUSTIFICACIN Y MOTIVACIN

La solucin de vertederos laterales sobre un cuenco central, es muchas veces la mejor solucin desde el punto de vista tcnico y econmico. A pesar de esto, su utilizacin no est muy extendida debido a diversas razones, principalmente porque no se conoce con suficiente precisin su funcionamiento, por lo que no puede modelizarse matemticamente de forma satisfactoria. Esto es debido a la gran cantidad de variables que influyen, aunque se han realizado algunos estudios tericos para conocer el


funcionamiento de stas. Debido a esta razn, las investigaciones continan, con el fin de comprender el mecanismo de una forma ms precisa. Pueden encontrarse artculos, documentos y captulos de libros dedicados a este tema. Sin embargo, muy pocos han sido corroborados por experimentos, todos ellos acometen el problema de una forma ms o menos parcial, aceptando ciertas simplificaciones que no siempre son admisibles. Se hace de esta forma, ya que si no, existen coeficientes que han de ser hallados experimentalmente, los cuales varan mucho con el modelo que se utilice, as como su rgimen de funcionamiento.

En el desarrollo de esta tesis se ha estudiado el funcionamiento de vertederos laterales simtricos, cuyo uso parece muy recomendable en numerosos casos.

Esta tipologa presenta tres problemas diferenciados:

El funcionamiento de los aliviaderos.

La disipacin de la energa en el choque de los chorros.

El funcionamiento del cuenco amortiguador o el resalto hidrulico.

Este tipo de aliviaderos tiene un comportamiento muy especfico, de gran complejidad por los fenmenos de aireacin, turbulencias, etc., que se producen.

En la zona de la salida del agua del aliviadero, se produce un choque de dos flujos de agua, los cuales pueden colaborar de forma muy eficiente a disipar la energa.

La reincorporacin al cauce puede ser diseada como cuenco amortiguador o como un resalto hidrulico sin cuenco. En ambas situaciones, en esa zona se produce una importante disipacin de energa, que tambin ha sido objeto de anlisis en la tesis. El resalto hidrulico, formado tanto en un cuenco amortiguador como sin l, ha sido objeto de numerosos anlisis en gran profundidad y su funcionamiento es bastante conocido para un flujo de agua que entra segn un eje longitudinal al flujo principal. Sin embargo, no existe formulacin de la entrada del flujo de forma perpendicular al eje longitudinal del cuenco o de la reincorporacin al ro.

El estudio conjunto de estas estructuras hidrulicas no se encuentra en la bibliografa de forma especfica.

1.3. OBJETIVOS GENERALES

Los objetivos generales buscados en esta tesis doctoral se indican a continuacin:

Anlisis de los parmetros que afectan al comportamiento de este tipo de estructuras, determinando cuales son las ms relevantes (que tienen el mayor impacto en el funcionamiento).

Estudio terico y mediante modelos (matemticos y fsicos) de los parmetros anteriormente seleccionados como bsicos en el comportamiento de esta tipologa.

Determinacin de una funcin objetivo, que permita integrar el comportamiento parcial e individual de los elementos anteriormente analizados, de cara a un dimensionamiento y unas recomendaciones para el proyecto de este tipo de soluciones.

Dado que el nmero de elementos que intervienen en este tipo de diseo son elevados, y que el objetivo final es la estabilidad y suficiente disipacin de energa en el total de la estructura


hidrulica (vertedero, canales laterales y reincorporacin al ro), se ha considerado como objetivo final la uniformidad en el calado y en las velocidades en la reincorporacin al ro y la eficacia disipadora del sistema (Energa inicial Energa final a la salida). Aunque se plantee un objetivo general a la salida, tambin se analiza el comportamiento de cada uno de los elementos que integran el diseo completo.

1.4. ORGANIZACIN DE LA TESIS

La tesis se ha estructurado en ocho captulos adems de anejos.

o Contenido de los captulos: El captulo primero incluye los antecedentes, la justificacin y los objetivos generales de la tesis.

El captulo segundo incluye los aspectos hidrulicos que afectan tanto a los aliviaderos laterales como a la disipacin de energa y comportamiento del cuenco amortiguador, y por ltimo, la influencia de la disipacin de energa producida en chorros laterales incidentes en el cuenco.

En el captulo tercero se describe el modelo fsico y la instrumentacin empleada para la toma de datos, as como, los aspectos del anlisis dimensional y de la teora de escalas de modelos fsicos utilizados en el modelo.

En el captulo cuatro se incluye el resumen de los ensayos realizados.

En el captulo cinco se incluyen los resultados de los ensayos, se analizan y se utilizan tcnicas estadsticas para la elaboracin de los resultados obtenidos en estos.

En el captulo seis se desarrollan las metodologas numricas y los modelos matemticos correspondientes a los distintos elementos que constituyen el diseo, de forma que permitan contrastar el rango de los parmetros utilizados en el modelo fsico y los resultados obtenidos. Se ha utilizado el modelo matemtico InfoWorks RS de Wallingford Software, como modelo integrador de las estructuras individuales.

En el capitulo siete se presentan los resultados obtenidos en la tesis utilizando el anlisis dimensional.

En el captulo ocho se exponen las conclusiones del trabajo realizado, las aportaciones originales y las posibles lneas de investigacin futura.

o Contenido de los anejos: El anejo 1 incluye la descripcin detallada del modelo fsico utilizado en los ensayos.

El anejo 2 incluye una descripcin pormenorizada de las caractersticas de los equipos de medida.

El anejo 3 incluye la metodologa de los ensayos realizados en el modelo fsico.

El anejo 4 contiene el clculo de las prdidas tericas existentes en el paramento de la presa, contrastndose stas con las medidas en el modelo fsico.

En el anejo 5 se han incluido las fichas con los datos de los ensayos, as como, los resultados tratados.

En el anejo 6 se ha incluido la comparacin de los modelos matemticos y fsico.

En el anejo 7 se incluyen los resultados del anlisis dimensional y relaciones funcionales

CAPTULO 2 ESTADO DEL ARTE 4

Captulo 2. Estado del Arte

A lo largo de este captulo se analizan los aspectos hidrulicos ms relevantes indicados (aliviaderos de canal lateral, impacto de chorros de agua, resalto hidrulico y cuenco amortiguador) de forma independiente para cada uno de ellos, con el objetivo de lograr una visin detallada individual que permita la integracin del problema y su solucin conjunta.

2.1. INTRODUCCIN

Se denominan aliviaderos laterales a los que el labio del aliviadero est situado aproximadamente en posicin paralela al eje del canal de desage. La lmina que vierte sobre la coronacin del vertedero cae sobre el canal girando aproximadamente 90 y contina por el canal principal de desage.

El diseo del canal lateral est relacionado con el comportamiento hidrulico en el tramo de aguas arriba del canal de desage y es ms o menos independiente del resto de los distintos componentes del aliviadero.

El caudal de este canal lateral puede ir directamente a un canal abierto, aunque en algunos casos puede ir a una conduccin cerrada o a un tnel. El agua puede llegar al canal por un slo lado de la presa o por ambos. En las presas de gravedad, habitualmente se utilizan las zonas laterales del paramento como parte de los canales laterales.

Las caractersticas de desage de los aliviaderos en canal lateral son anlogas a las de los vertederos ordinarios y dependen del perfil escogido para su coronacin. No obstante, cuando los caudales desaguados son grandes frente a la capacidad de evacuacin de los canales laterales, pueden aparecer diferencias importantes por restricciones en la capacidad del canal, y el vertedero puede llegar a quedar parcialmente sumergido. En este caso, las caractersticas del caudal son controladas por una restriccin del canal aguas abajo. Esta restriccin puede consistir en un punto en rgimen crtico en el canal, en un orificio de control o en un conducto o tnel en carga.

Aunque el canal lateral no sea la solucin ms eficiente desde el punto de vista hidrulico, ni econmico, puede tener ventajas que pueden hacerle aconsejable en algunos tipos de aliviadero. Esta solucin es apropiada cuando se desea disponer de un vertedero muy largo (para conseguir reducir la altura de regulacin); o cuando el dispositivo de control deba conectarse con un canal de desage estrecho o con un tnel.

El objetivo de esta tesis es el anlisis de vertederos laterales sobre presas de gravedad con la finalidad de aumentar la longitud de vertido (disminuyendo la altura de vertido) por lo que el esquema bsico del tipo de vertedero en canal lateral es el indicado en la figura 2.1.

En el esquema adjunto existen tres elementos bsicos, el vertedero, canal lateral y el elemento de disipacin (cuenco o resalto). Es importante destacar que el rgimen de flujo del canal y la capacidad del sistema condiciona el comportamiento hidrulico global, de forma que puede separarse el


funcionamiento del vertedero del comportamiento hidrulico del canal lateral y en el tramo final analizar el impacto en la reincorporacin al cauce.

Figura 2.1 Esquema de un vertedero de labio fijo con canales laterales y cuenco amortiguador

La tesis tiene un carcter de integracin de los elementos anteriormente citados (vertederos con canal lateral, impacto de chorros y elemento disipador), por ello en el desarrollo de este apartado, se abordan con generalidad los temas hidrulicos, pero dada la amplitud de la materia, se incide con mayor intensidad en los aspectos ms directamente relacionados con el problema abordado en la presente tesis.

Dentro de los aspectos hidrulicos ms importantes relacionados con la presente tesis, se encuentra el tema de vertederos con canales laterales, dentro del cual se desarrolla con detalle el planteamiento actual del problema, as como, los criterios numricos de integracin.

El problema hidrulico existente en el impacto de chorros se ha desarrollado con detalle en los aspectos relacionados con la tesis.

Por ltimo, la hidrulica del resalto hidrulico y cuencos amortiguadores son temas ampliamente estudiados, por lo cual solamente se ha incluido una visin general de los aspectos que afectan a la presente tesis.

2.2. VERTEDEROS DE LABIO FIJO.

De acuerdo con lo indicado anteriormente, aunque el agua que se recoge por los canales laterales procede de un vertedero de labio fijo, la disposicin de los canales laterales, en los ensayos realizados en esta tesis, permite independizarlos del comportamiento de los canales laterales, siendo los parmetros de entrada al canal lateral, la velocidad del agua (mdulo y direccin), as como, el calado y por supuesto las caractersticas geomtricas y rugosidad del paramento de la presa, los que condicionarn las prdidas antes de la incorporacin del flujo al canal.


A continuacin, se incluye una revisin de la hidrulica de vertederos de labio fijo en los aspectos que afectan al contenido de la presente tesis.

El vertedero de labio fijo dispuesto en modelo reducido de la presa es, como resulta habitual en gran parte de los diseos, tipo Bradley-Creager y la ecuacin del perfil del vertedero se basa en la de vertido (figura 2.2).

y/h

x/hh

0.0 1.0

0.0

1.0

1.5

2.0

2.5

0.5

3.0

0.5 1.5

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

-0.5

-1.0

x/h y/h y/hInferior Superior0,000,100,200,300,400,500,600,80 -0.070

-0.029-0.066-0.093-0,110-0.110-0.084 0,00

-0.506-0.630-0.679-0.720-0.755-0.790-0.820-0.850

3.503.002.502.001.701.401.201.00

2.88 3.41 4.72 4.18

0.940

2.31 1.39

0.585 0.37

0.396 0.849 1.77

-0.180 0.034

0.20 -0.361

4.00 6.24 5.70

Figura 2.2 Perfiles tericos de vertedero de labio fino

Partiendo de este perfil, Bradley dise la ecuacin:

'2

'

85,1

hy

hx

=

para el perfil hacia aguas abajo, complementado aguas arriba por un perfil de elipse, de ejes 0,282 h y 0,126 h.

La ecuacin terica de vertido por unidad de ancho es:

2/3h16,2q =


En los casos reales el planteamiento es ms complejo, ya que, se incluyen los problemas de aproximacin, el efecto del calado existente aguas arriba del vertedero, as como, la presencia de pilas o la influencia del caudal aguas abajo. Estos aspectos son complementarios a los problemas planteados en la presente tesis, pero con el objetivo de dar una visn general de los aspectos hidrulicos se incluyen en este apartado de forma resumida y siguiendo el planteamiento propuesto por el Bureau of Reclamation.

x/h'h 0.0 0.4

0.4

0.8

0.6

0.2 0.6 0.8 1.0 1.2

0.2

y/h' 2(y/h')(x/h') =1.85

h' = 0.888 h

Lnea de energa

(-0.282,0.126)

Figura 2.3 Perfil tipo Bradley

El caudal vertido sobre un vertedero de este tipo es

Q = C L He3/2 (2.1)

Donde: Q = caudal.

C = coeficiente de desage variable.

L = longitud efectiva de la coronacin.

He = altura de lmina vertiente sobre coronacin, ms la altura debida a la velocidad de aproximacin, ha.

El coeficiente de desage C es funcin de varias variables, adems de la contraccin producida por pilas y estribos, existen otros condicionantes tales como:

(1) Calado de aproximacin.

(2) Relacin entre la forma real de la coronacin y la forma ideal.

(3) Inclinacin del paramento de aguas arriba.

(4) Interferencia producida por el calado de aguas abajo.

(5) Calado de aguas arriba.

En la altura sobre la coronacin, He, no se incluyen ni las prdidas por rozamiento en la zona de aproximacin, ni las prdidas en la seccin de entrada o las debidas a transiciones.


El esquema de desage en un vertedero estricto puede apreciarse en la figura adjunta.

Figura 2.4 Caractersticas de un vertedero estricto


2.2.1. Efecto de las pilas y estribos.-

Cuando existen pilas y/o estribos sobre la coronacin, se producen contracciones laterales de la lmina vertiente y la longitud efectiva del vertedero, L, es menor que la total o neta, L'. Este efecto puede tenerse en cuenta reduciendo la longitud neta, L', como sigue:

L = L' -2 (N Kp+Ka ) He (2.2)

Donde: L = longitud efectiva de la coronacin.

L' = longitud neta de la coronacin.

N = nmero de pilas.

Kp = coeficiente de contraccin debido a las pilas.

Ka = coeficiente de contraccin debido a los estribos.

He = carga total sobre la coronacin.

El coeficiente de contraccin debido a las pilas, Kp es funcin de la forma y situacin del tajamar, del espesor de la pila, de la altura proyectada del agua y de la velocidad de aproximacin. Para las condiciones de proyecto de altura de agua, Ho, y coeficientes medios de contraccin de las pilas, pueden emplearse los valores medios de Kp. Existen distintos estudios para determinar los valores de los coeficientes, de entre ellos los recomendados por el Bureau of Reclamation son:

Para pilas con tajamares rectangulares, con las esquinas redondeadas, con radios del orden de 0,1 del espesor de la pila: Kp = 0,02

Para pilas con tajamares redondos Kp = 0,01

Para pilas con tajamares apuntados Kp = 0,0

El coeficiente de contraccin debido a los estribos, Ka, es funcin de la forma de los estribos, del ngulo entre el muro de aguas arriba y el eje del caudal, de la velocidad de aproximacin y de la relacin de la carga en cada momento a la de proyecto, Ho. Cuando la carga es la de proyecto, Ho, los coeficientes medios que pueden emplearse son los siguientes:

Para estribos cuadrados con el muro de aguas arriba formando 90 con la direccin del caudal Ka = 0,20.

Para estribos redondeados con el muro formando 90 con la direccin del caudal, cuando 0,5Ho r 0,15 Ho; Ka = 0,10.

Para estribos redondeados, cuando r>0,5Ho y el muro forma un ngulo no mayor de 45 con la direccin del caudal, Ka = 0,0

donde r = radio de la parte redondeada del estribo.

Los efectos de los distintos condicionantes existentes en el vertido pueden resumirse en:

(a) Efecto de los calados en la zona de aproximacin.- En un vertedero de pared delgada situado en un canal, la velocidad de aproximacin es pequea y da lugar a la mxima contraccin vertical de la lmina vertiente. A medida que disminuye el calado de aproximacin aumenta la velocidad y disminuye la contraccin vertical. En la figura 2.5 se incluye un grfico que relaciona el coeficiente de vertido con la profundidad del agua en la zona de aproximacin


Figura 2.5 Coeficientes de vertido en funcin del calado en la zona de aproximacin

(b) Efecto de la inclinacin del paramento de aguas arriba.- Cuando la relacin entre el calado de aproximacin y la altura de agua sobre la coronacin es pequea, el coeficiente de desage aumenta con la inclinacin del paramento de aguas arriba del vertedero. Cuando esta relacin es grande, el coeficiente disminuye. La figura 2.6 muestra la variacin del cociente del coeficiente de desage correspondiente a un paramento con una cara con pendiente (inclinada), Ci, con el correspondiente al paramento vertical, Cv, obtenido de la figura 2.5

Figura 2.6 Variacin del coeficiente de vertido con el ngulo del paramento de aguas arriba


2.2.2. Efectos de interferencia aguas abajo del pie del vertedero

Cuando el nivel aguas abajo del vertedero afecta al caudal de vertido, se dice que est sumergido. En esta situacin el coeficiente de desage est afectado por el calado aguas abajo y por la relacin entre el nivel del agua en el embalse y el de aguas abajo. Se diferencian hasta cinco tipos de situaciones, segn las posiciones relativas de solera y del nivel del agua:

(1) El caudal puede continuar en rgimen supercrtico.

(2) Existencia de un resalto hidrulico parcial o incompleto aguas abajo de la coronacin.

(3) Existencia de un resalto hidrulico completo.

(4) Puede formarse un resalto sumergido con un chorro de gran velocidad dentro de agua ms lenta.

(5) No se produce resalto y el chorro romper lejos del vertedero y se mezclar con el agua ms lenta.

La figura 2.7 muestra la relacin entre las posiciones de la solera y los niveles de aguas abajo que dan lugar a los distintos regmenes del caudal.

Cuando el caudal aguas abajo est en rgimen rpido o se produce el resalto hidrulico, la disminucin del coeficiente de desage se debe bsicamente al efecto de la contrapresin en el talud de aguas abajo y es independiente de cualquier efecto de sumergimiento. La figura 2.8 muestra la influencia del nivel de la solera de aguas abajo en el coeficiente de desage.

Figura 2.7 Efecto de interferencia aguas abajo del pie del vertedero


Figura 2.8 Relacin entre coeficientes de desage modificado y libre


2.3. ALIVIADEROS LATERALES

El estudio de los vertederos con canal lateral tiene una gran variedad de aplicaciones prcticas en problemas de diseo de aliviaderos de seguridad en canales, canales de recogida de pluviales, etc., y por supuesto en el diseo de vertederos de canal lateral en presas.

En este apartado se analizan los estudios del flujo hidrulico variado en el tiempo, es habitual distinguir entre el comportamiento para caudales crecientes y caudales decrecientes. Este ltimo caso no es de aplicacin al estudio ya que en los aliviaderos laterales se va incorporando agua al canal de alimentacin.

Evidentemente, el comportamiento hidrulico de un flujo espacialmente variado es ms complejo que el de un flujo con caudal constante. En el flujo con caudal creciente, gran parte de la prdida de energa se debe a la mezcla turbulenta del agua agregada y del agua que fluye a travs del canal. Como estas prdidas son elevadas e inciertas, la ecuacin en momentos es ms conveniente para la solucin de este problema que la ecuacin de energa.

Julian Hinds, en 1926, fue probablemente el primero en establecer una forma sustancialmente correcta de la ecuacin diferencial fundamental que rige esta clase de flujo, aplicndola al diseo de vertederos de canal lateral. La inclusin del trmino de friccin y la componente de la velocidad en el flujo de entrada en la direccin del eje del canal fue realizada por Fauvre entre los aos 1933 y 1934. Estos mtodos se pueden aplicar a cualquier canal, ya sea prismtico o no, pero se requiere un clculo por pasos con aproximaciones sucesivas.

El caso particular de canal rectangular con flujo de entrada uniforme a lo largo de la longitud del canal fue resuelto mediante integracin de la anterior ecuacin diferencial; lo realizaron Camp y Li, en 1944 y 1955 respectivamente. Este ltimo tambin trat canales prismticos con paredes inclinadas. Otros autores que han llevado a cabo estudios tericos y experimentales en este campo son: De Marchi (1941), Citrini (1942) Forchheimer (1920), Schoklisch (1950)

Chow, V. T. (1959), Hidrulica de Canales Abiertos, MacGraw Hill Book, incluye en su captulo 12 correspondiente al Flujo Espacialmente Variado, una revisin completa de la formulacin para este tipo de canales.

Entre los trabajos posteriores que analizan el problema se pueden citar:

Farney, H. S. and Markus, A. (1962). Side-Channel Spillway Design. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, 88(3), Mayo, pginas 131 a 154.

Ramamurthy, A. S., Subramanya, K., and Carballada, L. (1978). Uniformly discharging lateral weirs. Journal of the Irrigation and Drainage Division, ASCE, Vol. 104, N IR4, Diciembre, pp. 399-412.

Ranga Raju, K. G., Prasad, B., and Gupta, S. K. (1979). Side weir in rectangular channel. Journal of the Hydraulics Division, ASCE, Vol. 105, N5, pp. 547-544.

Hager, W. H. and Bremen R. (1989). Experiments in side channel spillways. J. Hydr. Engin., ASCE, Mayo 617-635.


En el momento actual se mantiene el inters en esta materia tanto desde el punto de vista terico como prctico.

2.3.1. Planteamiento terico

El planteamiento general de un aliviadero lateral en el vertedero de una presa puede esquematizarse segn la figura 2.9. En el caso propuesto en la figura, se plantea un rgimen crtico en la salida del canal, pero puede disearse tambin (caso analizado en esta tesis) que el canal termine en rgimen rpido con impacto sobre un cuenco o sobre otro flujo.

Figura 2.9 Esquema general de funcionamiento de un aliviadero lateral

La formacin de movimiento secundario, la turbulencia, la aireacin del flujo en canal y otra serie de caractersticas particulares en esta situacin hacen que se trate de un flujo de gran complejidad.


En los prrafos siguientes se analiza la formulacin basada en la ley de conservacin de la cantidad de movimiento, suponiendo que las nicas fuerzas que producen el movimiento en el canal, son las debidas a la cada de la superficie del agua segn la direccin del eje del canal. Esta hiptesis supone que toda la energa que tiene el agua en la coronacin del vertedero se disipa al mezclarse con la corriente del canal y no interviene por lo tanto en el movimiento del agua en l. La velocidad axial se produce una vez que las partculas de agua se incorporan a la corriente del canal.

Posteriormente se analiza una modificacin de las ecuaciones haciendo intervenir la ecuacin de la energa.

2.3.2. Ecuacin Dinmica

Se considera un canal prismtico que recibe un caudal procedente de uno a dos vertederos laterales. El caudal es creciente con las secciones que siguen el flujo del agua (figura 2.10), sea q(x) el aporte lateral de caudal y Q(x) el caudal circulante por el canal.

Figura 2.10 Flujo de un vertedero sobre canal lateral

La cantidad de movimiento en la seccin 1 por unidad de tiempo es:

QVg

Donde:

= Peso unitario del agua.

g = Aceleracin de la gravedad.

Q = Caudal.

V = Velocidad.

De igual modo, la cantidad de movimiento por unidad de tiempo en la seccin 2 es:


( ) ( )dVVdQQg

++

Donde: dQ es el caudal agregado entre las secciones 1 y 2.que por continuidad ser:

dx)x(qdq =

Por consiguiente, la diferencia de la cantidad de movimiento entre las dos secciones ser.

( )( ) ( )[ ]dQdVVQdVgwQV

gdVVdQQ

g++=++

Sea W el peso del agua contenido entre las secciones 1 y 2 y la pendiente de la solera, la componente de W en la direccin del flujo es:

( ) AdxSdxdAASWsen 0210 =+=

Donde: S0 es la pendiente de la solera que se supone igual a sen y se desprecia el trmino producto de diferenciales.

La prdida de energa por friccin entre las dos secciones es igual a la pendiente de friccin Sf multiplicada por la longitud dx:

dxSh ff =

La pendiente de friccin puede estimarse por medio de la ecuacin de Manning:

342

22

34

22

fRA

nQ

R

nVS ==

La fuerza de rozamiento a lo largo de las paredes del canal es:

( ) dxSAdxSdAAF ff21f =+=

Donde se ha despreciado tambin el producto de los diferenciales.

La presin total en la seccin 1, correspondiente a la direccin del flujo, es igual al producto del rea de la seccin mojada A por la presin en el centroide de esta rea, equivalente al momento de la superficie A alrededor de la superficie libre multiplicada por su peso unitario w:

AzP1 =

Donde: z es la profundidad del centroide de A por debajo de la superficie de flujo.

De igual modo, la presin total en al seccin 2 es:

( ) ( )AdyzdydAwAdyzP +=++= 22

Donde: dy es la diferencia entre las profundidades de las secciones 1 y 2, y se desprecia igualmente el producto de diferenciales.


La presin hidrosttica resultante que acta en la faja de agua entre las secciones 1 y 2 es:

dyAPP 21 =

Al igualar la variacin de momento de la faja de agua a la suma de todas las fuerzas externas que actan sobre sta, se tiene:

( )[ ] f21 FWsenPPdQdVVQdVg +=++

Sin considerar dV dQ, diferencial de segundo orden, y sustituyendo los valores de la presin hidrosttica y de las fuerzas de rozamiento resulta:

( )dxSSdQAVdVV

gdy f+

+= 0

1

Y como la velocidad en el punto 1 y 2 es:

( )( )dAA

dQQdVVyAQV

++

=+=

Sustituyendo en la ecuacin anterior se tiene:

( )[ ] dxSAAdxSdyAdQdVVQdVg f0

+=++

Dividiendo por y no considerando los trminos diferenciales de segundo orden resulta:

dxA)SS()dQVdVQ(g1Ady f0 ++=

Dividiendo por A y sustituyendo el valor de dV por la expresin

( )( ) VdAA

dQQdV ++

=

Resulta:

( )dxSSAdAA

dAdQQdAAdQ2gVdy f02 +

++

=

Si no se consideran los trminos dA en el denominador y dA dQ en el numerador y simplificando:

( )( )DAg/Q1

Ag/qQ2SSdxdy

22

2f0

= (2.3)

Donde:

q = dQ/dx, o el caudal por unidad de longitud de canal, y

D es la profundidad hidrulica.


Considerando que la distribucin de velocidades en el canal es no uniforme, puede introducirse un coeficiente de energa en la ecuacin y evaluar la pendiente de friccin Sf mediante la ecuacin de Manning.

As, la Ecuacin dinmica para flujo espacialmente variado queda en la forma:

( )( )DAg/Q1

Ag/qQ2SSdxdy

22

2f0

= (2.4)

2.3.3. Anlisis del Perfil de Flujo

Partiendo de los resultados del apartado anterior, se analiza el perfil en un canal de vertedero lateral rectangular y horizontal, con salida en cada libre. El flujo de entrada est distribuido uniformemente a lo largo del canal (q = cte). En la deduccin del perfil de flujo no se considerar la prdida por friccin.

El valor del caudal lateral de entrada es: LQq 0= , donde Q0 es el caudal a la salida y L es la longitud

del canal. As pues:

xqQ =

Si se denomina b al ancho del canal se tiene:

ybA = y ybxq

AQV *==

Como el canal es horizontal y no se

estudio experimental de cuencos amortiguadores en aliviaderos

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