st01_vertederos

Serie: Técnica Agua y Suelo N° 1

ESTRUCTURAS DE MEDICION DE CAUDAL

VERTEDEROS DE PARED DELGADA - Rectangular y Triangular -

Daniel Vega B.

Centro Andino para la Gestión y Uso del Agua

Cochabamba, 2004

PRESENTACION Esta guía es parte de la serie: “Métodos y Estructuras de Medición de Caudales” que el Centro AGUA ha elaborado como parte de sus objetivos de apoyo a la enseñanza de pre-grado de la Facultad de Ciencias Agrícolas y Pecuarias “Martín Cárdenas”. Esta guía también está dirigida a profesionales que trabajan en el área de recursos hídricos. El documento aborda conceptos básicos y principios de funcionamiento de los vertedores de pared delgada; asimismo, las condiciones y requerimientos para su utilización se exponen en forma amplia. Finalmente, paso a paso y con ejemplos, se explican los procedimientos para la toma de datos necesarios y la evaluación de la descarga con este tipo de estructuras. La guía es producto de la sistematización de información existente sobre el tema y de la experiencia adquirida. El texto, de consulta rápida, brinda información esencial para realizar una apropiada medición del caudal con vertedores de pared delgada.

El autor

RECONOCIMIENTO

La presente publicación fue posible gracias al apoyo institucional del Centro AGUA y su equipo de trabajo. Agradezco especialmente a Paul Hoogendam, Fidel Amurrio, Carlos Rojas, Iván del Callejo y Oscar Delgadillo por sus valiosos comentarios.

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN---------------------------------------------------------------------------------------- 1

2. VERTEDEROS DE PARED DELGADA------------------------------------------------------------ 2 2.1. DESCRIPCIÓN ------------------------------------------------------------------------------------------ 2 2.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO -------------------------------------------------------------------- 2 2.3. CONDICIONES PARA SU UTILIZACION --------------------------------------------------------------- 3

2.3.1. Descarga libre ---------------------------------------------------------------------------------- 3 2.3.2. Caudales a ser medidos ----------------------------------------------------------------------- 4 2.3.3. Características del canal o cauce natural -------------------------------------------------- 4 2.3.4. Características del flujo ----------------------------------------------------------------------- 4

2.4. SITIO DE AFORO E INSTALACIÓN DEL VERTEDERO ------------------------------------------------- 5 2.4.1. Elección de sitio de aforo --------------------------------------------------------------------- 5 2.4.2. Instalación del vertedero ---------------------------------------------------------------------- 6

2.5. MEDICIONES HIDRÁULICAS NECESARIAS Y PROCEDIMIENTO DE TOMA DE DATOS ------------- 7 2.5.1. Altura a la cresta y ancho de espejo de agua----------------------------------------------- 7 2.5.2. Niveles de agua --------------------------------------------------------------------------------- 8

2.6. ELECCIÓN DEL TIPO DE VERTEDERO ---------------------------------------------------------------- 9 2.6.1. Pérdida de carga requerida------------------------------------------------------------------- 9 2.6.2. Rango de medición de caudales -------------------------------------------------------------- 9 2.6.3. Capacidad para transportar material sólido ----------------------------------------------10 2.6.4. Sensibilidad ------------------------------------------------------------------------------------10

3. VERTEDERO DE PARED DELGADA RECTANGULAR ------------------------------------12 3.1. DESCRIPCIÓN -----------------------------------------------------------------------------------------12 3.2. EVALUACIÓN DE LA DESCARGA --------------------------------------------------------------------13 3.3. REQUERIMIENTOS PARA SU USO --------------------------------------------------------------------15 3.4. PLANILLAS DE TOMA DE DATOS --------------------------------------------------------------------16 3.5. EJEMPLO DE APLICACION----------------------------------------------------------------------------16

4. VERTEDERO DE PARED DELGADA TRIANGULAR ------------------------------------------19 4.1. DESCRIPCIÓN -----------------------------------------------------------------------------------------19 4.2. EVALUACIÓN DE LA DESCARGA --------------------------------------------------------------------20 4.3. PLANILLA DE TOMA DE DATOS----------------------------------------------------------------------23 4.4. EJEMPLO DE APLICACION----------------------------------------------------------------------------24

BIBLIOGRAFÍA ----------------------------------------------------------------------------------------------26

ANEXOS --------------------------------------------------------------------------------------------------------27

INDICE DE FIGURAS FIGURA 1 VERTEDERO TRIANGULAR DE PARED DELGADA ---------- SISTEMA DE RIEGO CHIYARA QOCHI

SACABAMBA-COCHABAMBA ------------------------------------------------------------------------------ 1 FIGURA 2 VERTEDERO DE PARED DELGADA.---------------------------------------------------------------- 2 FIGURA 3 CONDICIONES DE DESCARGA DE LA LÁMINA VERTIENTE.-------------------------------------- 3 FIGURA 4 SITIO RECOMENDADO PARA EL AFORO. ---------------------------------------------------------- 5 FIGURA 5 POSICIÓN DEL VERTEDERO RESPECTO A LA DIRECCIÓN DEL FLUJO. -------------------------- 6 FIGURA 6 INSTALACIÓN VERTEDERO DE PARED DELGADA ------------------------------------------------ 6 FIGURA 7 ALTURA A LA CRESTA Y ANCHO DE ESPEJO DE AGUA.------------------------------------------ 7 FIGURA 8 ALTURA DE CARGA – VERTEDEROS DE PARED DELGADA -------------------------------------- 8 FIGURA 9 MEDICIÓN DE LA ALTURA DE CARGA.------------------------------------------------------------ 9 FIGURA 10 VERTEDERO RECTANGULAR DE PARED DELGADA ------------------------------------------12 FIGURA 11 VALORES DE KB PARA EL CÁLCULO DEL ANCHO EFECTIVO DE DESCARGA (BE)----------14 FIGURA 12 VERTEDERO TRIANGULAR DE PARED DELGADA --------------------------------------------19 FIGURA 13 VALORES DE CE – VERTEDERO TRIANGULAR CON CONTRACCIÓN COMPLETA.----------21 FIGURA 14 VALORE DE CE – VERTEDERO TRIANGULAR DE 90° CON CONTRACCIÓN PARCIAL. -----21 FIGURA 15 VALORES DE COEFICIENTE DE AJUSTE DE LA ALTURA DE CARGA (KH) -------------------22 FIGURA 16 DISTINTOS MÉTODOS Y ESTRUCTURAS PARA LA MEDICIÓN DEL CAUDAL. ---------------29 FIGURA 17 ENERGÍA ESPECÍFICA --------------------------------------------------------------------------31 FIGURA 18 DESCENSO Y SALTO HIDRÁULICO-------------------------------------------------------------32 INDICE DE TABLAS TABLA 1 RANGO DE CAUDALES - VERTEDEROS RECTANGULAR Y TRIANGULAR PORTÁTILES .......... 4 TABLA 2 RANGO DE MEDICIÓN - VERTEDEROS RECTANGULAR Y TRIANGULAR ............................. 10 TABLA 3 COEFICIENTES EFECTIVOS DE DESCARGA ........................................................................ 13 TABLA 4 LÍMITES RECOMENDABLES DE APLICACIÓN - VERTEDEROS TRIANGULARES..................... 20 INDICE DE ANEXOS ANEXO 1 HIDROMETRÍA – CONCEPTOS ÚTILES------------------------------------------------------------28 ANEXO 2 SISTEMA DE UNIDADES Y FACTORES DE CONVERSIÓN-----------------------------------------30 ANEXO 3 ENERGÍA ESPECÍFICA Y REGÍMENES DE FLUJO. ------------------------------------------------31 ANEXO 4 COEFICIENTES EFECTIVOS DE DESCARGA (CE) – V. RECTANGULAR DE PARED DELGADA-33 ANEXO 5 PLANILLAS DE TOMA DE DATOS -----------------------------------------------------------------34

1

1. INTRODUCCIÓN Los vertedores de pared delgada son estructuras de medición de caudales de alta precisión, cuando funcionan en condiciones apropiadas, y usualmente son empleados para el aforo de caudales a nivel de la red de distribución y en parcela. Numerosos tipos de vertederos de pared delgada han sido desarrollados1: o Vertedero rectangular o Vertedero triangular o Vertedero trapecial (Cipoletti) o Vertedero circular o Vertedero proporcional (Sutro)

Figura 1 Vertedero triangular de pared delgada Sistema de riego Chiyara Qochi

Sacabamba-Cochabamba

La guía aborda los vertederos de pared delgada rectangulares y triangulares, debido a su sencillez constructiva y por ser los más comunes en nuestro medio. Vale remarcar que sólo se abordan vertederos portátiles, las estructuras fijas salen del alcance de la presente guía, sin embargo los temas desarrollados son igualmente aplicables a estas últimas. En un principio, el documento se enfoca sobre aspectos generales relacionados a los vertederos de pared delgada: principio de funcionamiento, condiciones para su empleo, mediciones requeridas y selección del sitio y estructura de aforo. Posteriormente, se detallan los vertederos rectangular y triangular: descripción de la estructura, evaluación de la descarga, requerimientos para su uso, planillas para la toma de datos y ejemplos de aplicación.

1 Referencias detalladas de las diversas estructuras de medición de caudales se pueden encontrar en Bos, 1989: Discharge measurement structures. 3 ed. ILRI publication 20. Wageningen, The Netherlands. 401 p.

2

2. VERTEDEROS DE PARED DELGADA

2.1. DESCRIPCIÓN

Los vertederos de pared delgada son estructuras que represan el flujo para provocar su descarga por encima de las mismas, dando lugar a una lámina vertiente sobre el cuerpo del vertedero con líneas de flujo fuertemente curvadas. Estas estructuras se denominan de cresta o pared delgada porque la misma tiene un espesor menor o igual a 2 mm, en muchos casos este espesor se consigue biselando (afilando) los lados de la ventana del vertedero, ver Figura 2.

Figura 2 Vertedero de pared delgada.

En general, estas estructuras son empleadas cuando se requiere alta precisión en la medición de caudales. Los vertederos de pared delgada presentan las siguientes ventajas y desventajas:

Ventajas Desventajas Medición precisa para un amplio rango de caudales. Fácil construcción e instalación en canales de tierra. Económico.

Ocasiona una fuerte pérdida de carga. Muy mala capacidad para el paso de sedimentos y material flotante arrastrado por el flujo. Inapropiados para canales revestidos* (estructuras portátiles).

* Revestimientos de hormigón o piedra. Sin embargo, es posible dejar guías para la instalación del vertedor, en estos casos, las dimensiones del mismo serán específicas para cada caso particular.

2.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

En los vertederos de pared delgada el concepto de flujo crítico no es aplicable (Bos, 1989). La derivación de la relación entre el caudal y la altura de carga se basa en el principio de Torricelli ( gHv 2= ), la cual puede ser expresada de manera general como sigue:

Q = caudal K = coeficiente h1 = altura de carga

El valor de “u” puede variar de 1.0 a 2.5 de acuerdo a la forma geométrica del vertedero.

Vertedero u Rectangular 1.5 Triangular 2.5

uKhQ 1=

p1

h1

h2

1 a 2 mm

Aguas arriba

3

La precisión de los vertederos de cresta delgada es alta, en condiciones apropiadas puede tener errores de menos del 1%. Por lo general, en condiciones de campo se tienen errores de alrededor del 5%. Al respecto, tanto el vertedero rectangular como el vertedero triangular de pared delgada presentan una alta precisión.

2.3. CONDICIONES PARA SU UTILIZACION

El uso de los vertederos de pared delgada portátiles está condicionado a los siguientes aspectos principales:

2.3.1. Descarga libre

Para obtener esta elevada precisión es necesario que la lámina vertiente descargue completamente libre, asegurando que la presión sobre la misma sea la atmosférica. Una altura de carga suficiente (3 a 5 cm) y un nivel aguas abajo lo suficientemente bajo generan condiciones apropiadas para no interferir con la ventilación adecuada de la lámina vertiente (descarga libre), ver Figura 3.

Figura 3 Condiciones de descarga de la lámina vertiente.

LAMINA VERTIENTE LIBRE

AIRE (Presión atm.)

LAMINA VERTIENTE LIBRE

LAMINA VERTIENTE

LIBRE LAMINA

VERTIENTE NO AIREADA

4

En consecuencia, se requiere una pérdida de carga considerable (diferencia de nivel aguas arriba y aguas abajo) para el apropiado funcionamiento del vertedor. Este aspecto es considerado como una de las mayores desventajas de este tipo de estructuras de aforo. Sin embargo, en la zona montañosa de nuestro país, por lo general no existen limitaciones al respecto, al contrario, se dispone de carga hidráulica.

2.3.2. Caudales a ser medidos

Los vertederos de pared delgada permiten medir un amplio rango de caudales: menores a 1 l/s hasta mayores a 100 l/s, en caso de vertederos fijos pueden medirse caudales de hasta 800 l/s. En la Tabla 1 se resumen los valores de caudales que pueden ser medidos con vertederos portátiles de dimensiones usuales. Tabla 1 Rango de caudales - Vertederos rectangular y triangular portátiles

Tipo de vertedero Ancho (bc) cm

Altura (H) cm

Caudal mínimo (l/s)

Caudal máximo (l/s)

Rectangular 30 cm 20 3.0 30.0 45 cm 25 4.5 70.0 60 cm 30 6.0 130.0

θ Contracción completa 0.8

Contracción completa 18

Triangular

90° 35 Contracción parcial 0.8

Contracción parcial 70.0

Los valores de caudal indicados han sido calculados tomando en cuenta algunas dimensiones usuales y parámetros recomendados para el adecuado funcionamiento de estas estructuras (ver 3.1 y 4.1).

2.3.3. Características del canal o cauce natural

El uso de estos vertederos (portátiles) está condicionado a canales que no presenten alta permeabilidad2.

El canal debe presentar suficiente bordo libre para evitar el desbordamiento del flujo aguas

arriba debido al remanso ocasionado por el vertedero.

La pendiente del canal tiene que ser suave a moderada y uniforme. En canales con pendiente pronunciada, el vertedero ocasionará resalto hidráulico (fuerte turbulencia).

En canales con cortes profundos se dificulta la medición.

2.3.4. Características del flujo

Este tipo de estructuras de aforo no es recomendable usarlas en casos de que el flujo arrastre mucho material flotante pues tienden a obstruirse. Tampoco es recomendable usarlas cuando el flujo arrastra material de fondo y/o en suspensión, pues constituye una barrera al flujo que

2 Se considera canal a cauces naturales y acequias.

bc H

θ Η

5

ocasiona la acumulación de material al pie de la estructura, modificando progresivamente el valor de p1 (altura a la cresta del vertedor). Otras condicionantes generales, relacionadas a la realización de mediciones con estructuras de aforo, son desarrolladas a continuación.

2.4. SITIO DE AFORO E INSTALACIÓN DEL VERTEDERO

2.4.1. Elección de sitio de aforo

En la mayoría de los casos la elección del sitio de aforo puede ser realizada por inspección visual, para este fin se recomienda tomar en cuenta los siguientes aspectos:

El sitio debe ser fácilmente accesible e identificable (referenciado).

El flujo en el sitio debe ser preferentemente normal (permanente y uniforme) y tener régimen subcrítico, para mayores detalles ver Anexo 3.

El canal debe tener un tramo lo más largo y recto posible, con una sección regular. Se

recomienda que, para asegurar mediciones precisas, la longitud aguas arriba sea diez veces o más el ancho promedio de la sección (La ar ≥ 10B), ver Figura 4.

Figura 4 Sitio recomendado para el aforo.

Las condiciones del canal aguas abajo no tienen importancia siempre que la lámina vertiente

sobre la cresta del vertedor sea libre.

La velocidad del flujo de aproximación a la estructura (aguas arriba) debe ser inferior a 0.15 m/s (15 cm/s)3, este límite se recomienda para evitar turbulencia y lograr una superficie de agua lo suficientemente tranquila para la medición exacta de la altura de carga.

El canal debe estar libre de perturbaciones: remolinos, remansos o retorno de flujos, observar

cambios súbitos de sección, juntas, obstrucciones, entradas o salidas de flujo.

Evitar otras estructuras aguas abajo que pudiesen influenciar el nivel de agua, el vertedero funcionará adecuadamente en condiciones de lámina vertiente libre.

La adecuada elección del sitio contribuye a lograr una mayor precisión en las mediciones. Al respecto, es importante tener en cuenta que si no existen condiciones ideales para el aforo, por lo general, es posible crearlas. 3 Al respecto, se recomienda que el número de Froude [Fr = v1/raiz(g*A1/B1)] no sea mayor a 0.5 (Fr ≤ 0.5).

L a ar ≥ 10B

B

Aguas arriba

Aguas abajo

Sitio de aforo

6

Una vez elegido el sitio de aforo se procede a la instalación del vertedero, para ello se cuidarán los siguientes aspectos:

2.4.2. Instalación del vertedero

El plano del vertedero debe ser perpendicular a la dirección del flujo y la arista de la cresta ubicada aguas arriba, ver Figura 5.

Figura 5 Posición del vertedero respecto a la dirección del flujo.

La cresta debe ser recta y estar nivelada de manera que quede horizontal. Conviene

comprobar periódicamente la horizontalidad de la cresta.

La altura de la cresta sobre el fondo del canal de llegada (p1) no debe estar a menos de 10 cm de altura (ver Figura 2), por ello se debe controlar este valor a medida que se realiza el hincado de la estructura en el canal, es útil que el vertedero tenga marcas para conocer el valor de p1 sin necesidad de medir. Otros vertederos presentan un tope para el hincado de forma que el valor de p1 es fijo y conocido.

Impermeabilizar cuidadosamente los laterales entre la estructura y las paredes del canal para

evitar filtraciones. Por lo general no es necesario impermeabilizar el fondo, sin embargo, cuando el material del canal es sensiblemente permeable será necesario hacerlo, aunque en estas condiciones no es recomendable el aforo con este tipo de estructuras.

Instalado el vertedero, como se muestra en la Figura 6, se procederá a la toma de datos.

Figura 6 Instalación vertedero de pared delgada

FLUJO

Aguas arriba

Aguas abajo

Arista cresta vertedero

90°

p1

90°

7

2.5. MEDICIONES HIDRÁULICAS NECESARIAS Y PROCEDIMIENTO DE TOMA DE DATOS

Una vez instalado el vertedero se debe esperar un tiempo para que el flujo se estabilice, generalmente 15 a 20 minutos, entonces se podrán realizar las mediciones necesarias para el cálculo del caudal.

2.5.1. Altura a la cresta y ancho de espejo de agua

La altura a la cresta del vertedero (p1) y el ancho de espejo de agua (B1) son variables de importancia para la determinación del caudal en los vertederos de pared delgada, ambas se obtienen por medición directa, ver Figura 7.

FLUJO

p 1

FLUJO B 1

Figura 7 Altura a la cresta y ancho de espejo de agua.

Primero se toma la medida de la altura a la cresta del vertedero (p1), esta medida se toma desde el fondo del canal, aguas arriba de la estructura. Posteriormente, se mide el ancho promedio del espejo de agua (B1) correspondiente a h1, en el tramo de aproximación aguas arriba del vertedor. En canales con sección poco uniforme se recomienda tomar varias medidas del ancho de espejo de agua a lo largo del tramo de aproximación (aguas arriba) para tomar un valor promedio. Sin embargo, es recomendable elegir tramos uniformes o de lo contrario acondicionar el mismo con ayuda de un azadón. En canales de sección trapecial o parabólica, como son la mayoría de los canales no revestidos, el valor de B1 podría ser ajustado a un valor promedio según su variación de acuerdo con la forma del canal, sin embargo, por razones prácticas no se recomienda realizar este ajuste. Por ejemplo: Canal trapecialVertedor rectangular

(1) Ancho cresta bc 30 cm Valor medido(2) Altura de carga h1 14 cm Valor medido(3) Talud canal z 0,5 Valor calculado(4) Ancho espejo de agua

(superficie) B1' 84 cm Valor medido

(5) Ancho a nivel de la cresta B1

'' 70 cm (4) - 2*(2)*(3)(6) Ancho espejo de agua

(promedio) B1 77 cmPromedio entre:(4) y (5)

(7) Relación bc/B1' 0,36 (2) / (4)

(8) Relación bc/B1 0,39 (2) / (6)

B’1

B”1

8

En el ejemplo anterior se puede observar que los valores de la relación (bc/B1) calculados con el ancho de espejo de agua (ancho en la superficie) y con el ancho promedio prácticamente no difieren y como se verá más adelante (4.2) no tienen significancia para el cálculo del caudal. Por tanto, para una mayoría de situaciones prácticas no será necesario ajustar el valor de B1.

2.5.2. Niveles de agua

La medición de niveles de agua, con el propósito de determinar la altura de carga (h1) sobre el vertedero, constituye la tarea principal en este tipo de estructuras y merece el mayor de los cuidados. La altura de carga debe ser medida aguas arriba del vertedero a una distancia entre 3 a 4 veces la carga máxima esperada (d = 3 a 4h1max), con relación a la cresta del vertedero, ver Figura 8.

Vista en Planta Vista A-A’

Figura 8 Altura de carga – vertederos de pared delgada

La altura de carga sobre la cresta del vertedero puede ser medida directamente o indirectamente. Sin embargo, es recomendable hacerlo de forma indirecta para lograr mayor precisión, para ello se recomienda el uso de un limnímetro, instrumento adecuado para realizar esta medición. Sin embargo, en condiciones de campo normalmente no se dispone de un limnímetro, por ello se suele emplear un perfil metálico o listón recto sin deformaciones, el cual constituirá el nivel de referencia para la medición, y una regla o flexómetro. El perfil metálico o listón de madera tiene que ser lo suficientemente largo para atravesar desde el vertedero hasta la berma del canal, ver Figura 8 (vista en planta). Una vez nivelado el listón, se toma la altura desde el mismo hasta la cresta del vertedero (Hc), valor constante. Posteriormente, se mide la altura desde el listón (nivel de referencia) hasta la superficie del agua (Hs). Recordar que esta medición debe ser realizada a una distancia aguas arriba del vertedero 3 a 4 veces la altura de carga máxima esperada (h1max.) sobre la cresta del vertedero. Finalmente, la altura de carga sobre el vertedero (h1) se calcula por diferencia:

sc HHh −=1

d = 3 a 4h1

Nivel de referencia (listón)

A A’

Aguasarriba

d = 3 a 4 h1

Nivel de referencia

Hc

Hs

h1

9

La forma usual para la medición en campo de la altura de carga se ilustra en la Figura 9. Con estos datos será posible calcular por diferencia el valor de la altura de carga sobre la cresta del vertedero (h1). En algunos casos es posible emplear una manguera para determinar el nivel de agua aguas arriba del vertedero, el cual comparado con el nivel de la cresta nos permite determinar la altura de carga. Esta forma presenta limitaciones cuando la manguera es susceptible a taponamientos a causa de materiales arrastrados por el agua.

Figura 9 Medición de la altura de carga.

La adecuada y cuidadosa medición de niveles de agua contribuye a lograr una mayor precisión en la medición del caudal. Durante el tiempo en que se realizan las mediciones, es recomendable comprobar periódicamente la correcta instalación del vertedero de modo que no existan fugas en la estructura y que la estructura se mantiene nivelada y vertical. En caso contrario se debe corregir la posición y verificar nuevamente el nivel, la verticalidad y la distancia del fondo del canal a la cresta (p1), además se tendrá que esperar un tiempo hasta que el flujo se estabilice nuevamente y continuar con las mediciones. Además, se recomienda controlar la existencia de piedras, sedimentos, hierbas y material de arrastre que pueden afectar el adecuado funcionamiento del vertedero.

2.6. ELECCIÓN DEL TIPO DE VERTEDERO

La elección del tipo de vertedero depende de los siguientes aspectos principales:

2.6.1. Pérdida de carga requerida

Estructuras con alta capacidad de descarga se caracterizan por altos coeficientes de descarga (Cd) y por ende requieren de menor pérdida de carga. El vertedero rectangular presenta coeficientes de descarga ligeramente superiores al vertedero triangular, en consecuencia, para un mismo caudal provocará un menor remanso aguas arriba de la estructura.

2.6.2. Rango de medición de caudales

El rango de medición de caudales está definido como: ϒ = Qmax/Qmin. Los vertederos triangulares alcanzan mayores rangos de medición que los rectangulares:

10

En la Tabla 2 se muestra un ejemplo comparativo de rango de medición para un vertedor rectangular y un vertedor triangular: Tabla 2 Rango de medición - Vertederos rectangular y triangular

Vertedero rectangular hmin (cm) hmax (cm) Qmin (l/s) Qmax (l/s) ϒ=Qmax/Qmin

Ancho cresta (bc): 45 cm 5.0 15 9 46 ~5

Vertedero triangular

Angulo: 90° 5.0 24 0.8 39 ~50 En el ejemplo, los valores de hmín y hmáx responden a las condiciones para un funcionamiento adecuado de estas estructuras (ver 4.1 y 5.1). Se observa que el rango de medición del vertedor triangular es mucho mayor al del vertedor rectangular, alrededor de 10 veces más. Por esta razón, los vertederos triangulares se acomodan mejor a situaciones en las que el flujo presenta altas variaciones en cortos periodo de tiempo, por ejemplo descarga de pequeños estanques o atajados.

2.6.3. Capacidad para transportar material sólido

En general, los vertederos de pared delgada presentan una pobre capacidad de transporte de material sólido: sedimentos y material flotante. No obstante, tratándose de estructuras de medición portátiles es posible controlar, durante la medición, posibles obstrucciones por material flotante (ramas, hojas, etc). La sedimentación al pie de la estructura podría ser despreciable debido a los periodos relativamente cortos de medición, siempre que el flujo no arrastre excesivo material, de otro modo, la altura desde la solera a la cresta del vertedor podría variar rápidamente, ocasionando imprecisiones en la medición del caudal.

2.6.4. Sensibilidad

La precisión con la cual puede ser determinado el caudal, no sólo depende del error en el coeficiente de descarga, también depende de la sensibilidad (S) de la estructura de aforo. La sensibilidad se expresa como la variación de la descarga a causa de los cambios relativos en el nivel de agua aguas arriba o errores en la medición de la altura de carga. En consecuencia, una mayor sensibilidad de la estructura de aforo implica un mayor error probable en la medición de la descarga.

1hhuS ∆

= , u = potencia en la ec. Q=Kh1u

Los orificios son estructuras menos sensibles (u=0.5) y los vertederos triangulares de pared delgada, entre otros, los más sensibles (u=2.5). La sensibilidad se incrementa para valores mayores de u y para valores pequeños de h1, razón por la cual, en caso de vertederos triangulares y alturas de carga pequeñas se deben extremar esfuerzos para realizar con exactitud la medición de h1.

11

Ejemplo:

En el ejemplo anterior se asume que se comete un error en la medición de la altura de carga (h1) del orden de 0.5 cm (5 mm), este error puede traducirse en un error en la medición del caudal similar al valor de la sensibilidad, para el vertedero rectangular se estaría cometiendo un error algo menor al 15% en la medición del caudal, y en el caso del vertedero triangular un error algo menor al 25%. A continuación se presenta un resumen comparativo entre ambos tipos de vertederos. El vertedero rectangular con respecto al vertedero triangular:

Presenta mayores coeficientes de descarga. Ocasiona menor remanso (menor bordo libre requerido). Permite la medición de caudales mayores. Presenta mayor capacidad de transporte de material flotante. Tiene menor sensibilidad y en consecuencia menor error probable en la medición del caudal

en condiciones de campo. Menos apropiado para casos de alta variabilidad de caudal en el flujo.

Algunas diferencias son poco significativas comparadas con otras estructuras de aforo.

Vertedor Rectangular Vertedor Triangular

Expresión para el cálculo de la descarga

Valor de "u" 1,5 2,5

Condición de descarga Contracción completa Contracción completaAltura de carga medida (h1) 0,050 m 0,050 mVariación de la altura de carga (∆h) 0,005 m 0,005 mSensibilidad (S=u*∆h/h1) 15,0 % 25,0 %

5.2)2

tan(2158

ee hgCQ θ=5.12

32

eee hbgCQ =

12

3. VERTEDERO DE PARED DELGADA RECTANGULAR

3.1. DESCRIPCIÓN

Los vertederos rectangulares de pared delgada se caracterizan porque la forma de la ventana creada para el vertido del flujo es rectangular, existen tres tipos:

Vertedero de contracción completa (bc < B1) Vertedero sin contracción lateral (vertedero Rehbock: bc = B1) Vertedero de contracción parcial

En general, los tres tipos de vertederos deben ser empleados en canales rectangulares. Sin embargo, el vertedero rectangular de contracción completa puede ser empleado independientemente de la forma del canal, siempre que la velocidad del flujo de aproximación sea despreciable (B1(h1 + p1) ≥ 10bch1), por esta razón es el más ampliamente utilizado, ver Figura 10.

Figura 10 Vertedero rectangular de pared delgada

Fuente: Bos, 1989 Para un adecuado funcionamiento del vertedero y una medición confiable se recomiendan los siguientes límites (Bos, 1989):

Lámina vertiente

3 a 4 veces h1 max.

B1 – bc ≥ 4h1 h1/p1 ≤ 0.5, hasta un máximo de h1/p1 ≤ 2 h1/bc ≤ 0.5 3 cm ≤ h1 ≤ 60 cm bc ≥ 15 cm p1 ≥ 10 cm

13

3.2. EVALUACIÓN DE LA DESCARGA

La ecuación de descarga del vertedero rectangular de pared delgada es la siguiente:

5.112

32 hbgCQ ce= (1)

El coeficiente efectivo de descarga (Ce) depende de la relación bc/B1 y h1/p1. Su valor puede ser calculado según la Tabla 3. Tabla 3 Coeficientes efectivos de descarga

bc/B1 Ce 1.0 0.602 + 0.075 h1/p1 0.9 0.599 + 0.064 h1/p1 0.8 0.597 + 0.045 h1/p1 0.7 0.595 + 0.030 h1/p1 0.6 0.593 + 0.018 h1/p1 0.5 0.592 + 0.011 h1/p1 0.4 0.591 + 0.0058 h1/p1 0.3 0.590 + 0.0020 h1/p1 0.2 0.589 - 0.0018 h1/p1 0.1 0.588 - 0.0021 h1/p1

∼ 0.0 0.587 - 0.0023 h1/p1 Fuente: Kindsvater y Carter, 1957 en Bos, 1989 Se puede esperar un error en el coeficiente efectivo de descarga (Ce) menor al 1%, cuando la estructura ha sido construida en forma cuidadosa. Los valores de Ce también pueden ser obtenidos gráficamente (ver Anexo 4), este procedimiento se justifica cuando se desea realizar un cálculo rápido del caudal. Muchas veces, la relación bc/B1 no tienen un valor exactamente igual a los indicados en la tabla anterior, en estos casos se recomienda tomar la relación más próxima para el cálculo del coeficiente efectivo de descarga (Ce), ver ejemplo:

Donde: Q = Caudal (m3/s) Ce = Coeficiente efectivo de descarga g = Aceleración de la gravedad (9.81 m/s2) bC = Ancho de la cresta del vertedor (m) h1 = Altura de carga sobre el vertedor (m)

14

Datos de campo:

bc B1 bc/B1 bc/B1 aprox0,3 0,8 0,38 0,40

h1 p1 h1/p10,08 0,2 0,4

bc/B1 Exp. cálculo Ce Ce Q Error (∆Q/Q)0.4 0.591 + 0.0058 h1/p1 0,593 11,890.3 0.590 + 0.0020 h1/p1 0,591 11,84

0,4%

5.112

32 hbgCQ ce=

En el ejemplo anterior se observa que aproximar la relación bc/B1 induciría a cometer un error menor al 0.4 %, que para fines prácticos no es significativo. Para el cálculo del caudal con mayor precisión, Kindsvater y Carter (1957) recomiendan ajustar el valor del ancho de la cresta del vertedero (bc) y la lectura de la altura de carga medida (h1) de la siguiente manera: he = h1 + Kh, Kh = 0.001 m be = bc + Kb, Kb (ver Figura 11)

Figura 11 Valores de Kb para el cálculo del ancho efectivo de descarga (be)

Fuente: Kindsvater y Carter, 1957 en Bos, 1989

Relación bc/B1

Valores de Kb (m)

5.1232

eee hbgCQ = (2)

15

A continuación se muestra un ejemplo de ajuste:

Vertedor Rectangular


Condición de descarga Contracción completaAltura de carga medida (h1) 0,050 m (1)Coeficiente de ajuste altura de carga (Kh) 0,001 m (2) PreestablecidoAltura de carga efectiva (he) 0,051 m (3)=(1)+(2)Ancho cresta vertedor (bc) 0,450 m (4)Coeficiente de ajuste ancho cresta (Kb) 0,003 m (5) Figura 11Ancho efectivo del vertedor (be = bc + Kb) 0,453 m (6)=(4)+(5)Coeficiente efectivo de descarga (Ce) 0,60 (7)

Caudal sin ajustar (Q) 8,97 l/s (8)=Fórmula 1

Caudal ajustado (Qajust) 9,24 l/s (9)=Fórmula 2

∆Q 0,27 l/s (10)=(9)-(8)

Error (∆Q/Qajust) 2,9 % (11)=(10)/(9)*100

5.1232

eee hbgCQ =

En el ejemplo anterior, se tendría un error de alrededor del 3% si el caudal no fuese ajustado. El porcentaje de error relacionado al ajuste será menor a medida que los valores de altura de carga sean mayores, esto significa que cuando se tienen valores pequeños de altura de carga (h1) se deben maximizar esfuerzos para realizar las mediciones con precisión.

3.3. REQUERIMIENTOS PARA SU USO

El empleo del vertedero rectangular de pared delgada requiere de una sola persona, tanto para su instalación como para la toma de datos. En caso de caudales por encima de los 15 l/s es recomendable la participación de dos personas para su adecuada instalación, la fuerza del flujo puede dificultar la instalación cuando sólo una persona quiere hacerlo. El tiempo aproximado para la instalación y preparación para la toma de datos es de 30 minutos. Los materiales y equipos requeridos se listan a continuación:

Vertedero Nivel de albañil Flexómetro Azadón Combo Plástico Listón o perfil metálico (rectos) Regla o varilla Tablero Planilla de campo

16

3.4. PLANILLAS DE TOMA DE DATOS

Con la finalidad de facilitar y sistematizar la toma de datos acerca del aforo se sugieren dos planillas:

Planilla de información general del aforo. Planilla de toma de datos – aforo con vertedero rectangular de pared delgada.

En el Anexo 5 se presentan ambas planillas en blanco para ser fotocopiadas.

3.5. EJEMPLO DE APLICACION

18

Responsable(s): Daniel Vega Código de aforo:

Oscar Delgadillo

Fecha: 01-Ago-03

Fórmula vertedor rectangular

Datos de campo (m):

Ancho cresta vertedor: bc 0,30 (1)

1 2 3Altura cresta vertedor: p1 0,20 (2)

Ancho espejo de agua: B1 0,90 (3)

Altura a la cresta: Hc 0,330 (4)

Altura superficie libre de agua: Hs 0,245 (5)

Relación: bc/B1 0,30 (6)= (1)/(3)

Altura de carga: h1 0,085 (7)= (4) - (5)

Relación: h1/p1 0,43 (8)= (7)/(2)

Coeficiente efectivo de descarga: Ce 0,591 (9)= Tabla 2 (bc/B1=0,3)

Coeficiente de ajuste: Kh 0,001 (10)= preestablecido

Altura de carga efectiva: he 0,086 (11)= (7) + (10)

Coeficiente de ajuste: Kb 0,0027 (12)= Figura 11

Ancho efectivo de la cresta: be 0,303 (13)= (1) + (12)

Caudal (m3/s) Q 0,013 (14)= Fórmula 2

Caudal (l/s) Q 13,3 (15)= (14) * 1000

Nº de hoja: 3

01-II-03

PLANILLA DE CALCULO - VERTEDOR RECTANGULAR DE PARED DELGADA

��

��

��

5.1232

eee hbgCQ =

19

4. VERTEDERO DE PARED DELGADA TRIANGULAR

4.1. DESCRIPCIÓN

Los vertederos triangulares de pared delgada se caracterizan porque la forma de la ventana creada para el vertido del flujo es triangular. El vertedero triangular de pared delgada es uno de las estructuras más precisas para la medición de un amplio rango de caudales, este tipo de vertedero también es conocido como vertedero Thomson, ver Figura 12.

Figura 12 Vertedero triangular de pared delgada

Fuente: Bos, 1989 Los vertederos triangulares, por las características de su descarga, comprenden dos tipos:

Vertedero con contracción parcial, se presenta cuando no existe una contracción completa a lo largo de los lados de la ventana del vertedero debido a su proximidad con las paredes o fondo del canal de aproximación.

Vertedero con contracción completa, se presenta cuando las paredes y fondo del canal de aproximación se hallan lo suficientemente alejadas de la ventana del vertedero, de forma tal que se produce una contracción completa del flujo al atravesar la misma.

Para cada uno de los casos indicados existen limites característicos y rangos recomendables de aplicación, ver Tabla 4:

Lámina vertiente

3 a 4 veces h1

20

Tabla 4 Límites recomendables de aplicación - vertederos triangulares

Vertedero con contracción parcial

Vertedero con contracción completa

h1/p1 ≤ 1.2 h1/B1 ≤ 0.4 p1 ≥ 10 cm B1 ≥ 60 cm 5 cm < h1 ≤ 60 cm θ = 90°

h1/p1 ≤ 0.4 h1/B1 ≤ 0.2 p1 ≥ 45 cm B1 ≥ 90 cm 5 cm < h1 ≤ 38 cm 25° ≤ θ ≤ 100°

Fuente: ISO 1971, Francia en Bos, 1989 De la tabla anterior puede intuirse, desde un punto de vista hidráulico, que para alturas de carga pequeñas, el vertedero funciona con contracción completa y a medida que se incrementa la altura de carga tiende a funcionar como parcialmente contraído. Los vertederos que se espera funcionen con contracción parcial deben ser instalados solamente en canales de aproximación rectangulares. Además, debido a la falta de información experimental sobre coeficientes de descarga para amplios rangos de h1/p1, h1/B1, sólo se recomienda usar vertederos con un ángulo de escotadura de θ = 90°. En el caso de vertederos triangulares con contracción completa es posible instalarlos en canales de aproximación no rectangulares, siempre que la sección transversal de dicho canal no sea menor que la de un canal rectangular, como se recomienda en la Tabla 4.

4.2. EVALUACIÓN DE LA DESCARGA

La ecuación de descarga para vertederos triangulares de pared delgada, tanto con contracción completa como con contracción parcial, es la siguiente:

5.21)

2tan(2

158 hgCQ e

θ= (3)

El coeficiente efectivo de descarga (Ce) depende de los siguientes parámetros: h1/p1, h1/B1, θ. Vertedero triangular con contracción completa En caso de vertederos con contracción completa, cuando se cumple h1/p1 ≤ 0.4 y h1/B1 ≤ 0.2, el valor de Ce depende únicamente del valor del ángulo de la escotadura (θ) como se muestra en la Figura 13.

21

Figura 13 Valores de Ce – Vertedero triangular con contracción completa.

Fuente: Bos, 1989 Vertedero triangular con contracción parcial En caso de vertederos con contracción parcial, el valor de Ce, además de ser función del ángulo de la escotadura (θ), también depende de las relaciones h1/p1, h1/B1. La estimación del valor de Ce para un ángulo de escotadura θ = 90° se determina con ayuda de la Figura 14.

Figura 14 Valore de Ce – Vertedero triangular de 90° con contracción parcial.

Fuente: British Standard e ISO/TC 113/GT2 Francia, 1971, en Bos, 1989. Vale recordar que para estos casos (contracción parcial) se recomienda sólo el uso de vertederos con un ángulo de escotadura θ = 90°, de lo contrario será necesario que el vertedero sea específicamente calibrado en laboratorio o campo. En situaciones en las cuales se presentan variaciones importantes de carga (h1), se recomienda que el ángulo de la escotadura del vertedero sea de 90°.

Angulo de escotadura en grados (°)

Valor de Ce

Valor de Ce

Valor de h1/P1

22

La precisión en la determinación del coeficiente efectivo de descarga del vertedero triangular (Ce) puede esperarse que sea del 1% para el caso de vertederos con contracción completa y entre 1% y 2% para vertederos con contracción parcial, siempre que la estructura sea construida siguiendo las recomendaciones indicadas para su adecuado funcionamiento. Al igual que para el vertedero rectangular de pared delgada, Kindsvater y Carter (1957) recomiendan ajustar la lectura de la altura de carga medida (h1) de la siguiente manera: he = h1 + Kh, Kh (ver Figura 15)

Figura 15 Valores de coeficiente de ajuste de la altura de carga (Kh)

A continuación se muestra un ejemplo de ajuste:

Vertedor Triangular


Condición de descarga Contracción completaAltura de carga medida (h1) 0,0500 m (1)Coeficiente de ajuste altura de carga (Kh) 0,0008 m (2) Figura 15Altura de carga efectiva (he) 0,0508 m (3)=(1)+(2)Angulo de la escotadura (θ ) 90 ° (4)Coeficiente efectivo de descarga (Ce) 0,578 (5)=Figura 13

Caudal sin ajustar (Q) 0,76 l/s (6)=Formula 3

Caudal ajustado (Qajust) 0,79 l/s (7)=Formula 4

∆Q 0,03 l/s (8)=(7)-(6)

Error (∆Q/Qajust) 3,9 % (9)=(8)/(7)*100

5.2)2

tan(2158

ee hgCQ θ=

Valor de Kh (mm)

Angulo de escotadura en grados (°)

5.2)2

tan(2158

ee hgCQ θ= (4)

23

Observe en el ejemplo anterior que se obtendría un error de alrededor del 4% si el caudal no fuese ajustado. Al igual que para el vertedero rectangular, el porcentaje de error relacionado al ajuste será menor a medida que los valores de altura de carga sean mayores. Sin embargo, en el vertedero triangular el error para alturas de carga pequeñas puede ser más alto debido a que tiene mayor sensibilidad (S) que el vertedero rectangular (ver acápite 3.6.1). Finalmente, los requerimientos para el uso de este tipo de vertedero y la toma de datos son iguales a los indicados para el vertedero rectangular de pared delgada, ver 4.3. y 4.4. Al respecto, vale aclarar que la medición de la altura de carga en el vertedero triangular debe ser realizada en forma mucho más cuidadosa por las razones antes expuestas.

4.3. PLANILLA DE TOMA DE DATOS

Las planillas de información general del aforo es la misma que para el vertedero rectangular

y la planilla de toma de datos presenta una pequeña modificación. En el Anexo 5 se presentan las planillas correspondientes en blanco para ser fotocopiadas.

24

4.4. EJEMPLO DE APLICACION

El sitio de aforo para el ejemplo mostrado a continuación es el mismo que fue mostrado en el ejemplo para el vertedero rectangular, por esta razón ya no se muestra la planilla general del aforo (ver planilla página 20).

25

Responsable(s): Daniel Vega Código de aforo:

Oscar Delgadillo

Fecha: 01-Ago-03

Fórmula vertedor triangular

Datos de campo (m):

Angulo de escotadura (°): θ 90 (1)

1 2 3Altura cresta vertedor: p1 0,15 (2)

Ancho espejo de agua: B1 1,00 (3)

Altura a la cresta: Hc 0,420 (4)

Altura superficie libre de agua: Hs 0,264 (5)

Altura de carga: h1 0,156 (6)= (4) - (5)

Relación: h1/p1 1,0 (7)= (6)/(2)

Relación: h1/B1 0,16 (8)= (6)/(3)

Control tipo de contracción: FALSO c. parcial (9)= según Tabla 3

Coeficiente efectivo de descarga: Ce 0,581 (10)= Según (9) c. completa: Figura 13

c. parcial: Figura 14

Coeficiente de ajuste: Kh 0,001 (10)= Figura 15

Altura de carga efectiva: he 0,157 (11)= (6) + (10)

Caudal (m3/s) Q 0,013 (12)= Fórmula 4

Caudal (l/s) Q 13,2 (13)= (12) * 1000

Nº de hoja: 3

01-II-02

PLANILLA DE CALCULO - VERTEDOR TRIANGULAR DE PARED DELGADA

��

��

��

5.2)2

tan(2158

ee hgCQ θ=

26

BIBLIOGRAFÍA

(1) BOS, M. G. 1989. Discharge measurement structures. 3 ed. Wageningen, The Netherlands.

International Institute for Land Reclamation and Improvement (ILRI). 401 p. (2) BOITEN, W. 2000. Hydrometry. Rótterdam, The Netherlands. Balkema. IHE Delft lecture

notes series. 246 p.

27

ANEXOS

28

Anexo 1 Hidrometría – conceptos útiles

HIDROMETRÍA Definición Hidrometría significa medición del agua. “Actualmente, la hidrometría se define como la medición del flujo (caudal) en cursos de agua abiertos (canales, cauces naturales), complementada con la medición de niveles de agua, niveles de lecho (fondo) y transporte de sedimentos” (Boiten, 2000). En el presente manual nos centramos en la medición de caudales, que constituye la parte principal de la hidrometría, por tanto no se abarcan temas como: batimetría y medición de sedimentos, tampoco se trata el aforo en conductos a presión. Aplicaciones generales De acuerdo con la definición arriba indicada, las aplicaciones de la hidrometría son amplias, específicamente las relacionadas con la medición de flujo giran alrededor de la determinación de la oferta de agua superficial, sub-superficial y subterránea y/o su disponibilidad. Estas aplicaciones pueden ser: • Planificación para el aprovechamiento de recursos hídricos. • Desarrollo de modelos hidrológicos (predicciones). • Balances hídricos. • Diseño de obras hidráulicas: presas, reservorios, tomas, estructuras de aforo, drenaje, etc. • Diseño de obras de protección. • Gestión del agua: asignación y distribución de agua. • Evaluación de eficiencias de uso del agua. • Usos del agua: caudales manejados, volúmenes y láminas empleadas. Mediciones de caudales La medición del caudal es básicamente indirecta, por ser una magnitud física derivada4, aunque algunos instrumentos o estructuras de medición puedan proporcionarnos registros directos de caudales. La determinación de caudales está sustentada en las diferentes relaciones existentes entre el caudal y otras magnitudes físicas, teniendo como principio la definición de caudal. En base a estas relaciones se han desarrollado varios métodos y estructuras de medición de caudales (aforo), ver Figura 16:

4 La magnitud física derivada es la que tiene una relación funcional con las magnitudes fundamentales. Por ejemplo: Caudal (Q) = f([L], [T]), por tanto el caudal es una magnitud física derivada (cinemática) y está relacionada funcionalmente con las magnitudes físicas fundamentales Longitud [L] y Tiempo [T].

29

Relación: Caudal, Volumen y Tiempo

tVQ =

Definición de Caudal

AvQ *=

Relación: Caudal, Velocidad y Area

AvQ *=

Relación: Caudal, Pendiente y Area

ba igeomKQ *.)(*=

Relación: Caudal, Tirante o Altura de carga

uhKQ *=

- Volumétrico - Gravimétrico- Dilución

- Flotador- Molinete- Sensor electromagnético- Chorro

- Pendiente - Area

- Vertederos pared delgada- Aforador RBC- Aforador Parshall

Figura 16 Distintos métodos y estructuras para la medición del caudal.

Los Vertederos de Pared Delgada son estructuras en las cuales la medición del caudal se fundamenta en la relación entre el Caudal y el tirante o altura de carga.

30

Anexo 2 Sistema de unidades y factores de conversión

Prefijos usuales y sus símbolos unidad 1 1 (c) centi 10-2 0.01 (m) mili 10-3 0.001 Sistemas de unidades

Sistema Longitud [L]

Masa [M]

Tiempo [T]

Fuerza [F]

Métrico MKS Absoluto (Sistema Internacional)

Metro (m)

Kilogramo masa (Kg) Segundo

(s)

Newton (N)

N=Kg*m/s2

Inglés Ingeniería

Pie Libra masa (lb)

Libra fuerza (lbf)

Magnitud derivada Magnitudes físicas mencionadas en este manual Magnitud Definición Sistema Internacional

(MKS absoluto) Dimensión Unidad Distancia d [L] m Tiempo t [T] s

Equivalencias de unidades Unidades de longitud [L]

Sistema métrico Sistema inglés mm cm m pulg. pie

mm 1 0.1 0.001 pulg. 1 1/12 cm 10 1 0.01 pie 12 1 m 1000 100 1 yarda 36 3

2.54 cm 1 pulg (inch)

31

Anexo 3 Energía específica y Regímenes de flujo.

Energía específica El concepto de Energía específica fue introducido por primera vez por Bakhmeteff (1912). La energía específica (H) en un canal se define como la energía por kilogramo de agua que fluye a través de la sección, medida con respecto al fondo del canal. A partir de las ecuaciones de:

Continuidad: uAQ =

Bernoulli: g

uPzH2

2

++=γ

En esta última, considerando el fondo (solera) del mismo como nivel de referencia, se tendrá:

γPzy += (tirante).

La energía específica puede ser expresada como:

guyH2

2

+= o 2

2

2gAQyH +=

La ecuación anterior muestra que para una sección determinada (A) y un caudal constante (Q), la energía específica sólo dependerá de la altura de agua o tirante (y). Dibujando los valores de (y) con relación a su correspondiente valor de energía específica (H), para un determinado caudal (Q), se obtiene la Figura 17:

Figura 17 Energía específica

Fuente: Bos, Replogle, Clemmens, 1986

H > Hc

32

y 2 y 1

Regímenes de flujo La curva de la Figura 17 muestra que para un valor determinado de caudal y energía específica existen dos tirantes posibles, los cuales se denominan “tirantes alternos o correspondientes”: tirante subcrítico (régimen subcrítico) y tirante supercrítico (régimen supercrítico). Además, se observa que para el punto correspondiente al valor de energía específica mínima (Emin) los tirantes alternos son iguales (coinciden), por tanto existe un único valor de tirante para un determinado valor de caudal, este valor se conoce como “tirante crítico” (yc) y el régimen de flujo como “Régimen crítico”. Cuando el tirante del flujo es mayor al tirante crítico (y1 > yc), el flujo es denominado “Subcrítico” y en caso de que el tirante sea menor al tirante crítico (y1 < yc), el flujo es denominado “Supercrítico”, ver figura anterior. Es posible que se produzcan cambios de uno a otro tipo de flujo debido, por ejemplo, a cambios en la pendiente del canal. El cambio rápido de flujo subcrítico a supercrítico se presenta con una depresión pronunciada del tirante que es llamada “descenso hidráulico”, ver Figura 18a. A su vez, el cambio rápido de flujo supercrítico a subcrítico se presenta con un incremento brusco del tirante que es llamado “resalto hidráulico”, ver Figura 18b. a) Descenso hidráulico b) Salto hidráulico

Figura 18 Descenso y salto hidráulico

En campo es posible determinar por simple observación el régimen de flujo de la siguiente manera: Se genera una onda en el flujo con una pequeña piedra o rama y se observa su desplazamiento.

Flujo subcrítico: Cuando la onda generada se remonta aguas arriba. Flujo supercrítico: Cuando la onda generada no se remonta aguas arriba. Flujo crítico: Cuando no puede observarse la onda,

este es un fenómeno localizadoy por ello difícil de identificarse.

y1 y2

33

Anexo 4 Coeficientes efectivos de descarga (Ce) – V. rectangular de pared delgada

Fuente: Instituto de tecnología de Georgia en Bos, 1989.

Valor de Ce

Valor de h1/p1

34

Anexo 5 Planillas de toma de datos

35

Cuenca mayor: Responsable(s): Código de aforo:Cuenca:

Localidad: Fecha:Hora inicio aforo:

Municipio: Hora fin aforo:

Nombre de la fuente de agua:Descripción:

Nombre del sitio de aforo:Descripción:

Ubicar detalladamente el sitio de aforo

Nº de hoja:

Información general del aforo

PLANILLA DE CAMPO PARA EL AFORO DE CAUDALES

Croquis del sitio de aforo

Materiales y/o equipos empleados

��

��

36

Responsable(s): Código de aforo:

Fecha:

Hora inicio aforo:

Hora fin aforo:


Datos (cm):

Ancho cresta vertedor: bc

1 2 3Altura cresta vertedor: p1

Ancho espejo de agua: B1

Altura a la cresta: Hc

Altura superficie libre de agua: Hs

* Cuando no existen variaciones de nivel (caudal) las mediciones 2 y 3 son de control.

Observaciones:

Nº de hoja:

PLANILLA DE DATOS - VERTEDOR RECTANGULAR DE PARED DELGADA

��

��

��

��

HC

HS

p1 B1 bc

37

Responsable(s): Código de aforo:

Fecha:

Hora inicio aforo:

Hora fin aforo:


Datos (cm):

Angulo de escotadura (°): Φ 90

1 2 3Altura cresta vertedor: p1

Ancho espejo de agua: B1

Altura a la cresta: Hc

Altura superficie libre de agua: Hs

* Cuando no existen variaciones de nivel (caudal) las mediciones 2 y 3 son de control.

Observaciones:

Nº de hoja:

PLANILLA DE DATOS - VERTEDOR TRIANGULAR DE PARED DELGADA

��

��

��

��

HC

HS

p1 B1

θ

θ

st01_vertederos

Documents