Tema 4. Dispositivos de Control de Flujo y Energía 2

 

Profa. Janett Flores 

 

Hidrograma de entrada

Qd

Hidrograma de salida

Tránsito de avenidas

Estructura de Disipación

Qrío

Estructura de Control

 

Capacidad del  Aliviadero  Aliviad ero

Consiste en la determinación del gasto máximo de salida del aliviadero, el cual se calcula a través de un tránsito de avenidas en embalses una vez conocido el hidrograma de crecida del río (entrada) para el período de retorno establecido. Con el tránsito de la creciente de diseño se obtiene el tirante sobre la cresta, el cual definirá la estructura y material de los elementos que conforman la presa. El tirante obtenido es un factor decisivo en el comportamiento hidráulico de la estructura de control. El criterio para la selección de la magnitud de la avenida de proyecto depende de la magnitud de los daños que podría causar la falla de la presa.

 

Definición

Tránsito de avenidas o de crecientes: Es un procedimiento que permite determinar el hidrograma de salida (tiempo y magnitud del caudal) de un vaso de almacenamiento, en un punto del curso de agua utilizando hidrogramas conocidos o supuestos en uno o mas puntos aguas arriba (entrada).

Función

Evaluar la confiabilidad y holgura que presenta el sistema presa  – aliviadero (captación  – control). La acumulación de agua almacenada en un vaso depende de la diferencia entre las aportaciones y las descargas, es decir las entradas y los gastos de salidas de la obra de control.

 

Conocer la evolución de los niveles en el vaso de almacenamiento y los gastos de salida a través de la obra de excedencias o control.

Dimensionar la obra de excedencias

Fijar el nivel de aguas máximas de excedencias o extraordinarias (NAME)

 

Entrada Para determinar el hidrograma de salida (O vs t) se debe conocer: - El hidrograma hidrograma de entrada (I vs t) - La relación relación S vs H (Almacenamiento  – Nivel) - La relación O vs H (Curva de gasto) que depende del dispositivo de salida seleccionado.

Salida Los caudales de las aportaciones con relación al tiempo están dados por el hidrograma de entrada o hidrograma de avenida del proyecto y el caudal de descarga está dado por la curva de gasto del vertedero en función de la elevación del nivel de la superficie del vaso (

)

 

La relación entre las aportaciones y las descargas puede expresarse para un intervalo de tiempo a través de la ecuación fundamental de la hidrología:   I : Entrada de agua (Inflow) O: Salida de agua (Outflow) S: Almacenamiento (Storage)

Hidrograma de entrada

Punto de máxima capacidad de almacenamiento

Hidrograma de salida

 

Ecuación del tránsito de avenidas I : Entrada de agua (Inflow)

 

O: Salida de agua (Outflow) S: Almacenamiento (Storage)

Conocido el hidrograma de entrada, se requiere una función que relacione:

 

En el caso de un embalse esa función es invariable porque los embalses son anchos y profundos en comparación con la longitud de la dirección del flujo y la velocidad del flujo en el embalse es pequeña. La relación invariable requiere que se produzca un caudal constante para una elevación de agua dada, ósea que la salida debe ser controlada a una altura. Cuando existen compuertas, si se cambia su posición el O y el nivel cambian y el efecto se propaga aguas arriba, creando una pendiente temporal hasta que se establece un nuevo equilibrio.

El valor del intervalo de tiempo usado en el tránsito de avenidas es más pequeño (en el orden de horas) que el usado en la simulación de la operación de embalse (generalmente un mes), debido a la duración de las crecientes. Durante el tránsito no se consideran los términos de precipitación, evaporación e infiltración.

 

En el cálculo hidráulico de un aliviadero, todos sus componentes deben ser  considerados en conjunto.

Hidráulica de la Estructura de control El objetivo principal de una estructura de control es establecer una relación definida y estable entre las alturas de agua en el embalse y los gastos en el aliviadero (Curva de gasto  – H Vs Q). El criterio de diseño es definir una curva de gasto adaptada a las condiciones de operación del embalse. La mayoría de las estructuras de control tienen curvas de gasto definidas por ecuaciones tipo vertederos:

Donde Cd  es el coeficiente de descarga, L es la longitud efectiva y H es la carga total sobre la cresta.

 

Hidráulica de la Estructura de control En general el caudal de descarga a través de esta estructura de control está dado por la ecuación anterior  que también puede escribirse como:

Para un vertedero tipo orificio se tiene:

Se debe verificar que las dimensiones propuestas para la cresta de la presa permitan el alivio, de tal forma que se garantice una descarga controlada, considerando una holgura que permita la probabilidad de ocurrencia de otra creciente.

Normalmente, la hidráulica de estas estructuras corresponden al flujo rápidamente variado donde existe una curvatura de las líneas de corrientes.

Matícora  

Hidráulica de la Estructura de control

El

tipo

de

vertedero

más

usado

por

sus

características hidráulicas y estructurales, es el de Control de lámina vertiente, el cual tiene la forma de la lámina inferior del chorro proveniente de un vertedero de pared delgada. Su cresta por lo general es recta o con una curvatura muy pequeña. Vertedero de pared delgada

Vertedero de lámina vertiente

Carga total, H

Lámina

Vertedero

Manuelote  

Hidráulica de la Estructura de control

Los perfiles más utilizados han sido desarrollados por la Mesa de Revisión U.S.B.R. (U.S.Bureau Reclamation) y por el Cuerpo de Ingenieros U.S.C.I. (U.S.Corps of Engineers) Para lo cual el U.S.B.R define el perfil aguas arriba mediante sectores circulares y el perfil aguas abajo a través de la siguiente ecuación: Perfiles Creager

Donde  X, Y  son las coordenadas cartesianas con origen en el punto más alto del cimacio y n, k  son dos coeficientes determinados en la figura 7.38 (anexa) en función de (hv/Hd ), ), es decir la carga de velocidad sobre la carga total.

Manuelote  

Hidráulica de la Estructura de control

Para determinar el perfil debe conocerse la carga total Hd de acuerdo a la ecuación de la curva de gasto:

En esta ecuación en general puede conocerse H  y L  para determinar la variable Q. tener como incógnita H .

O conocerse Q y L, y

En todo caso debe determinarse Cd y es en el cálculo de este coeficiente donde se centra el problema. Manuelote

Determinación de Cd  El coeficiente de gasto Cd , que es adimensional, es una función de la configuración geométrica, del número de Froude F y del número de Reynolds Re. Pero para la mayoría de los aliviaderos con cargas altas (Re altos) el valor de Cd  permanece constante con

Re.  

Hidráulica de la Estructura de control

Factores que influyen en el valor de Cd  1) Altu Altura ra del del param parament ento o o del del verted vertedero ero (P ) (fig.7.43 anexa) Para alturas de vertederos grandes la influencia de hv   es despreciable por lo que la contracción del chorro es mayor y los valores de Cd aumentan.

- Si Manuelote

- Para

- Para

 

Hidráulica de la Estructura de control

Factores que influyen en el valor de Cd  2) Ca Carg rga a de de Di Dise seño ño (Hd ) En principio Hd ~ Hmáx  pero experiencias han demostrado que tomar  Hd = 0,75 Hm mejora la curva de descarga. Así:

Manuelote

Para H = Hd  entonces C2 = 1

(fig.7.44 anexa)

 

Hidráulica de la Estructura de control

Factores que influyen en el valor de Cd  3) Pen Pendie diente nte del del param parament ento o aguas aguas arrib arriba a Talud 1:3 Para Para Talud 2:3

Para

Matícora

Para Talud 2:3

Para (fig.7.45 anexa)

 

Hidráulica de la Estructura de control

Factores que influyen en el valor de Cd  4) Sume Sumerg rgen enci cia a (C4) e interferencia del flujo aguas abajo (C3) Estos efectos están comprendidos en uno de los siguientes casos: (fig.7.46 anexa)

Matícora

Caso 1: Alta energía de de descenso que que es suficiente para rechazar la formación del resalto hidráulico. Caso 2: Se forma un resalto débil e incompleto justo al pie del aliviadero. Caso 3: Se forma un verdadero verdadero resalto hidráulico. Caso 4: Se origina origina una sumergencia sumergencia parcial parcial del aliviadero. Caso 5: Total sumergencia del aliviadero. Salto ahogado. Si

Si

(fig.7.47 anexa)

 

Longitud efectiva del vertedero 

Hidráulica de la Estructura de control

Cuando se tienen pilas y estribos sobre la cresta del vertedero, ya sea como soporte de un puente o cuando se usan compuertas, la longitud neta se verá reducida por efecto de construcciones laterales sobre las descargas. La ecuación está dada por:

Donde: L : longitud efectiva de la cresta L : longitud neta de la cresta N: número de pilas Kp: coeficiente de contracción de las pilas ´  

Ka: coeficiente de contracción de los estribos Hd: carga total sobre la cresta

Matícora