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Transiciones y cuencos disipadores Indice 1. Introducción 2. Estructuras de transición 3. Cuencos Amortiguadores 4. Conclusiones 1. Introducción En el control de flujos hidráulicos, es frecuentemente el diseño de una transición entre dos canales de diferente sección transversal, es importante que el ingeniero civil tenga los conocimientos básicos para el diseño de estructuras hidráulicas especiales que gobiernan el flujo, mediante la determinación del número de FROUDE, y los efectos del cambio en las líneas de flujo en un punto especifico de un canal. En este tipo de diseño se deben minimizar las pérdidas de energía, eliminar las ondulaciones que puedan generarse, eliminar zonas muertas para evitar la sedimentación. Otro tipo de estructuras que son muy frecuentes, son las de control del resalto hidráulico, esta se realiza mediante obstáculos y en el presente trabajo hablaremos de ellas, entre las cuales comentaremos el cuenco disipador, SAF(San Antonio Falls), el USBR ( creado por el cuerpo de Ingenieros de la Armada Naval de Estados Unidos) tipo II y IV, los cuales son los mas usados debido a su seguridad y eficiencia. Objetivos Objetivo general Poder tener claro los criterios para el diseño de una transición en flujo de canales y en el diseño de un cuenco disipador
Objetivos especificos
Diseñar un aliviadero tipo WES, con el caudal asignado por el profesor titular de la materia de Hidráulica II Con el número de Froude obtenido en el diseño del aliviadero, escoger y diseñar una estructura de amortiguamiento o cuenco disipador, de acuerdo con los parámetros de diseño, aprendidos en clase y los obtenidos en la teoría incluida en el presente trabajo.
2. Estructuras de transición Consideraciones generales Un trabajo que frecuentemente deben realizar los ingenieros civiles, consiste en el diseño de una transición entre dos canales de diferente sección transversal, o entre un canal y una galería o un sifón. Como criterios para el dimensionamiento hidráulico se pueden mencionar: a) Minimización de las pérdidas de energía por medio de estructuras económicamente justificables. b) Eliminación de las ondulaciones grandes y de los vórtices (por ejemplo, los vórtices de entrada con el consecuente peligro de introducción de aire. c) Eliminación de zonas con agua tranquila o flujo muy retardado (por ejemplo: las zonas de separación traen consigo e! riesgo de depósito de material en suspensión). Estos criterios se cumplen para el caso de flujo subcrítico, si se le confiere a la estructura de transición una forma hidrodinámica con la ayuda de relaciones derivadas del fenómeno de la formación de ondas. El problema de la formación de ondas no se restringe a las estructuras con flujo supercrítico. También en flujo sub-crítico se forman ondas permanentes si hay cambios bruscos de dirección o cambios fuertes
de nivel del fondo del canal. En este último caso puede llegar a presentarse un cambio de régimen con salto hidráulico, si no se pone atención en el diseño de la estructura (Chow, 1959, pág. 314). Consideraciones ¿Hasta qué punto se puede ajustar la forma de la estructura en la zona de transición a una forma hidrodinámica, considerando también los puntos de vista económicos? Esto depende mucho del tamaño y de la función de la estructura. Con el objetivo de lograr formas económicas, en particular para estructuras pequeñas, se realizaron investigaciones exhaustivas en el U.S. Department of Agriculture (Scobey, 1933). También el U.S. Bureau of Reclamatíon (1952) ha elaborado recomendaciones con el fin de conseguir, en lo posible, formas simples. La publicación de Vittal, Chiranjeevi (1983) es una de las más recientes acerca de criterios de diseño para estructuras de transición. Para los cálculos hidráulicos en las estructuras de transición con flujo subcrítico son admisibles las siguientes hipótesis: Se supone que la pendiente de la línea de energía es constante en el tramo relativamente corto de la estructura de transición y, en ausencia de pérdidas locales, puede, asimismo, calcularse por tramos con la ayuda de la ecuación de Gauckler-Manning-Strickler: La velocidad varía principalmente en función de la distancia. Se supone que los factores a y 13 son iguales a 1, o bien, pueden definirse para las secciones transversales extremas y efectuar una interpolación para las secciones intermedias. Los efectos de la curvatura del flujo pueden ignorarse, con lo que las distribuciones de presión resultan hidrostáticas. Se pueden dejar de considerar también las zonas de separación de flujo. Pasos para el diseño de una estructura de transición. Una ayuda valiosa en el cálculo hidráulico es el diagrama de energía con las curvas H o-y. Se recomienda trazar, con el caudal dado Q, una familia de curvas para varias secciones transversales de la estructura, donde los cambios en la sección transversal de la estructura de transición están limitados únicamente a cambios en el ancho B del canal, de tal modo que las secciones transversales consecutivas están caracterizadas por valores definidos del caudal unitario q=Q/B. Ilustración 1. Curvas Ho - y Se supone que se conocen las secciones transversales de los canales aguas arriba y aguas abajo, los cuales deben ser unidas con la estructura de transición y también, el caudal, la profundidad de agua, la altura de energía en la sección transversal final y su forma. Para la solución de este problema tipico se procede determinando la ubicación de la línea de energía en forma aproximada (hipótesis a), mencionada anteriormente, con lo que queda determinada también la profundidad de agua en la sección transversal inicial. Las dimensiones de las secciones transversales intermedias elegidas para la estructura pueden entonces determinarse de dos maneras: 1) Se selecciona un recorrido uniforme para la superficie libre del agua entre la sección transversal inicial y final, con lo que las cargas de velocidad intermedias quedan fijas, es decir, para cada sección transversal, se fija un determinado punto (y, HJ. Si se dibujan los valores así definidos para Ha a lo largo del eje central de la estructura de transición, se obtiene la ubicación del fondo del canal que correspondería al recorrido seleccionado de la superficie libre del agua. 2) Se selecciona un recorrido continuo y uniforme para el fondo del canal entre los puntos extremos de la estructura de transición. De este modo se fijan los valores de Ha para cada sección transversal intermedia y entonces, con ayuda de la ilustración 1, se puede definir la profundidad de agua "y" correspondiente. Es probable que luego del primer cálculo no se obtenga el perfil del fondo del canal, con el primer método, o el perfil de la superficie libre del agua, con el segundo método, tan uniforme y continuo como sería deseable. Será necesario, entonces, repetir el procedimiento de cálculo según un ajuste iterativo apropiado hasta obtener una transición uniforme de la superficie libre del agua y del fondo del canal, o bien, modificar la separación entre las secciones transversales para las formas seleccionadas previamente o variar la forma misma de las secciones transversales.
Estrechamientos en canales y estructuras de ingreso Las diferentes posibilidades de diseño para estrechamientos en canales pueden explicarse, con ayuda de la ilustración 1, en el caso de un canal de sección rectangular. La reducción de la sección transversal puede efectuarse básicamente en dos formas: mediante una reducción de la profundidad y de agua, o por medio de una reducción del ancho B del canal. Se supone que el punto M en la ilustración 1 representa las relaciones geométricas e hidráulicas existentes en el extremo aguas arriba del canal. El paso hacia las relaciones del extremo de aguas abajo, representadas por el punto E, se puede obtener como se explica a continuación: El fondo del canal en la estructura de transición se prolonga con igual pendiente (de modo que la energía específica Ha permanece aproximadamente constante), y se reduce el ancho B. En este caso, se pueden leer en la ilustración 1, los cambios de profundidad correspondientes a partir de los puntos de intersección de la línea vertical que pasa por M con las curvas correspondientes a los valores crecientes de Q/B. Luego de que se alcanza un ancho determinado en el punto N, se puede lograr otra disminución de la sección transversal por medio de una sobre-elevación gradual del fondo, manteniendo constante el ancho del canal. La diferencia de altura en el fondo se obtiene a partir del valor de Ha definido en la ilustración 1 luego de la correspondiente corrección por pérdida de energía; la ubicación de la superficie libre del agua se obtiene con la ayuda de las profundidades calculadas con la línea NE. Por lo general, para un estrechamiento dado de la sección transversal a lo largo de MNE, resultan variaciones menores de la profundidad que a lo largo de la línea MGE. Por supuesto que pueden obtenerse los cambios en el ancho del canal y en el fondo, con una combinación arbitraria cualquiera, como, por ejemplo, mediante la línea de trazos desde M hasta E que se indica en la ilustración 1. En general, se recomienda conformar la contracción de los lados del canal por medio de paredes laterales curvas en zonas de profundidades grandes de agua. Por esto, un diseño según la línea MNE, conducirá a una estructura de menor longitud, y con menores efectos de curvatura que un diseño según MGE. Siempre y cuando los puntos M y E permanezcan claramente en la zona de flujo subcrítico (con números de Froude menores que 0.5), no aparecerán complicaciones para el diseño de la estructura. En la medida en que E se acerque a la profundidad crítica y c, la curva de la superficie libre del agua dentro de la estructura de transición tendrá una pendiente mayor, y mayor será la tendencia a la formación de ondas permanentes. Este último caso se analiza a continuación por medio de la ilustración 1. Con una contracción creciente del ancho del canal, el punto N se desplaza hacia abajo, hasta alcanzar finalmente el valor crítico N c. El mínimo ancho del canal, para el cual el caudal Q todavía puede ser transportado con el valor constante de Ha y una profundidad y = y c' puede obtenerse con la ecuación (1): (3.1) (3.2) Cualquier contracción adicional de las paredes del canal producirá un remanso hacia aguas arriba. Igual resultado de obtiene, si la profundidad del canal es demasiado grande. Así, por ejemplo, también pueden obtenerse las condiciones de flujo crítico disponiendo un umbral en el fondo y manteniendo constante el ancho del canal, de tal modo que el punto G alcance la ubicación extrema admisible G c. La máxima sobre-elevación admisible del fondo que produce flujo crítico manteniendo constante el ancho, se obtiene de la diferencia entre los valores de Ho en M y G c. Dado que Ho en el punto Gc es igual a (3/2)Yc = (3/2), se obtiene la siguiente expresión para la altura extrema del umbral (z 0)c: (3.3) donde y es la profundidad inicial en el punto M. Finalmente, si el flujo crítico se alcanza con el estrechamiento simultáneo de los lados y del fondo, se obtiene, de la ilustración 1, una línea de unión de M a la recta con línea discontinua y = yc, que se ubica entre las curvas MGGc y MNNc por ejemplo, la línea MEEc. La consideración de pérdidas de energía a causa de la resistencia de las paredes o del rozamiento para estrechamientos en canales con flujo subcrítico, conduce por lo general a profundidades de agua algo menores, en comparación con los resultados sin consideración de pérdidas, como lo comprobaron las mediciones del U.S. Army Corps of Engineers y del U.S. Bureau of Reclamation. Para estrechamientos de canales, con ángulos en lo posible menores a 12.5° entre el eje de la estructura y la tangente a los lados en el punto de inflexión, recomienda Hinds (1928) la siguiente expresión para la pérdida de energía: (3.4) es decir, una pérdida igual a la décima parte de la diferencia de cargas de velocidad en las secciones extremas de la estructura de transición. Esta pérdida debería repartirse proporcionalmente a los
cambios locales de cargas de velocidad a lo largo de la estructura. Scobey (1933) comprobó esta recomendación. Su trabajo, junto con el de Hinds, proporcionan, hasta el día de hoy, una presentación válida de los criterios de diseño para estructuras de transición. Tipos de Transición Las estructuras de transición de un canal trapezoidal a uno rectangular pueden agruparse en tres tipos: a) Transición con curvatura simple b) Transición de forma cuña c) Transiciones con doble curvatura. Ilustración 2. Tipos de transiciones Las dos primeras formas deberían limitarse a casos con velocidades muy pequeñas de flujo, y ninguna de las tres formas son apropiadas para flujo supercrítico. El tipo c) se recomienda para estructuras muy grandes no sólo porque satisface mejor los requerimientos hidráulicos, sino también porque, en estos casos, las superficies con doble curvatura se pueden construir dentro de términos económicamente rentables. En la ilustración 3 se presenta un ejemplo de una estructura de transición, según Hinds (1928) (véase Vittal, Chiranjeevi, 1983). Ilustración 3. Ejemplo de Estructura de Transicion Debido a que una estructura de ingreso a un canal representa el problema extremo de un estrechamiento, son válidos para ella los mismos criterios de diseños anteriores. En lo posible, se debe evitar una entrada hacia un canal con cantos sin redondeamiento, a menos que el ahorro en los costos de construcción para estructuras pequeñas, sea más importante que las ventajas del flujo más hidrodinámico, el que puede obtenerse si la forma sigue aproximadamente el perfil de las líneas de corriente. Para estructuras de tamaño intermedio se debe disponer, en lo posible, transiciones con simple curvatura tanto en el fondo como en las paredes entre el embalse y el canal. Criterios de referencia para la relación entre el radio de redondeo y el ancho, o bien, la profundidad del canal, se pueden obtener de la ilustración 4, que originalmente fue formulada para entradas en tuberías (Hubbard, Ling, 1952). Si deben instalarse compuertas de regulación en la estructura de ingreso a un canal trapezoidal, a partir de una sección inicial rectangular se debería pensar en una estructura de transición similar a la presentada en la ilustración 2b o para flujo en dirección opuesta, a la de la ilustración 2c. Ilustración 4. Criterios de Referencia Ya se mencionó lo relativo a la pérdida de energía a la entrada, únicamente se debería añadir, que aun para una estructura de ingreso diseñada perfectamente con criterio hidrodinámico, el espejo de aguas en el canal se ubica por lo menos a un valor V2/2g por debajo del nivel libre aguas arriba en el embalse; donde el coeficiente depende de los esfuerzos de corte en las paredes, que ahora son mayores y que se generan dentro de la capa límite. Sin embargo, si se calcula con =1, el error cometido con este calculo es ( -1) V2/2g, lo que significa, dependiendo del tipo de la estructura de entrada, entre 5 %y 20% de la carga de velocidad. Ensanchamiento en canales y estructuras de entrega Los métodos de cálculo y las recomendaciones para diseño que han sido analizadas en el párrafo anterior, también pueden ser utilizados, en su mayoría, para ensanchamientos en un canal con régimen sub crítico. Una diferencia básica radica en la limitada posibilidad práctica de recuperar la energía cinética en la corriente que se expande, debido a la tendencia del flujo retardado a separarse de la pared. Por esta razón, se debe prestar aquí mayor atención al diseño de las paredes ya la determinación de las pérdidas de energía que para el caso de un estrechamiento. En los estrechamientos de canales, con una curvatura gradual de las paredes el flujo está libre de separación y la velocidad se distribuye relativamente uniforme sobre la sección transversal, coincidiendo en gran medida con la hipótesis de la teoría unidimensional simplificada. En cambio, en los ensanchamientos de canales, aun curvaturas moderadas de las paredes conducen a un crecimiento brusco de las zonas con fluido retardado; las distribuciones de velocidad llegan a ser fuertemente no
uniformes, es decir, los coeficientes de corrección a y 13 alcanzan valores numéricos grandes; y finalmente, pueden, presentarse zonas con separación del flujo junto a las paredes. Esta tendencia a la separación se acentúa a través de cambios mínimos de dirección en el flujo de aproximación, que pueden ser generados, por ejemplo, por curvas o pilas en la zona de aguas arriba. Sobre todo, se deben evitar tales separaciones del flujo cuando existe la posibilidad de que se formen depósitos de material en la estructura de transición, si el agua transporta material en suspensión o de arrastre, o cuando la estructura de transición se conecta con canales de fondo y taludes erosionables. Como se esquematiza en la ilustración 5 (según Hinds), cuando hay separación, el flujo efectivo para el transporte se limita a una sección mucho menor donde se producen velocidades mayores que las previstas con la teoría simplificada. Además, crece la tendencia hacia una asimetría del flujo. Por ejemplo, una pequeña curva en el tramo previo es suficiente para producir velocidades mayores de flujo siempre a lo largo de una misma pared, con la consecuencia de que un canal no revestido en la zona de aguas abajo se socava en ese lado y se forma un depósito en el lado opuesto (ilustración 5). Ilustración 5. Criterios para el diseño de ensanchamientos de canales (Transiciones) En Hinds (1928) y Scobey (1933) se encuentra una cantidad de criterios para el diseño de ensanchamientos en canales. Las más importantes de sus recomendaciones se resumen como sigue (Vittal, Chiranjeevi, 1983): a) Transiciones con curvatura simple y en forma de embudo, cuyas paredes laterales tienen un ángulo de alrededor de 30° con respecto al eje del canal, permiten una recuperación de energía cinética de hasta 2/3 del cambio en la carga de velocidad. b) Transiciones con doble curvatura y en forma de cuña (ilustración 2b), permiten recuperar entre e180% y e190% del cambio en la altura o carga de velocidad, siempre que la estructura de transición se proyecte tan larga que una línea de unión entre los contornos del agua en las secciones transversales inicial y final, tenga un ángulo no mayor a 12.5° con respecto al eje del canal. c) Se deben plantear consideraciones especiales para corrientes que estén muy cerca de las condiciones de flujo crítico.(Vea consideraciones Generales). d) Debido a que existe más información acerca de las características del flujo sin superficie libre que sobre flujos en canales, se recomienda expandir en la medida de lo posible, el flujo dentro de la parte cubierta de la estructura de transición en el caso de una transición desde una galería a un canal abierto. En corrientes sin superficie libre es muy frecuente el uso de muros o paredes directoras de flujo para eliminar las zonas de separación. En canales abiertos, por el contrario, este método se aplica muy pocas veces. Sin embargo, cuando se trata de reducir las pérdidas de energía con la menor longitud posible de estructura puede aplicar este método sin reservas (ilustración 6a) separación del flujo se puede evitar, por lo general, cuando el ángulo de expansión de la corriente se mantiene por debajo de los 8°. Esta condición puede ser satisfecha paralelamente a la reducción de la longitud de la estructura por medio de muros y paredes directoras de flujo, dispuestos en ángulos inferiores a 7°, como se indica en la ilustración 7 Para una solución de este tipo es importa que se elija un número par de muros directores, ya que una pared a lo largo eje del canal tiene poca influencia sobre el flujo. Ilustración 6 Así como las estructuras de ingreso pueden ser consideradas como el caso extremo de estrechamiento en un canal, se puede decir que las estructuras de entrega son el caso extremo de un ensanchamiento en un canal. Las consideraciones anteriores se puede aplicar también a las secciones de salida de canales. Es muy frecuente que la desembocadura de un canal en un embalse cambie en forma brusca. La pérdida de energía en el embalse es este caso, la carga o altura de velocidad, y la disminución de la velocidad en el embalse tiene lugar según los principios del chorro turbulento sumergido. Cuando el flujo subcrítico en el canal se aproxima a las condiciones de flujo critico (Fr=1), se debe prever que existirá una mayor formación de olas en las cercanías de la estructura de salida. Si el objetivo de la estructura de entrega consiste en no sobrepasar una velocidad máxima predeterminada en ningún punto de la sección transversal final, y con una distribución lo más uniforme posible de velocidades (como, por ejemplo, en el caso de una descarga en un puerto), se recomienda una solución según el principio esquematizado en la ilustración 6b. Este principio ha dado buen
resultado en la construcción de túneles de viento, donde se utiliza para el diseño de difusores. En tanto que la obstrucción en el difusor consiste en rejillas; en el caso de la salida de un canal hacia un puerto, se pueden utilizar pilas de sección cuadrada estrechamente dispuestas unas junto a otras (Richter, Naud~scher, 1986). La relación de obstrucción debe elegirse en cada caso, de tal manera que la suma de las pérdidas de energía en la estructura de transición, sea por lo menos igual a la carga de energía en el flujo de aproximación. 3. Cuencos Amortiguadores Control del resalto hidráulico mediante caida abrupta. El control del resalto mediante obstáculos es útil si la profundidad de aguas abajo es menor que la profundidad secuente para un resalto normal, pero si la primera es mayor que la segunda, debe utilizarse una caída en el piso del canal para asegurar un resalto. Por lo general esta condición ocurre a la salida de una expansión con flujo supercrítico Para determinado número de Froude de aproximación, la profundidad de aguas abajo de una caída puede localizarse en cualquiera de cinco posibles regiones, como se muestra en la ilustración 7-a. El límite inferior de la región 1 es la profundidad para la cual el resalto empezará a viajar hacia aguas arriba. El límite superior de la región 5 es la profundidad para la cual el resalto empezará a moverse hacia aguas abajo. En efecto, la caída no controla el resalto en estas dos regiones porque éste es estable y la caída es efectiva para sus propósitos deseados sólo en las regiones 2 y 4. La región intermedia 3 representa un estado ondulatorio de flujo sin un frente de rompimiento. Al aplicar las ecuaciones de continuidad y de momentum en un análisis similar al realizado para el vertedero de cresta ancha (ejemplo 3-2), Hsu [47] demostró que para la región 2, Ilustración 7 En la figura 15-14 cada curva para determinado h/yl tiene dos ramas relativamente rectas conectadas mediante una parte recta corta cerca de la mitad. El brazo del lado izquierdo representa la condición correspondiente a la región 2 y el del lado derecho, la región 4. Este diagrama puede utilizarse para propósitos de diseño con el fin de determinar la altura relativa de caída requerida para estabilizar un resalto en cualquier combinación de caudal, profundidad de aguas arriba y profundidad de aguas abajo. y para la región 4, Estas ecuaciones se verificaron mediante experimentos. Las relaciones entre F , y3/y1 y h/y1 se muestran en la ilustración 7 Cuenco disipador de diseño generalizado. En trabajos importantes o en aquellos que involucran un gran número de cuencos disipadores, a menudo se necesitan diseños generalizados de los cuencos por razones económicas y para cumplir requerimientos específicos. Estos diseños pueden desarrollarse a través de años de experiencia y observaciones sobre estructuras existentes, o mediante investigaciones en modelo, o ambos. Los cuencos diseñados de esta manera a menudo están provistos de accesorios especiales, incluidos bloques de rápida, umbrales y pilares deflectores. Los bloques en la rápida se utilizan para conformar una estructura dentada a la entrada del cuenco disipador. Su función es partir el chorro de entrada y elevar una parte de él desde el piso, produciendo una longitud de resalto más corta que la que sería posible sin ellos. Estos bloques también tienden a estabilizar el resalto y por consiguiente a mejorar su comportamiento. Los umbrales dentados, o sólidos, a menudo se colocan al final del cuenco disipador. Su función es reducir además la longitud del resalto y controlar la socavación. Para cuencos grandes diseñados para altas velocidades de entrada, el umbral por lo general es dentado para llevar a cabo la función adicional de difundir la parte residual del chorro de alta velocidad que puede alcanzar el extremo del cuenco. Los pilares deflectores son bloques localizados en posiciones intermedias sobre el piso del cuenco. Su función es disipar la energía principalmente mediante una acción de impacto. Los bloques deflectores son muy útiles en pequeñas estructuras con velocidades de entrada bajas. Sin embargo, no son recomendables cuando las altas velocidades hacen posible la cavitación. En ciertas circunstancias, deben diseñarse para soportar el impacto de hielo o desechos flotantes. Existen muchos diseños generalizados de cuencos disipadores que utilizan un resalto hidráulico como medio para la disipación de energía. A continuación se describirán tres diseños comunes:
1. El cuenco SAF .Se recomienda para ser utilizado en estructuras pequeñas de vertederos, obras de salida y canales donde F1=1.7 a 17. La reducción en la longitud del cuenco conseguida por el uso de accesorios diseñados para el mismo es de alrededor del 80% (70% a 90% ). 2. El cuenco USBR II. Se recomienda para ser utilizado en estructuras grandes de vertederos, canales, etc., donde Fl > 4.5. La longitud del resalto y del cuenco se reduce alrededor del 33% mediante el uso de accesorios. 3. El cuenco USBR IV. Se recomienda para ser utilizado con resaltos de F1=2.5 a 4.5; lo cual a menudo ocurre en estructuras de canal y en presas de derivación. Este diseño reduce las ondas excesivas creadas en resaltos imperfectos. El principio del cuenco disipador también se aplica al diseño de una caída de canal (o descenso de canal), la cual es una estructura construida para asegurar un descenso en la superficie del agua de un canal y una destrucción segura de la energía liberada de esta manera. La caída del canal algunas veces se diseña con un ancho contraído parecido al de la canaleta Parshall, y se conoce como caída contraída, la cual puede construirse a bajo costo en conjunto con un puente y utilizarse también como un medidor o regulador. Ilustración 8. Cuenco disipador SAF Cuenco disipador SAF. Este cuenco (Ilustración 8; SAF proviene del inglés San Anthony Falls, Cataratas de san Antonio) se desarrolló en el Laboratorio de Hidráulica San Anthony Falls, en la Universidad de Minnesota, para ser utilizado en pequeñas estructuras de drenaje, como las construidas por el U.S. Soil Conservation Service. Las reglas de diseño resumidas por el investigador Blaisdell son las siguientes: 1. La longitud LB del cuenco disipador para números de Froude entre Fl = 1.7 y Fl =17 se 0.76
2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
determina mediante L B 4.5 y 2 F1 La altura de los bloques de entrada y los bloques del piso es y 1 y su ancho y espaciamiento es aproximadamente 0.75y1. La distancia desde el extremo de aguas arriba del cuenco disipador hasta los bloques del piso es LB/3. No deben localizarse bloques en el piso más cerca de las paredes laterales que 3y 1/8. Los bloques del piso deben localizarse aguas abajo enfrentados a las aberturas entre los bloques de la rápida. Los bloques del piso deben ocupar entre el 40% y el 55% del ancho del cuenco disipador. Los anchos y el espaciamiento de los bloques del piso para cuencos disipadores divergentes deben incrementarse en proporción al aumento del ancho del cuenco disipador en la sección donde se localizan los bloques. La altura del umbral de salida está dada por c = 0.07y2, donde y 2 es la profundidad secuente teórica, correspondiente a y1. La profundidad de salida de aguas abajo por encima del piso del cuenco disipador está dada por para F1 = 1.7a 5.5; por y2' = 0.85y2, para Fl=5.5 a 11; y por, para F1 = 11 a 17. La altura de los muros laterales por encima de la profundidad de salida máxima esperada dentro de la vida útil de la estructura está dada por z = Y2/3. Los muros de salida deben ser iguales en altura a los muros laterales del cuenco disipador, y su parte superior debe tener una pendiente de 1 en 1. El muro de salida debe localizarse con un ángulo de 45° con respecto al eje central de la salida. Los muros laterales del cuenco disipador pueden ser paralelos (como en un cuenco disipador rectangular) o diverger como una extensión de los muros laterales de la transición (como en un cuenco disipador trapezoidal) Debe utilizarse un muro cortina de profundidad nominal en el extremo del cuenco disipador. El efecto de atrapamiento de aire no se considera en el diseño del cuenco disipador.
Cuenco disipador USBR II. A partir de los estudios intensivos de muchas estructuras existentes y de investigaciones de laboratorio, el U. S. Bureau of Reclamation desarrolló varios tipos de diseños generalizados de cuencos disipadores. El cuenco USBR I lo origina un resalto hidráulico que ocurre en un piso plano sin ningún accesorio, y
puede diseñarse con facilidad. Sin embargo, tal cuenco por lo general es muy práctico, debido a que su longitud lo hace costoso y a su falta de control. El cuenco USBRIII se diseña para un propósito similar al del cuenco SAF pero tiene un factor de seguridad mayor, ajustado a las necesidades del Bureau. El comportamiento de este cuenco indica que su longitud y la del resalto pueden reducirse alrededor del 60%, con accesorios en comparación con el 80% para el cuenco SAF. Por consiguiente, el cuenco SAF es más económico, pero menos seguro. El cuenco USBR V se utiliza cuando la economía estructural implica el uso de un canal de aproximación inclinado, el cual es usual en vertederos de presas altas. El cuenco USBR II se desarrolló para cuencos disipadores de uso común en vertederos de presas altas y de presas de tierra y para estructuras de canales grandes. El cuenco contiene bloques en la rápida del extremo de aguas arriba y un umbral dentado cerca del extremo de aguas abajo. No se utilizan bloques de impacto debido a que las velocidades relativamente altas que entran al resalto pueden causar cavitación en dichos bloques. En las ilustraciones 9 y 10 se muestran el diseño detallado y los datos necesarios para el cálculo. Las reglas recomendadas para el diseño son las siguientes: 1. Fijar la elevación del piso para utilizar la profundidad secuente de aguas abajo completa, más un factor de seguridad adicional si es necesario. Las líneas punteadas de la ilustración 9b sirven como guía para diferentes relaciones de la profundidad real de aguas abajo con respecto a la profundidad secuente. Estudios de diseños existentes indican que la mayor parte de los cuencos se diseñaron para profundidades de salida secuentes o menores. Sin embargo, existe un límite, el cual es establecido por la curva denominada Mínima profundidad de salida, que indica el punto para el cual el frente del resalto se mueve hacia afuera de los bloques de la rápida. En otras palabras, cualquier reducción adicional de la profundidad de salida hará que el resalto se salga del cuenco; es decir, producirá un "barrido de resalto". El cuenco no debe diseñarse para una profundidad menor que la secuente. Para mayor seguridad, de hecho, el Bureau recomienda un margen de seguridad mínimo del 5% de D 2, que debe sumarse a la profundidad secuente. 2. El cuenco II puede ser efectivo hasta un número de Froude tan bajo como 4, pero para valores menores esto no necesariamente es cierto. Para valores bajos, se recomiendan diseños que consideren la supresión de ondas. 3. La longitud del cuenco puede obtenerse de la curva de longitud del resalto dada en la ilustración 10c. 4. La altura de los bloques de la rápida es igual a la profundidad D1 del flujo que entra al cuenco. El ancho y el espaciamiento deben ser aproximadamente iguales a D 1; sin embargo, esto puede modificarse para eliminar la necesidad de fracciones de bloques. Con respecto a las paredes laterales es preferible un espaciamiento igual a 0.5D1 para reducir salpicaduras y mantener presiones adecuadas. Ilustración 9 5. La altura del umbral dentado es igual a O.2D2. y el ancho máximo y el espaciamiento máximos recomendados son aproximadamente 15D2. En este diseño se recomienda colocar un bloque adyacente a cada pared lateral ilustración 10e. La pendiente de la parte continua del umbral de salida es 2:1. En el caso de cuencos angostos, lo cual involucraría sólo algunos dientes según la regla anterior, es recomendable reducir el ancho y el espaciamiento, siempre y cuando esto se haga de manera proporcional. La reducción del ancho y del espaciamiento en realidad mejora el comportamiento en estos cuencos; luego los anchos y los espaciamientos mínimos entre los dientes se establecen sólo por consideraciones estructurales. Ilustración 10 6. No es necesario escalonar los bloques de la rápida y el umbral dentado. De hecho, esta práctica no es recomendable desde un punto de vista constructivo. 7. Las pruebas de verificación sobre los cuencos II no indican cambios perceptibles en la acción del cuenco disipador con respecto a la pendiente de la rápida aguas arriba del cuenco. En estas pruebas la pendiente de la rápida varía desde 0.6: 1 a 2: 1. En realidad, la pendiente de la rápida tiene un efecto sobre el resalto hidráulico en algunos casos. Es recomendable que la intersección aguda entre la rápida y el cuenco se remplace por una curva de radio razonable (R4D1) cuando la pendiente de la rápida es 1:1 o mayor. Los bloques de la rápida pueden incorporarse a la superficie curva con tanta facilidad como a las planas. En rápidas empinadas
la longitud de la superficie superior de los bloques debe hacerse lo suficientemente larga para deflectar el chorro. Las reglas anteriores darán como resultado un cuenco más seguro para vertederos con caída hasta 200 pies y para caudales hasta 500 pies3/s por pie de ancho, siempre y cuando el chorro que entra al cuenco sea razonablemente uniforme tanto en velocidad como en profundidad. Para caídas superiores, caudales unitarios mayores o asimetrías posibles, se recomienda un estudio en modelo del diseño específico. 8. Los perfiles aproximados para la superficie del agua y para las presiones de un resalto en el cuenco se muestran en la ilustración 10-d. Cuenco disipador USBR IV Cuando Fl = 2.5 a 4.5, se producirá un resalto oscilante en el cuenco disipador, el cual genera una onda que es difícil de atenuar. El cuenco USBR IV se diseña para combatir este problema eliminando la onda en su fuente. Esto se lleva a cabo intensificando el remolino que aparece en la parte superior del resalto, con los chorros direccionales deflectados utilizando grandes bloques en la rápida. Para un comportamiento hidráulico mejor, es conveniente construir estos bloques más angostos que lo indicado, preferiblemente con un ancho igual a 0.75D1, y fijar la profundidad de salida, de tal manera que sea un 5% a 10% mayor que la profundidad secuente del resalto. La longitud del cuenco se hace igual a la del resalto en un cuenco disipador horizontal sin accesorios y, por consiguiente, también igual a la longitud del cuenco USBR. El cuenco IV sólo se utiliza en las secciones transversales rectangulares. 4. Conclusiones
Con la realización del presente taller, comprendemos que el diseño de estructuras especiales,
como luna transición, nos permite una formación integral en cuanto al campo de acción profesional, aunque no obtengamos de una sola vez los criterios para este tipo de diseños, es una muy buena experiencia en el diseño de este tipo de estructuras y sabremos que en el futuro ya tenemos unas buenas bases para realizar este tipo de diseño. Es importante tener en cuenta que las transiciones deben considerarse las líneas de flujo para no provocar daños tanto en el desplazamiento del fluido como en la estructura misma. El diseño de cuencos disipadores es una aplicación nueva para nosotros, no queda exento de que podamos encontrarnos con el diseño de este tipo de estructura en el futuro.
Trabajo enviado por: Duvan Beltran
[email protected] Universidad Del Quindio Facultad de Ingenierías Ingeniería Civil
