Vertederos y Compuertas

7/23/2019 Vertederos y Compuertas

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DISEÑO HIDRÁULICO DEVERTEDEROS YCOMPUERTAS

AFORO CON CORRENTOMETRO

Normalmente, el caudal se mide enestaciones de aforo o estacioneshidrológicas, limnimétricas (con limnímetro)o limnigráficas (con limnígrafo).

En una estación de aforos, de seccióntransversal constante y conocida, se

requiere medir caudales y niveles de agua,para así establecer la “curva de calibración”o “curva de descarga” de la estación deaforos (h vs Q).

ESTACION DE

AFOROSLIMNIGRAFICA

• MEDICION DE NIVELES DE AGUA

Los niveles de agua se miden medianteuna mira, denominada limnímetro, con la

que se efectúan lecturas discretas. Al utilizar limnímetros se requiere lecturascon regular frecuencia para establecer con

cierta precisión la variación de caudales.

Si los caudales varían muy rápidamente, losniveles de agua también habrán de variar muy rápido, siendo necesario, en este caso,

efectuar la medición con el empleo delimnígrafos, que son instrumentosregistradores continuos del nivel del agua.

El registro, discreto o continuo, setransforma en registro de descargashaciendo uso de la curva de calibración decaudales.

• MEDICION DE CAUDALES

En cauces naturales, el método de

medición de la velocidad de flujo másusado es el correntómetro, instrumentoque consta de un sistema de copascónicas que giran alrededor de un ejevertical o de una hélice que giraalrededor de un eje horizontal.

AFORO CONCORRENTOMETRO

En general, la velocidad de flujo varía con laprofundidad y se hace mayor conforme se aleja delcontorno de la sección.

La velocidad aumenta, teóricamente, desde 0 en ellecho del cauce hasta un valor máximo cerca desuperficie, con un valor promedio alrededor del 0.6de la profundidad.

En la práctica, es común que las mediciones de lavelocidad se efectúen a 0.2 y 0.8 de la profundidad,cuando ésta es mayor de 0.6 m (2 pies), ypromediar ambos valores para determinar velocidadmedia en la sección vertical.

Para profundidades menores a 0.6 m, bastacon realizar una medición de la velocidad a0.6 de la profundidad.

Al medir velocidades, el correntómetroregistra velocidades de rotación (N, en rpm),las cuales deben ser luego transformadas avelocidades lineales.

Cada instrumento posee su ecuación decalibración: V = a + bN; relación lineal queresulta de la calibración en laboratorio.

Vm = 0.85 Vsup

Vm = V0.6

Vm = (V0.2+V0.8)/2

Vm = ΣVi/n

Vm = c V0.5 ; c = 0.96

La estimación del caudal requiere ladeterminación de varias velocidadespuntuales, para así obtener la velocidadpromedio de la sección, que multiplicadapor el área dará el caudal de la secciónen estudio. La suma de los caudales

correspondientes a cada una de lassecciones proporcionará el caudal total.

Para la determinación del caudal, lasección del río o del curso natural se

divide en una serie de franjas verticales.De acuerdo al WMO, el ancho de cadafranja debe ser menor a B/20, siendo B elancho superficial; además, el caudal en

cada franja (q) debe ser menor a Q/10,siendo Q el caudal total.

Como práctica usual, se considera unmínimo de:

• 10 secciones en cursos de fondouniforme

• 10 secciones en cursos pequeños

• 20 a 40 secciones en cursos mayores

De acuerdo al diagrama siguiente, elcaudal en cada franja se determina

mediante alguna de las expresionesindicadas:

bn bn+1

n-1n n+1

1n1nn1nn)1n,n( b2dd

2VVq ++++ + +=

n1nnnn d2bbVq += +

EJEMPLO DE AFORO CONCORRENTOMETRO

Cabe también señalar que la medición delas velocidades de la corriente en la seccióntransversal de un río o curso natural,

permite determinar las curvas de contornosde velocidades o isovelas.

ESTRUCTURAS DE MEDICION

Al emplear estructuras en la medición delflujo, debe distinguirse:

• Vertederos (rectangular, triangular,cipolletti)

• Orificios

• Aforadores de profundidad crítica (flumeventuri, vertedero de pared gruesa,aforador Parshall, vertedero tipo Crump)

VERTEDEROS

VERTEDERO RECTANGULAR

VERTEDERO TRIANGULAR

FORMULAS DE VERTEDEROS:• VERTEDERO RECTANGULAR

– Despreciando la velocidad de

aproximación

– Tomando en consideración la

velocidad de aproximación

2/3dLHCg2

[ ]2/32/3d hv)hvH(LCg2

2Q −+=

• VERTEDERO TRIANGULAR

donde:

H – carga sobre la crestaθ - ángulo de la escotadura triangular

d H2tanCg215

VERTEDERO TIPO CRUMP

FLUME VENTURI

AFORADOR

PARSHALL(Parshall Flume)

AFORADOR PARSHALL

http://www.fao.org/docrep/T0848S/t0848s06.

htm#el%20canal%20de%20aforo%20parsh

AFORADORPARSHALL(Parshall Flume)

AFORADOR PARSHALL

CRITERIOS DE SELECCION

Usualmente, aunque no es un regla general,el ancho de garganta del aforador Parshall aser empleado normalmente fluctúa entre B/3

y B/2, siendo B el ancho superficial delcanal. Sin embargo, el procedimiento formalde selección del aforador se basa en elcumplimiento de los tres pasos que se

indican a continuación:

a) Identificar los aforadores que permitenmedir el rango de caudales deseado.

b) De los aforadores identificados en a)

seleccionar aquellos que originan unapérdida de carga menor o igual a laespecificada.

c) De los aforadores que han quedado del

paso anterior, determinar cuál es aquel -de menor tamaño - que no origina unefecto de remanso aguas arriba de la

ubicación del aforador.

Ejemplo:Seleccionar el aforador Parshall a ser empleadopara la medición de caudales en un canal deirrigación, considerando las siguientescaracterísticas:•Rango de caudales a medir: de 4 cfs a 40 cfs

•Ancho de la base del canal: 6 ft

•Tirante normal en el canal: 2 ft•Taludes: 1.5 : 1

•Altura de pérdidas permitida en el aforador: 0.65ft

• Ancho superficial del canal: 6 + 2 x 1.5 x2 = 12 ft

• Tamaño del aforador según criterio

preliminar: B/3 a B/2 4 a 6 ftProceso formal de selección del tamaño del

aforador a emplear:

a)Aforadores que permiten medir el rangode caudales comprendido entre 4 y 40cfs: – W = 3, 4, 5, 6, 7 y 8 ft

b) Aforadores que originan una pérdidamenor o igual a la especificada (0.65 ft):

c) Selección del aforador de menor tamaño(y por ende, menor costo) que no originaefecto de remanso aguas arriba:

Debe verificarse que la altura de energía antesdel aforador (Eo) sea mayor o igual que laaltura de energía sobre la cresta del aforador (Ea), es decir, la altura de energía medida en

la sección (a).En este caso, se empieza la comprobación conel aforador de menor tamaño que ha quedadoluego del paso b), esto es, W = 5 ft.

METODO DE DILUCION

Consiste en la inyección a la corriente deuna solución química (normalmente NaCl),sea de golpe o en forma uniforme, paraluego tomar una muestra del agua aguasabajo del punto de aplicación, habiéndoseproducido una mezcla uniforme. Sedetermina la nueva concentración y, a partir

de ello, se estima el caudal circulante. Seadapta a corrientes turbulentas y pequeñas,donde otros métodos serían inapropiados ocostosos.

METODO DE DILUCION

• APLICACIÓN DE GOLPE:

Se inyecta de golpe un cierto volumende solución con una concentración Co

en una corriente que en forma naturalcontiene dicha solución con unaconcentración C1 (C1 << Co)

∫ −=

)CC(VQ

METODO DE DILUCION

• APLICACIÓN UNIFORME:Se aplica un caudal constante (q) de unasolución con una concentración Co en

una corriente que en forma contiene dichasolución con una concentración C1 (C1

<< Co). Aguas abajo del punto deaplicación, la concentración habrá de

estabilizarse en un valor C2.

−−

METODO DE DILUCIONUna solución concentrada se inyecta en un río a una razón

constantes de 2 lts/min en cuatro ocasiones diferentes. Los

resultados de las mediciones se indican en la tabla:

PruebaConcentr.

en el río

Concentr.

en sección

de lectura

Concentr.

de soluc.

diluida

Altura (mm)

1 100 112 112 2742 110 125 120 224

3 105 115 120 366

4 95 111 113 313

Determinar la curva de descarga (caudal vs altura) del río

a partir de la ecuación general: Q = K (H-b)**nTomar en cuenta que la altura para descarga nula es 50 mm.

La dilución se efectúa con agua del mismo río, procediendo del

siguiente modo:

5 ml de la solución concentrada se diluyen en un litro de agua del

río y luego, 5 ml de esta mezcla se diluyen nuevamente en un litro

de agua del río.

COMPUERTAS

Una compuerta es una placa móvil, planao curva, que, al levantarse, forma unorificio entre su borde inferior y la

estructura hidráulica (presa, canal, etc.)sobre la cual se instala.

Se utiliza en la mayoría de los casos para

la regulación de caudales, así comotambién para cierres por mantenimiento uoperaciones de emergencia.

COMPUERTAS

Las compuertas tienen las propiedadeshidráulicas de los orificios y, cuando estánbien calibradas, también pueden

emplearse como medidores de flujo.La selección del tipo y tamaño de lascompuertas depende de condiciones

físicas, hidráulicas, climáticas y deoperación, las cuales, evaluadasapropiadamente, permiten elegir el tipo decompuerta.

COMPUERTAS

Existen diferentes tipos de compuertas,con variadas características en suoperación y en su mecanismo de izado,

los cuales permiten clasificarlas en gruposgenerales de la siguiente manera:

a) Según las condiciones de flujo aguas

abajob) Según el tipo de operación ofuncionamiento

COMPUERTAS

c) De acuerdo a sus característicasgeométricas

d) Según los mecanismos de izado

COMPUERTAS

a) Según las condiciones de flujoaguas abajo:

• Compuertas con descarga libre

• Compuertas con descarga sumergida oahogada

COMPUERTAS

b) Según el tipo de operación ofuncionamiento:

• Compuertas Principales: se diseñan

para operar bajo cualquier condición deflujo.

Se les llama de regulación cuando seles conciben para controlar caudales enun canal abierto o sobre una estructurade presa, con aberturas parciales.

COMPUERTAS

Se les conoce como compuertas deguarda o de cierre cuando funcionancompletamente abiertas o cerradas.

• Compuertas de Emergencia: se utilizanen los eventos de reparación, inspeccióny mantenimiento de las compuertasprincipales.

COMPUERTAS

c) De acuerdo a sus característicasgeométricas:

• Compuertas planas, que pueden ser:

Rectangulares Cuadradas

Circulares

Triangulares

COMPUERTAS

• Compuertas curvas o alabeadas, quepueden ser:

Radiales: también llamadas

compuertas Taintor , tienen la forma deuna porción de cilindro, y giranalrededor de un pivote o eje horizontalsituado en el eje longitudinal de la

superficie cilíndrica. Por su formaalgunas veces se les llamacompuerta de Sector.

COMPUERTAS

En las compuertas radiales,generalmente el agua actúa en el ladoconvexo y, debido a las propiedadeshidrostáticas de una superficie cilíndrica,la línea de acción del empuje hidrostáticoresultante pasa a través del pivote ocentro de giro. En consecuencia, la

fuerza requerida para levantar lacompuerta es la necesaria para vencer elpeso propio de la misma y la fricción enlos apoyos.

COMPUERTAS

Este tipo de compuerta se usa envertederos de presa, en obras decaptación y en canales de riego.

COMPUERTAS

Este tipo de compuerta se usa envertederos de presa, en obras decaptación y en canales de riego.

Tambor: consiste en una estructurahermética de acero, abisagrada en lacresta de rebose de un vertedero depresa, y con una forma tal que, cuando

está en su posición más baja, ocupa unrecinto dentro de la estructura de lapresa, sin interrumpir el perfil de dichacresta.

COMPUERTAS

HOOVER SPILLWAY

COMPUERTAS

HOOVER SPILLWAY

COMPUERTAS

Si el líquido penetra a dicho recinto, lacompuerta se levanta por encima de lacresta, debido al empuje de flotación,evitando el paso de la corriente.

Este mecanismo de operación constituyecierta ventaja sobre los otros tipos decompuerta, puesto que no requiere de

superestructuras que incluyan grúas,cables, ni volantes, para su manejo.

COMPUERTAS

Cilíndricas: consisten en un cilindro deacero que se extiende entre los estribosde un vertedero de presa, en los cualesestá adosada una cremallera dentada einclinada. También puede utilizarse unatorre cilíndrica de captación de unembalse.

COMPUERTAS

La compuerta se iza rodando hacia arriba,permitiendo el engranaje entre los dientesy las cremalleras en los extremos. Envirtud de la gran resistencia de unaestructura cilíndrica, este tipo decompuerta se usa económicamente enproyectos con estructuras de grandes

luces.

COMPUERTAS

Generalmente se coloca un bordelongitudinal de acero en un puntoapropiado de su periferia, para que formeun sello con la cresta del vertedero,cuando la compuerta está en la posiciónmás baja.

COMPUERTAS

d) Según sus mecanismos de izaje:• Compuertas deslizantes: el elemento

de cierre u obturación se mueve sobre

superficies deslizantes (guías o rieles)que sirven, a la vez, de apoyo ysello.

COMPUERTAS

Generalmente, se construyen en acerocolado y se emplean en estructuras decanales y en algunas obras de

captación; en presas o tanques deregulación. La hoja de la compuerta oelemento de obturación se acciona conun mecanismo elevador, a través de un

vástago o flecha de acero.

COMPUERTAS

• Compuertas rodantes: el elemento decierre u obturación se mueve sobre untren de ruedas, rodillos o de

engranajes, hasta la posición deestanca. Se utilizan en obras de tomaprofunda, para casos de emergencia yde servicio, así como para cierre demantenimiento en conductos apresión.

COMPUERTAS

Estas compuertas ruedan a su posiciónde sello debido a su propio peso y seizan con cadenas o cables por medio

de grúas especiales, fuera de lasuperficie del agua, hasta una casetade operación, donde se les hacemantenimiento.

COMPUERTAS

En términos generales, en la literaturapuede encontrarse referencias a lossiguientes tipos de compuertas: tipoanillo; tipo basculante (denominadatambién clapeta o chapaleta); tipo cilindro;tipo esclusa; tipo laagarto; tipo rodante;tipo sector; tipo segmento; tipo Stoney;

tipo tambor; tipo tejado; tipo plana odeslizante con ruedas; tipo vagón; tipovisera; tipo ataguía.

COMPUERTAS

También compuertas automáticas paracontrol de nivel: compuertas para elcontrol de nivel aguas arriba (AMIS) ycompuertas para el control de nivel aguasabajo (AVIS).

Para el caso de tuberías se tiene lossiguientes tipos de válvulas: esférica, de

mariposa y de aguja.

COMPUERTAS

COMPUERTA AVIS

COMPUERTAS

COMPUERTA AMIS

COMPUERTAS

VALVULAESFERICA

COMPUERTAS

VALVULA DEMARIPOSA

COMPUERTAS

VALVULA DEAGUJA

COMPUERTAS

Flujo a través de compuertas planas yradiales:

COMPUERTAS

El caudal circulante a través de la aberturade una compuerta plana está dado por laexpresión:

donde:• Cd – coeficiente de descarga.

En el caso de compuertas planas verticales,usualmente Cd es del orden de 0.61

COMPUERTAS

• a – abertura de la compuerta• B – ancho de la compuerta

• y1 – carga de agua inmediatamente aguas

arriba de la compuertaPara el caso de compuertas radiales, laecuación del caudal es la misma que paracompuertas planas, con adecuados valoresde Cd, el cual dependerá del ángulo θ y dela relación y1/a.

COMPUERTAS

Fuerza sobre una compuerta plana:

COMPUERTAS

La magnitud de la fuerza ejercida por lapresión del agua sobre la superficie planase determina planteando la ecuación decantidad de movimiento en el volumen decontrol que se muestra a continuación:

COMPUERTAS

El resultado de la aplicación de dichaecuación en el volumen de controlconsiderado conduce a la siguienteexpresión de la fuerza:

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