Monografía de Vertederos

7/23/2019 Monografa de Vertederos

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MECNICA DEFLUIDOSVERTEDEROS

El vertedero hidrulico o aliviadero es una estructura hidrulicadestinada a propiciar el pase, libre o controlado, del agua en los

escurrimientos superfciales, siendo el aliviadero en exclusiva para eldesage no para la medici!n" Existen diversos tipos seg#n la $orma uso %ue se haga de ellos, a veces de $orma controlada otras vecescomo medida de seguridad en caso de tormentas en presas"

INTRODUCCIN


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&os vertederos se utili'an para contralar el nivel de agua(vertederos de presa) o para la medici!n de caudales (vertederos demedida), estos $uncionan como una pared rectangular (de chapa ladrillo,hormig!n, tablones de madera, etc") %ue intercepta la corrientecausando elevaciones en el nivel de aguas arribas"

En los vertederos el caudal es $unci!n de la #nica variable, *h+ %uees el espesor de la lmina d agua medida desde la cresta del vertedero,esta cresta suele ser de bronce, acero inoxidable, etc", lo %ue simplifcala medida, as como la adaptaci!n del instrumento a integradores"

El l%uido %ue -ue en los canales tiene una superfcie libre sobre.l no act#a otra presi!n %ue la debida a su propio peso a la presi!natmos$.rica" El -u/o en canales abiertos tambi.n tiene lugar en lanaturale'a, como en ros, arroos, etc", en general con secciones rectasde cauces irregulares"

De $orma artifcial creadas por el hombre, tienen lugar los canales,ace%uias canales de desage, en la maora de los casos los canalestienen secciones rectas regulares suelen ser rectangulares,triangulares o trape'oidales"


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VERTEDERO HIDRAULICOEl vertedero hidrulico o aliviadero es una estructura hidrulica

destinada a permitir el pase, libre o controlado, del agua en losescurrimientos superfciales0 siendo el aliviadero en exclusiva para el

desage no para la medici!n" Existen diversos tipos seg#n la $orma uso %ue se haga de ellos, a veces de $orma controlada otras vecescomo medida de seguridad en caso de tormentas en presas"

FUNCIONES

ALIVIADERO COMO ELEMENTO DE PRESA

Tiene varias fnalidades entre las %ue se destaca1

o 2aranti'ar la seguridad de la estructura hidrulica, al no permitir

la elevaci!n del nivel, aguas arriba, por encima del nivel mximo)"o 2aranti'ar un nivel con poca variaci!n en un canal de riego, aguasarriba" Este tipo de vertedero se llama 3pico de pato3 por su $orma"

o 4onstituirse en una parte de una secci!n de a$oro del ro o arroo"o Disipar la energa para %ue la devoluci!n al cauce natural no

produ'ca da5os" Esto se hace mediante saltos, trampolines ocuencos"

En una presa se denomina vertederoa la parte de la estructura%ue permite la evacuaci!n de las aguas, a sea en $orma habitual o paracontrolar el nivel del reservorio de agua"

2eneralmente se descargan las aguas pr!ximas a la superfcielibre del embalse, en contraposici!n de la descarga de $ondo, la %uepermite la salida controlada de aguas de los estratos pro$undos delembalse"


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VERTEDERO COMO ELEMENTO DE CANAL

&os vertederos se usan con/untamente con las compuertas paramantener un ro navegable o para proveer del nivel necesario a lanavegaci!n" En este caso, el vertedero est construido

signifcativamente ms largo %ue el ancho del ro, $ormando una 363 ohaciendo diagonales, perpendicularmente al paso" Dado %ue elvertedero es la parte donde el agua se desborda, un vertedero largopermite pasar una maor cantidad de agua con un pe%ue5o incrementoen la pro$undidad de derrame" Esto se hace con el fn de minimi'ar las-uctuaciones en el nivel de ro aguas arriba"

Tambi.n permiten a los hidr!logos un m.todo simple para medir elcaudal en -u/os de agua" 4onocida la geometra de la 'ona alta delvertedero el nivel del agua sobre el vertedero, se conoce %ue el l%uidopasa de r.gimen lento a rpido, encima del vertedero de pared gruesa,

el agua adopta el calado crtico"

7dems son mu utili'ados en ros para mantener el nivel del agua ser aprovechado como lagos, 'ona de navegaci!n de esparcimiento"&os molinos hidrulicos suelen usar presas para subir el nivel del agua aprovechar el salto para mover las turbinas"

Debido a %ue un vertedero incrementa el contenido en oxgeno delagua %ue pasa sobre la cresta, puede generar un e$ecto ben.fco en laecologa local del ro"

6na represa reduce artifcialmente la velocidad del agua, lo %uepuede incrementar los procesos de sedimentaci!n, aguas arriba0 unincremento de la capacidad de erosi!n aguas aba/o"

&a represa donde se sit#a el vertedero, al crear un desnivel,representa una barrera para los peces migratorios, %ue no pueden saltarde niveles"


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CLASIFICACIN

&os vertederos pueden ser clasifcados de varias $ormas1

8" 9or su localizacien relaci!n a la estructura principal1

o Vertederos $rontales"o Vertederos laterales"o Vertederos tulipa0 este tipo de vertedero se sit#a $uera de la

presa la descarga puede estar $uera del cauce aguasaba/o"

:" Desde el punto de vista de los i!tr"#eto! $ara el cotrol delca"dal vertido1

o Vertederos libres, sin control"o Vertederos controlados por compuertas"

;" Desde el punto de vista de la $ared donde se produce elvertimiento1


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o Vertedero de pared delgada"o Vertedero de pared gruesa"o Vertedero con perfl hidrulico"


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notoria la variaci!n en altura" &a relaci!n entre la descarga la alturasobre la cresta del vertedero, puede obtenerse matemticamentehaciendo las siguientes suposiciones del comportamiento del -u/o1

8" 7guas arriba del vertedero el -u/o es uni$orme la presi!n varacon la pro$undidad de acuerdo con la hidrosttica (p>gh)"

:" &a superfcie libre permanece hori'ontal hasta el plano delvertedero todas las partculas %ue pasan sobre el vertedero se muevenhori'ontalmente (en realidad la superfcie libre cae cuando se aproximaal vertedero)"

;" &a presi!n a trav.s de la lmina de l%uido o napa %ue pasasobre la cresta del vertedero es la atmos$.rica"


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6n vertedero rectangular sin contracci!n es a%uel cuo ancho es igual aldel canal de aproximaci!n" 9ara este tipo de vertedero es aplicable la$!rmula de Rehboc@ para hallar el valor de 4d1

D!nde1pes la altura de la cresta del vertedero"6n vertedero rectangular con contracci!n es a%uel en el cual el piso los muros del canal estn lo sufcientemente ale/ados del borde delvertedero por lo tanto no in-uen en el comportamiento del -u/o sobre.l" 9ara este tipo de vertedero es aplicable la $!rmula de AamiltonBSmithpara hallar el valor de 4d1

Ecuacin para un vertedero triangular de pared delgada:Siguiendo el mismo procedimiento anterior despreciando el valor dev8C:g puesto %ue el canal de aproximaci!n es siempre ms ancho %ue elvertedero, se obtiene la descarga a trav.s de

Condicione de !u"o adoptada para la #r$ula De Poleni%&ei'ac(

4onsiderando la Ecuaci!n de la Energa, a lo largo de una lnea de -u/o

se presenta un incremento de la velocidad correspondientemente unacada del nivel de agua" En el coronamiento del vertedero %ueda el lmitesuperior del chorro l%uido, por deba/o del espe/o de agua, con unasecci!n de -u/o menor al asumido por 9oleniBeisbach"


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Vertedero de pared delgada en )uncin de la condicione de!u"o agua arri'a

ECUACION DE (ERNOULLI4ada partcula de agua tiene una velocidad real (u), una cota (), unapresi!n (9), una temperatura produce un cierto ruido" 9ara nuestrosfnes, pueden despreciarse estas dos Fltimas propiedades, %ue sonintercambiables" &as otras se pueden expresar, en $orma de energa, delsiguiente modo1

G H96I > Energa cin.tica, por unidad de volumen


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9> Energa debida a la presi!n, por unidad de volumen

pg > Energa potencial, por unidad de volumen

Donde1

p > Densidad del -uidog> 7celeraci!n de la gravedad"

&a expresi!n de estas energas en @gCms:o en JeKtonCm:no es prcticaen la ingeniera" 9or esta ra'!n generalmente se supone %ue la densidades constante (p > 8"LLL @glmI) %ue la aceleraci!n de la gravedad nocambia en la Tierra (g > M,N8 mCs:), por lo %ue las expresionesanteriores de la energa se pueden dividir por pg, expresndoseentonces por unidad de peso en $unci!n de la pro$undidad del agua ocarga (m), es decir1

6:C:g > 4arga de velocidad9C9g > 4arga de presi!n

> 4arga de cota

En la fgura 1se muestran los tres componentes de la carga de unapartcula de agua situada en la posici!n "

7dems de las tres cargas mencionadas, generalmente se utili'an lasexpresiones siguientes1

9C9g H > 4arga pie'om.trica

E> 4arga energ.tica total de la partcula de agua"

&a carga energ.tica total la carga por elevaci!n, , se referen almismo nivel de 4omparaci!n , por lo tanto, para la partcula de agua enla posici!n 8, puede escribirse1

P"" (8)

&a carga energ.tica total de la partcula de agua en la posici!n : es iguala1

P"" (:)

Si la distancia entre 8 : es pe%ue5a las p.rdidas de energa debidasal ro'amiento a la turbulencia son despreciables, puede suponerse %ueE: es igual a E, , por lo tanto, %ue1


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P"" (;)

Aa %ue tener en cuenta %ue cada partcula de agua -ue con unavelocidad di$erente, (u), en cada posici!n puede tener S6 propia carga

energ.tica" &as Ecuaciones 8 a ; son expresiones alternativas de laconocida ecuaci!n de ?ernoulli son vlidas a lo largo de una lnea decorriente"

9or defnici!n, no existe movimiento de la partcula de agua endirecci!n perpendicular a una lnea de corriente recta" 9or tanto, lacomponente de S6 energa cin.tica en esta direcci!n es nula, mientras%ue sus energas de presi!n potencial son independientes de ladirecci!n de la corriente" 9or esta ra'!n la distribuci!n de la presi!n ensentido perpendicular a las lneas de corriente rectas paralelas es lamisma %ue en el agua en reposo (Qigura :)"

#igura *+ Energa de una partcula de -uido en corrienteconstante"


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#igura ,+Distribuci!n de la presi!n hidrosttica en sentidoperpendicular a las lneas de corriente, supuestas rectas paralelas"

P"" (


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En este caso de curvatura hacia aba/o, la aceleraci!n centrpeta reduceel e$ecto de la gravedad , consecuentemente, la presi!n es menor %uela hidrosttica (ver la Qigura


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9ara calcular la distribuci!n de la presi!n de la velocidad en la secci!nde control del a$orador, la longitud de la garganta debe ser sufcientepara %ue las lneas de corriente Sean prcticamente rectas paralelasentre s en dicha secci!n" Esta condici!n puede suponerse si la cargaaguas arriba re$erida al resalto es menos de la mitad de la longitud de la

garganta"Seg#n la Ecuaci!n = la carga energ.tica total de una partcula de aguapuede expresarse como la suma de tres tipos de carga1

P"" (N)

7hora se %uiere aplicar esta expresi!n a la energa total de todas laspartculas de agua %ue atraviesan una secci!n transversal completa deun canal" Entonces, se necesita expresar la carga de velocidad en

$unci!n de la velocidad media de todas las partculas de agua %ue pasanpor la secci!n transversal" Esta velocidad media no puede medirsedirectamente por%ue las velocidades no se distribuen uni$ormementesobre la secci!n transversal del canal" En la Qigura " se muestran dose/emplos de distribuci!n de la velocidad para secciones de canal de$orma di$erente" 9or tanto, la velocidad media es una velocidadcalculada, %ue viene defnida por la ecuaci!n de continuidad1

P"" (M)

&a verdadera carga de velocidad media, (6:C:g), no sernecesariamente igual a v:C:g, debido a %ue la distribuci!n de lavelocidad, u, en la secci!n transversal no es uni$orme" 9or esta ra'!n seintroduce un coefciente de distribuci!n de velocidad,

P"" (8L)

E coefciente de distribuci!n de velocidad es igual a 8,L cuando todaslas velocidades, u, son iguales aumenta a medida %ue la distribuci!n

de la velocidad es menos uni$orme" 9ara canales de aproximaci!n rectoslos valores de a varan de 8,L; a 8,8L0 para secciones de controlsituadas en gargantas largas el valor es menor de 8,L8" 9uesto %ue enmuchos casos la carga de velocidad es pe%ue5a en relaci!n con la cargapie'om.trica, se puede utili'ar un valor de ci8 > 8,L


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&a variaci!n de los otros dos t.rminos de la Ecuaci!n "8L depende de lacurvatura de las lneas de corriente" Estas son rectas paralelas en lasdos secciones del canal consideradas, es decir, en las secciones de a$oro de secci!n de control" 9or tanto, seg#n la Ecuaci!n M, la suma de lascargas, por altura por presi!n, es constante en todos los puntos de

ambas secciones" Dicho de otro modo,

P"" (88)

9ara todos los puntos, tanto de la secci!n de a$oro como de la de control, dado %ue en la superfcie del agua, 9 > O, el nivel pie'om.trico de lasdos secciones coincide con los niveles locales del agua" Seg#n esto, parala secci!n de a$oro, se puede escribir (ver la Qigura )1

#igura /+E/emplos de distribuci!n de la velocidad en dos secciones decanal"


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#igura 0+ Jiveles de energa en la estaci!n milim.trica en la secci!nde control"

En la secci!n de control la carga total de energa es igual a1

P"" (8;)

En el corto tramo de aceleraci!n entre las dos secciones, puedesuponerse %ue las p.rdidas de energa, debidas al ro'amiento a laturbulencia, son despreciables" 9or lo tanto, puede suponerse %ue A >A, es decir,

P"" (8


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Tipo de vertedero:

Vertedero rectangular"

&a ecuaci!n de Qrancis para un vertedero recta)"lar decre!ta a)"da, sin contracciones es1

Q=1.84 L h3 /2

Donde1

> caudal %ue -ue por el vertedero en m3/S

"

& > ancho de cresta, en m"h > carga en el vertedero, en m"

#igura 1+Vertedero rectangular, de cresta aguda sin contracciones"

&a ecuaci!n de Qrancis para un vertedero rectangular con perfl4reager, sin contracciones es1

Q=2.L .h3 /2

#igura 2+9erfl 4reager"

Donde1


"

& > ancho de cresta, en m"h > carga en el vertedero, en m"


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9ara un vertedero rectangular, de cresta aguda con contracciones,longitud de cresta menor %ue el ancho del canal), la ecuaci!n de Qrancises1

#igura 3+Vertedero rectangular con contracciones"

Donde1 > caudal %ue -ue por el vertedero en m; Cs"& > ancho de cresta, en m" h > carga en el vertedero, en m"n > n#mero de contracciones (8 o :)"

VERTEDERO TRIAN45LAR: &a $!rmula general obtenidaexperimentalmente para un vertedero triangular de cresta aguda es1

9ara1 :U > ML W U >


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Donde1


"

h > carga en el vertedero, en m"

#igura *6+Vertedero triangular con cresta aguda"

VERTEDERO TRAPE7OIDAL: El vertedero trape'oidal de 4ipolleti, tienecomo caracterstica %ue la inclinaci!n de sus paredes son 8 hori'ontal por carga en el vertedero, en m"

#igura **+Vertedero trape'oidal


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Relaciones geom.tricas para una secci!n trape'oidal triangular con taludesdi$erentes"

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