Tesis Vertedero Tipo Laberinto

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UNIVERSIDAD ANDINA NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZFACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS CARRERA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL TESIS: “SIMULACIÓN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASÍAS.” PRESENTADO POR: Bach. : CESAR JUAN LLANQUE QUISPE PARA OPTAR EL TÍTULO PROFECIONAL DE INGENIERO CIVIL JULIACA PERU 2 012

Transcript of Tesis Vertedero Tipo Laberinto

  • UNIVERSIDAD ANDINA

    NSTOR CCERES VELSQUEZ

    FACULTAD DE INGENIERAS Y CIENCIAS PURAS

    CARRERA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA CIVIL

    TESIS:

    SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN

    VERTEDORES DE DEMASAS.

    PRESENTADO POR:

    Bach. : CESAR JUAN LLANQUE QUISPE

    PARA OPTAR EL TTULO PROFECIONAL DE

    INGENIERO CIVIL

    JULIACA PERU 2 012

  • Juliaca - Per 2012

    UNIVERSIDAD ANDINA NSTOR CCERES VELSQUEZ

    FACULTAD DE INGENIERAS Y CIENCIAS PURAS

    CARRERA ACADMICO PROFESIONAL DE

    INGENIERA CIVIL

    Tesis Para Optar el Ttulo Profesional de Ingeniero Civil

    SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN

    VERTEDORES DE DEMASAS.

    TESISTA:

    Bach. : CESAR JUAN LLANQUE QUISPE

    E-mail: [email protected]

  • UNIVERSIDAD ANDINA NSTOR CCERES VELSQUEZ

    Facultad De Ingenieras Y Ciencias Puras

    CARRERA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA CIVIL

    T E S I S:

    SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS DE DESCARGA

    EN VERTEDORES DE DEMASAS.

    Presentado por el Bachiller:

    CESAR JUAN LLANQUE QUISPE

    Para Optar El Ttulo Profesional de:

    IINNGGEENNIIEERROO CCIIVVIILL APROBADO POR:

    PRESIDENTE : ___________________________________

    Ing. Felipe S. Jara Vidaln Vega

    PRIMER MIEMBRO : ___________________________________

    Mg. Ing. Alfredo Zegarra Butrn

    SEGUNDO MIEMBRO : ___________________________________

    Mg. Ing. Ronald Madera Tern

    JULIACA PERU 2012

  • DEDICATORIA

    Mi ms grande y profundo agradecimiento al apoyo de mi

    mama y mis hermanos. Sus palabras y el valor que supieron

    transmitirme, me ayudaron a seguir adelante, sin dejarme

    retroceder en circunstancias en que mis propias fuerzas no

    fueron suficientes. Es a ellos, a quienes debo todo cuanto

    he conseguido en mi vida. Gracias por confiar en m y darme

    la oportunidad de crecer.

    A Dios, quien me dio la fe y la fortaleza necesaria para

    salir siempre adelante pese a las dificultades.

  • RESUMEN:

    Se est llevando a cabo un proyecto de investigacin en

    materia de aliviaderos tipo laberinto. Dentro de este proyecto

    se propone un mtodo para el clculo hidrulico de estos

    aliviaderos de tipo terico experimental de formulacin

    sencilla y basada en los principales fenmenos que condicionan

    la capacidad hidrulica de estas estructuras: las caras

    diagonales del vertedero respecto de la direccin del flujo en

    la alimentacin y la interferencia de lminas. El

    procedimiento va a ser mejorado y validado, dentro del

    proyecto de investigacin comentado, mediante modelacin. No

    obstante, el contraste de sus resultados con otros

    procedimientos existentes y con los resultados de algunas

    modelaciones fsicas disponibles ofrece resultados

    esperanzadores.

    ABSTRACT:

    It is carrying out an investigation project on labyrinth

    spillways. As a part of this project, it is proposed a method

    for the hydraulic calculation of this type of spillways, which

    is based on the main facts, occurred: the diagonal faces of

    the weir referred to the direction of the flow upstream in the

    approximation and the nappe interference. The method is going

    to be improved and validated by means of modelling as a part

    of the investigation project. However, the comparison of its

    preliminary results with other methods and also with some

    physical models available provides encouraging results.

  • Glosario

    Embalse: Es el agua almacenada en el vaso de la presa.

    Avenida: crecida sbita y violenta de un curso de agua.

    Cresta: Borde superior del vertedero

    Napa: Vena lquida que fluye a travs del vertedero.

    Napa Libre: Al final de canal que fluye a travs del

    vertedero.

    Pared del Vertedero (P): Es la altura del vertedero.

    Longitud del Vertedero (L): Es la longitud perpendicular del

    vertedero con respecto al flujo.

    Carga sobre el Vertedero (H): Espesor del chorro medida entre

    la superficie libre aguas arriba del vertedero.

  • SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.

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    INDICE

    LISTA DE FOTOGRAFIAS .......................................... 4

    LISTA DE FIGURAS .............................................. 4

    LISTA DE GRAFICOS ............................................. 6

    LISTA DE CUADROS .............................................. 7

    LISTA DE TABLAS ............................................... 7

    CAPITULO I FoRMULACIN DEL PROBLEMA ........................... 8

    1.1. INTRODUCCIN. ......................................... 8

    1.1.1. PROPSITOS Y ALCANCES DE LA INVESTIGACIN .......... 9

    PROPSITO ...................................... 9 1.1.1.1.

    ALCANCES DE LA INVESTIGACIN ................... 9 1.1.1.2.

    1.1.2. ANTECEDENTES ...................................... 10

    1.2. OBJETIVOS ............................................ 12

    1.2.1. OBJETIVOS GENERALES ............................... 12

    1.2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS ............................. 12

    1.3. DETERMINACIN DE VARIABLES. .......................... 13

    1.3.1. VARIABLE INDEPENDIENTE ............................ 13

    1.3.2. VARIABLE DEPENDIENTE .............................. 13

    1.4. METODOLOGA DEL ESTUDIO .............................. 13

    1.4.1. Tipo De Trabajo De Investigacin Cientfica ....... 13

    CAPITULO II MARCO TERICO Y CONCEPTUAL ....................... 14

    2.1. CONCEPTO DE FLUIDO ................................... 14

    2.1.1. CLASIFICACIN DE FLUIDOS .......................... 15

    GAS Y LQUIDO ................................. 15 2.1.1.1.

    FLUIDOS NEWTONEANO Y NO NEWTONEANO ............ 16 2.1.1.2.

    FLUIDOS IDEAL, VISCOSO Y REAL ................. 17 2.1.1.3.

    2.1.2. PROPIEDADES FSICAS ............................... 18

    VISCOSIDAD .................................... 18 2.1.2.1.

    ELASTICIDAD ................................... 20 2.1.2.2.

    TENSIN SUPERFICIAL )( ........................ 22 2.1.2.3.

    2.1.3. LEYES QUE RIGEN EL MOVIMIENTO DE UN FLUIDO ........ 24

    2.2. CONCEPTO DE FLUJOS ................................... 26

    2.2.1. TIPOS DE FLUJO .................................... 26

    2.2.2. FLUJOS EN CONDUCTOS CERRADOS Y ABIERTOS ........... 26

    2.2.3. FLUJO LAMINAR Y FLUJO TURBULENTO .................. 26

    FLUJO LAMINAR ................................. 26 2.2.3.1.

    FLUJO TURBULENTO .............................. 29 2.2.3.2.

    2.2.4. FLUJO CRTICO ..................................... 33

    2.2.5. FLUJO SUBCRTICO .................................. 34

    2.2.6. FLUJO SUPERCRTICO ................................ 35

  • SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.

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    2.2.7. FLUJO A RGIMEN PERMANENTE Y NO PERMANENTE ........ 36

    2.2.8. FLUJO UNIFORME Y FLUJO NO UNIFORME ................ 37

    2.2.9. FLUJO ROTACIONAL Y FLUJO IRROTACIONAL ............. 37

    2.2.10. FLUJO UNIDIMENCIONAL, FLUJO BIDIMENSIONAL, FLUJO TRIDIMENSIONAL ............................................ 37

    FLUJO UNIDIMENCIONAL ......................... 37 2.2.10.1.

    FLUJO BIDIMENSIONAL .......................... 38 2.2.10.2.

    FLUJO TRIDIMENSIONAL ......................... 38 2.2.10.3.

    2.3. CLASIFICACIN DE VERTEDORES DE DEMASAS .............. 39

    2.3.1. VERTEDORES DE CADA LIBRE ......................... 39

    2.3.2. CORTINAS VERTEDORAS CON CADA RPIDA .............. 41

    2.3.3. VERTEDORES CON TIRO VERTICAL ...................... 42

    2.3.4. VERTEDORES CON DESCARGA DIRECTA EN CANAL .......... 43

    2.3.5. VERTEDOR CON CANAL LATERAL ........................ 45

    2.3.6. VERTEDORES DE CIMACIO. ............................ 50

    2.3.7. VERTEDORES EN RAPIDA. ............................. 55

    2.3.8. VERTEDORES EN EMBUDO O BOCINA ..................... 57

    2.3.9. VERTEDORES DE TUNEL. .............................. 62

    2.3.10. VERTEDORES EN SIFN. ............................ 65

    2.3.11. VERTEDORES EN ABANICO. .......................... 69

    2.4. FORMULACIN TERICA PARA EL DISEO DE VERTEDEROS ..... 74

    2.4.1. CONCEPTO DE VERTEDEROS Y SU CLASIFICACIN ......... 74

    CONCEPTO DE VERTEDERO ......................... 74 2.4.1.1.

    FINALIDAD DE LOS VERTEDEROS ................... 75 2.4.1.2.

    ELEMENTOS DE UN VERTEDERO ..................... 75 2.4.1.3.

    CLASIFICACIN DE VERTEDEROS ................... 76 2.4.1.4.

    2.4.2. DESARROLLO DE LA FRMULA TERICA .................. 78

    LA ECUACIN DE BERNOULLI ...................... 78 2.4.2.1.

    CONSIDERANDO LA VELOCIDAD DE LLEGADA 2.4.2.2.DESPRECIABLE. ........................................... 80

    CONSIDERANDO LA VELOCIDAD DE LLEGADA .......... 81 2.4.2.3.

    2.4.3. FRMULAS COMNMENTE UTILIZADAS PARA LA ESTIMACIN DE COEFICIENTES DE DESCARGA EN EL DISEO DE VERTEDEROS ....... 82

    FRMULA DE KINDSVATER Y CARTER ................ 83 2.4.3.1.

    FRMULA DE REHBOCK ............................ 83 2.4.3.2.

    FRMULA DE BAZIN CORREGIDA POR HEGLY .......... 84 2.4.3.3.

    FRMULA DE FRANCIS ............................ 84 2.4.3.4.

    FRMULA DE KING ............................... 85 2.4.3.5.

    FRMULA DE LA SOCIEDAD SUIZA DE INGENIERIOS Y 2.4.3.6.ARQUITECTOS ............................................. 85

    2.4.4. FRMULAS COMNMENTE UTILIZADAS PARA LA ESTIMACIN DE VERTEDERO TIPO LABERINTO .................................. 86

    FRMULA DE TULLS, AMANIAN Y WALDRON .......... 86 2.4.4.1.

  • SIMULACIN EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO COMO SOLUCIN A PROBLEMAS DE DESCARGA EN VERTEDORES DE DEMASAS.

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    CAPITULO III SIMULACIN EXPERIMENTAL ......................... 90

    3.1. ALCANCES Y PROCEDIMIENTOS ............................ 90

    3.1.1. ALCANCES .......................................... 90

    3.1.2. PROCEDIMIENTOS .................................... 90

    En el canal de pendiente variable de la 3.1.2.1.Universidad Nstor Cceres Velsquez. ................... 90

    3.2. EQUIPAMIENTO EXPERIMENTAL ............................ 93

    3.2.1. MEMORIA DESCRIPTIVA ............................... 93

    3.2.2. ESPECIFICACIONES TCNICAS ......................... 98

    3.3. OBSERVACIONES DE LOS ENSAYOS EN VERTEDEROS TIPO LABERINTO .................................................. 104

    3.4. DETERMINACIN DE LA LONGITUD DEL VERTEDERO .......... 105

    3.5. DETERMINACIN FORMA DE LA CRESTA Y ALTURA DEL VERTEDERO 105

    3.6. DETERMINACIN DEL NGULO Y PARED DEL VERTEDERO ...... 106

    3.7. DETERMINACIN DEL CAUDAL ............................ 106

    3.8. DETERMINACIN DEL TIRANTE DEL VERTEDERO ............. 108

    CAPITULO IV ANLISIS DE LOS RESULTADOS ...................... 115

    4.1. COMPARACIN DE LOS RESULTADOS CON FRMULAS COMUNES .. 115

    4.2. FRMULAS DESARROLLADAS EN LA INVESTIGACIN .......... 135

    4.2.1. CASO CON VERTEDERO RECTANGULAR ................... 135

    4.2.2. CASO CON DIFERENTES CICLOS DE VERTEDEROS TIPO LABERINTO ................................................ 135

    4.3. DISCUSIN ........................................... 138

    CONCLUSIONES ................................................ 141

    RECOMENDACIONES ............................................. 143

    BIBLIOGRAFIA CONSULTADA ..................................... 144

    ANEXO ....................................................... 145

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    LISTA DE FOTOGRAFIAS

    Fotografa 01.- Canal de pendiente variable de la UANCV.

    Fotografa 02.- Tipo de vertedor de cada libre.

    Fotografa 03.- Partes que constituyen un vertedor en canal lateral.

    Fotografa 04.- Imagen donde se aprecia el proceso constructivo del canal lateral por parte de la

    CNA.

    Fotografa 05.- Ejemplo tpico de un vertedor de canal lateral.

    Fotografa 06.- Vista superior de un vertedor en canal lateral.

    Fotografa 07.- Ejemplo de vertedor en cimacio.

    Fotografa 08.- Imagen de vertedor en embudo.

    Fotografa 09.- Imagen en donde se presentan 2 tneles que son empleados como conductos de

    descarga.

    Fotografa 10.- Imagen de un vertedor en abanico

    Fotografa 11.- Partes que constituyen un vertedor en abanico.

    Fotografa 12.- Vertedero rectangular.

    Fotografa 13.- Vertedero tipo laberinto de un ciclo.

    Fotografa 14.- Vertedero tipo laberinto de dos ciclo.

    Fotografa 15.- Vertedero tipo laberinto de tres ciclo.

    Fotografa 16.- Aforo Volumtrico con canaleta de desviacin.

    Fotografa 17.- Tanque de Almacenamiento y bomba de impulsin.

    Fotografa 18.- Caudalmetro y vlvula de regulacin de caudal.

    Fotografa 19.- Canal de Prueba y control de mandos.

    Fotografa 20.- Acabado o terminado del vertedero tipo laberinto

    LISTA DE FIGURAS

    Figura 01.- Esfuerzo Cortante

    Figura 02.- Fluidos gas y liquido

    Figura 03.- Fluidos Newtoneanos y no Newtoneanos

    Figura 04.- Fluidos Ideal

    Figura 05.- Fluidos Viscoso

    Figura 06.- Fluidos Real

    Figura 07.- Fluido altamente viscoso

    Figura 08.- Tensin Superficial

    Figura 09.- Ley de conservacin de masa

    Figura 10.- Ley de conservacin de momentum

    Figura 11.- Flujo Cerrados y Abiertos

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    Figura 12.- Flujo Laminar Tuberas

    Figura 13.- Flujo Laminar Canales

    Figura 14.- Flujo Turbulento Tuberas

    Figura 15.- Flujo Turbulento Canales

    Figura 16.- Conducto Hidrulicamente Liso

    Figura 17.- Conducto Hidrulicamente Rugoso

    Figura 18.- Flujo crtico

    Figura 19.- Flujo Subcrtico

    Figura 20.- Flujo Subcrtico y Flujo Supercrtico ro arriba

    Figura 21.- Flujo Supercrtico

    Figura 22.- Flujo bidimensional

    Figura 23.- Flujo tridimensional

    Figura 24.- Vertedor de cada libre. (Visto en planta)

    Figura 25.- Cortinas vertedoras con cada rpida

    Figura 26.- Vertedores con descarga directa en canal

    Figura 27.- Presa Venustiano Carranza Coahuila

    Figura 28.- Vertedor de cimacio en donde se recomienda que la sumergencia no exceda del 30%

    sobre la carga del vertedor para considerar un coeficiente.

    Figura 29.- Vertida libre sobre el cimacio.

    Figura 30.- Coeficiente de gasto en Cimacios de Par amento aguas arriba vertical, vertiendo con

    la carga de diseo.

    Figura 31.- Coeficiente de gasto en Cimacios de par amento aguas arriba vertical, vertiendo con

    cargas diferentes a las de diseo.

    Figura 32.- corte por el eje de la estructura de servicio en una presa.

    Figura 33.- Ejemplo de vertedor con cada en rpida sobre una presa de gravedad. CNA, 1999.

    Figura 34.- Esquema donde se presentan las partes que constituyen al vertedor de Embudo

    Figura 35.- Funcionamiento del vertedor de embudo o bocina

    Figura 36.- Caractersticas de circulacin y descarga de un vertedero en embudo o bocina

    Figura 37.- Relacin entre el coeficiente de una cresta circular oC y s

    o

    R

    H para diferentes

    tirantes de llegada (lmina ventilada)

    Figura 38.- Vertedor en tnel

    Figura 39.- Esquema de vertedor en sifn con descarga libre.

    Figura 40.- Esquema de vertedor en sifn

    Figura 41.- Esquema de vertedor en sifn con salida de sumergencia.

    Figura 42.- Ejemplo de vertedor de sifn

    Figura 43.- Geometra del vertedero de abanico. (Planta del vertedero)

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    Figura 44.- Parmetros para el diseo de vertedero en abanico

    Figura 45.- baco propuesto por Magalhaes y Lorena (1989).

    Figura 46.- Curvas de proyecto para vertederos tipo laberinto triangulares.(Hay and Taylor,

    1970)

    Figura 47.- Grafico de correccin de caudal

    Figura 48.- Direccin del flujo en el canal

    Figura 49.- Longitudes del vertedero

    Figura 50.- Forma de la cresta y altura del vertedero

    Figura 51.- Angulo y pared del vertedero tipo laberinto

    Figura 52.- baco Propuesto

    Figura 53.- Interferencias de flujos

    LISTA DE GRAFICOS

    Grafico 1.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Un

    Ciclo Medicin 1

    Grafico 2.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Un

    Ciclo Medicin 2

    Grafico 3.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Un

    Ciclo Medicin 3

    Grafico 4.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Dos

    Ciclo Medicin 1

    Grafico 5.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Dos

    Ciclo Medicin 2

    Grafico 6.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Dos

    Ciclo Medicin 3

    Grafico 7.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Tres

    Ciclo Medicin 1

    Grafico 8.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Tres

    Ciclo Medicin 2

    Grafico 9.- Comparacin De Errores Y Formula Original Del Vertedero Tipo Laberinto De Tres

    Ciclo Medicin 3

    Grafico 10.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De

    Un Ciclo Medicin 1

    Grafico 11.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De

    Un Ciclo Medicin 2

    Grafico 12.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De

    Un Ciclo Medicin 3

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    Grafico 13.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De

    Dos Ciclo Medicin 1

    Grafico 14.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De

    Dos Ciclo Medicin 2

    Grafico 15.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De

    Dos Ciclo Medicin 3

    Grafico 16.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De

    Tres Ciclo Medicin 1

    Grafico 17.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De

    Tres Ciclo Medicin 2

    Grafico 18.- Comparacin De Errores Y Formula Corregida Del Vertedero Tipo Laberinto De

    Tres Ciclo Medicin 3

    Grafico 19.- Valuacin De Error Obtenidos En Los Resultados De Las Mediciones Del

    Vertedero Tipo Laberinto Formula Original De Tullis Amanian

    Grafico 20.- Valuacin De Error Obtenidos En Los Resultados De Las Mediciones Del

    Vertedero Tipo Laberinto Formula Corregida o Propuesto De Tullis Amanian

    Grafico 21.- Valuacin De Eficiencia Obtenidos Del Vertedero Tipo Laberinto Un Ciclo

    Grafico 22.- Valuacin De Eficiencia Obtenidos Del Vertedero Tipo Laberinto Dos Ciclos

    Grafico 23.- Valuacin De Eficiencia Obtenidos Del Vertedero Tipo Laberinto Tres Ciclos

    LISTA DE CUADROS

    Cuadro 01.- Mediciones de caudal lecturado y corregido con vertedero rectangular

    Cuadro 02.- Mediciones del tirante del vertedero rectangular

    Cuadro 03.- Mediciones del tirante del vertedero tipo laberinto un ciclo

    Cuadro 04.- Mediciones del tirante del vertedero tipo laberinto dos ciclo

    Cuadro 05.- Mediciones del tirante del vertedero tipo laberinto tres ciclo

    Cuadro 06.- Frmula original de Tullis, Amanian y w. Prueba un ciclo

    Cuadro 07.- Frmula original de Tullis, Amanian y w. Prueba dos ciclo

    Cuadro 08.- Frmula original de Tullis, Amanian y w. Prueba tres ciclo

    Cuadro 09.- Comparacin con frmula de kindsvater y carter

    Cuadro 10.- Comparacin un ciclo Formula Corregida de Tullis Amanian

    Cuadro 11.- Comparacin dos ciclo Formula Corregida de Tullis Amanian

    Cuadro 12.- Comparacin tres ciclo Formula Corregida de Tullis Amanian

    LISTA DE TABLAS

    Tabla 01.- Valores de los coeficientes para el clculo del Cd en funcin del ngulo . (Tullis,

    Amanian y Waldrom)

    Tabla 2.- valores de coeficientes para el clculo del Cd en funcin del ngulo, propuesto

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    CAPITULO I FORMULACIN DEL PROBLEMA

    1.1. INTRODUCCIN.

    Los vertederos o aliviaderos se pueden definir como simples

    paredes, por sobre el cual escurre un fluido. Son

    estructuras relativamente simples y de importancia

    prctica; se utilizan en diversas obras hidrulicas

    midiendo el caudal por un canal o controlando el caudal

    excedente de una estructura hidrulica.

    Dentro de un tipo de estos aliviadores, se encuentra el

    vertedero tipo laberinto.

    Un vertedero tipo laberinto se caracteriza por su geometra

    en planta, de forma trapezoidal o triangular dispuesta

    repetidamente lado a lado en forma de ciclos, presentando

    un mayor desenvolvimiento de su cresta en comparacin con

    un vertedor rectilneo de largo L, la cual pasa a ser

    una variable efectiva para aliviar los excesos de caudal no

    previstos, pues producen una disminucin de la carga sobre

    la cresta y una mejor y ms rpida descarga de las ondas de

    avenidas, es por ello que las ventajas de los vertederos

    tipo laberinto se adecuan muy bien a la realidad

    hidrolgica de nuestra regin Puno por las intensas

    lluvias, requiriendo su mayor estudio en la finalidad de

    conocer su comportamiento para la aplicacin en las

    estructuras hidrulicas en general.

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    1.1.1. PROPSITOS Y ALCANCES DE LA INVESTIGACIN

    PROPSITO 1.1.1.1.

    El presente trabajo tiene como propsito la

    investigacin experimental para conocer mejor el

    comportamiento del flujo sobre vertederos tipo

    laberinto, con geometra plana de forma

    triangular de 1, 2 y 3 ciclos.

    Con esta investigacin se determinar que

    frmula comnmente utilizada se ajusta mejor a

    mediciones de flujo en vertederos tipo laberinto,

    tambin se plantea una frmula que incorpora

    correcciones para el vertedero tipo laberinto

    desarrollado en la presente investigacin.

    ALCANCES DE LA INVESTIGACIN 1.1.1.2.

    En la investigacin se realiz ensayos

    experimentales llevados a cabo en el Laboratorio

    de Hidrulica de la Facultad de ingeniera y

    ciencias puras, Universidad Andina Nstor Cceres

    Velsquez ubicada en la ciudad de Juliaca.

    En el laboratorio se ha hecho uso de canal

    de pendiente variable con que cuentan dicho

    laboratorio, (fotografa 1).

    La investigacin se realiz en un vertedero

    tipo laberinto sin contracciones de pared delgada

    con una altura de umbral de 0.20 m y para un

    rango de caudal comprendido entre 5 L/s a 30 L/s,

    el cual fue construido de acero de espesor 3 mm,

    para la presente tesis.

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    Pgina 10

    1.1.2. ANTECEDENTES

    La funcin principal de las obras de

    excedencias es la de permitir el desalojo de los

    volmenes excedentes de agua en el vaso de

    almacenamiento esto establece de manera prctica

    de que previamente se halla satisfecho la

    capacidad de almacenamiento o sea, que el

    embalse se encuentre lleno hasta su nivel de

    conservacin o mximo de operacin antes de que

    se inicien los desfogues por estas importantes

    estructuras.

    La importancia en la planeacin, diseo y

    construccin de los Vertedores de Demasas radica

    en que esta estructura es considerada como una

    verdadera vlvula de seguridad ya que, permite

    de una forma controlada y calculada la derivacin

    o evacuacin de los volmenes excedentes sin

    peligro.

    En el caso de almacenamiento el

    propsito es evitar desfogues que pudieran

    ocasionar problemas originando que el nivel de

    agua sobrepase la corona y derrame sobre ella,

    pudiendo ocasionar la falla es por ello que las

    obras de excedencias deber ser estructuralmente

    hidrulica adecuada y con las descargas

    localizadas de manera que no erosionen el pie de

    la cortina u otras estructuras existentes aguas

    abajo, es por ello que los materiales que formen

    los revestimientos de la estructura deben ser

    resistentes a la erosin y tener un acabado liso

    con el fin de que sean capaces de resistir las

    altas velocidades que frecuentemente se presentan

    en ellas.

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    Pgina 11

    Las Obras de Excedencias son un

    aprovechamiento superficial de la estructura que

    permiten descargar los volmenes de agua que

    exceden a la capacidad til de control en un

    almacenamiento, para ser conducidos fuera del

    vaso y llevados aguas abajo nuevamente al ro,

    evitando el dao a otras estructuras y con un

    mximo de seguridad.

    Las Obras de Excedencias se utilizan para

    descargar la llamada Avenida de Diseo o Mxima

    Probable, cuyas caractersticas se obtienen de

    los estudios hidrolgicos en el Ro y en el

    trnsito de Avenidas a travs del Vaso

    Almacenador. Estas se proyectan en un amplio

    margen de seguridad, que puede ocurrir en 1000

    aos.

    Como se sabe, las Obras de Excedencias son

    uno de los elementos indispensables. En cada

    proyecto de una Estructura Hidrulica hay que

    hacer estudios comparativos para saber qu tipo

    de Vertedor es ms conveniente.

    El presente trabajo tiene como propsito

    principal el aportar una idea ms clara posible

    sobre el anlisis del vertederos tipo laberinto,

    ya que aqu, presentamos un procedimiento lgico

    para este tipos de vertedores desde el punto de

    vista Hidrulico.

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    Pgina 12

    Fotografa 1.- Canal de pendiente variable de la UANCV.

    1.2. OBJETIVOS

    Los objetivos planteados en la presente investigacin se

    han dividido en Objetivos Generales y Objetivos

    Especficos.

    1.2.1. OBJETIVOS GENERALES

    Demostrar que el uso de vertedero tipo

    laberinto es adecuado para la solucin al

    problema de mximas descargas y dar a conocer

    el comportamiento de los vertederos tipo

    laberinto bajo amplios rangos de caudal,

    realizado en el laboratorio de hidrulica de la

    Facultad de ingeniera y ciencias puras,

    Universidad Andina Nstor Cceres Velsquez.

    1.2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS

    Si las frmulas comnmente encontradas para

    vertedero tipo laberinto se aproximan a los

    ensayos realizados en el presente trabajo de

    investigacin.

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    Pgina 13

    Mostrar las metodologas a considerar en el

    diseo de vertederos tipo laberinto y

    establecer si los coeficientes de gasto

    influyen significativamente en diferentes

    condiciones de ciclos en vertederos tipo

    laberinto.

    1.3. DETERMINACIN DE VARIABLES.

    1.3.1. VARIABLE INDEPENDIENTE

    X=La altura de carga del vertedero.

    Definicin.- H que representa la altura de carga

    del vertedero, dando lectura al hidrmetro para

    determinar H en varios ensayos realizados.

    1.3.2. VARIABLE DEPENDIENTE

    Y= El caudal.

    Definicin.- se obtiene el caudal mediante el

    caudalimetro. Los ensayos experimentales llevados a

    cabo en el Laboratorio de Hidrulica.

    1.4. METODOLOGA DEL ESTUDIO

    1.4.1. Tipo De Trabajo De Investigacin Cientfica

    La metodologa de la investigacin ser

    experimental porque con los datos del ensayo se

    determinara los coeficientes de descarga para el

    vertedero tipo laberinto, dando los criterios a

    los factores que se ajusten a la frmula

    original.

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    Pgina 14

    CAPITULO II MARCO TERICO Y CONCEPTUAL

    2.

    2.1. CONCEPTO DE FLUIDO

    Segn la Real Academia de lengua espaola, indica que se

    dice a los cuerpos cuyas molculas tiene entre si poca

    adherencia y toma la forma del recipiente que los contiene

    y divide los fluidos en lquidos y gases.

    Otro concepto establece que un fluido es una sustancia que

    se deforma continuamente, cuando se somete a un esfuerzo

    cortante.

    Figura 01.- Esfuerzo Cortante

    El esfuerzo cortante es igual a la fuerza tangente, la

    superficie dividida por el rea de la superficie.

    A

    F

    Los experimentos muestran que la fuerza es directamente

    proporcional al rea (A) y a la Velocidad (V), e

    inversamente proporcional al Espesor (H).

    H

    AVF

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    Pgina 15

    Donde =es un factor de proporcionalidad y se le denomina

    viscosidad del fluido.

    La expresin anterior tambin puede ser escrita:

    H

    V

    A

    F

    O con una expresin en diferenciales

    dy

    du 1

    Donde du = es la razn de cambio de la velocidad respecto dy el espesor , se le conoce como gradiente de

    velocidad

    A la ecuacin 1 se le conoce como la ley de viscosidad de

    Newton.

    2.1.1. CLASIFICACIN DE FLUIDOS

    Existen varias clasificaciones las cuales son:

    GAS Y LQUIDO 2.1.1.1.

    Los lquidos y los gases son diferentes

    entre s, pero juntos conforman lo que se conoce

    como fluidos, denominados as por su capacidad de

    fluir o escurrir.

    Figura 2.- Fluidos gas y liquido

    Un fluido es parte de un estado de la

    materia la cual no tiene un volumen definido,

    sino que adopta la forma del recipiente que lo

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    Pgina 16

    contiene a diferencia de los slidos, los cuales

    tienen forma y volumen definido. Los fluidos

    tienen la capacidad de fluir, es decir, puede ser

    trasvasada de un recipiente a otro. Dentro de la

    clasificacin de fluidos, los lquidos y gases

    presentan propiedades diferentes. Ambos tipos de

    fluidos, tienen la propiedad de no tener forma

    propia y que estos fluyen al aplicarles fuerzas

    externas. La diferencia est en la llamada

    compresibilidad. Para el caso de los gases estos

    pueden ser comprimidos reduciendo su volumen. Por

    lo tanto:

    Los gases son compresibles,

    Los lquidos son prcticamente incompresibles.

    Otra caracterstica entre los slidos y los

    fluidos es que los primeros se resisten a cambiar

    de forma ante la accin de los agentes externos,

    en cambio los fluidos prcticamente no se

    resisten a dichos agentes.

    FLUIDOS NEWTONEANO Y NO NEWTONEANO 2.1.1.2.

    En los fluidos Newtoneanos, hay una relacin

    lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante

    aplicada y la rapidez de deformacin.

    En los fluidos no Newtoneanos hay una

    relacin NO LINEAL entre la magnitud del esfuerzo

    cortante y la rapidez de deformacin dy

    du

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    Pgina 17

    Figura 3.- Fluidos Newtoneanos y no Newtoneanos

    FLUIDOS IDEAL, VISCOSO Y REAL 2.1.1.3.

    Esta clasificacin se ha establecido para el

    desarrollo de las frmulas de los fluidos.

    a.- FLUIDO IDEAL

    Es un fluido suponiendo que no tiene

    viscosidad y es incompresible o no se

    deforma, por lo que solo existen fuerzas por

    presin y gravedad. Euler fue el que planteo

    este modelo.

    Figura 4.- Fluidos Ideal

    b.- FLUIDO VISCOSO

    Es un fluido suponiendo que es viscoso,

    pero es indeformable. Por lo que al modelo

    anterior hay que adicionarle la fuerza

    cortante, por viscosidad, de esta forma se

    desarrolla la ecuacin de la energa o

    dxx

    PAPA

    PAdx

    mgw

    Dnde:

    P=Presin

    A=rea

    m=Masa

    g=Gravedad

    w=Peso

    Relacin de cambio de

    la presin respecto a la

    distancia

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    Pgina 18

    Bernoulli, incluido la perdida de carga por

    friccin.

    Figura 5.- Fluidos Viscoso

    c.- FLUIDO REAL

    Es un fluido que tiene viscosidad y es

    deformable, por lo que se debe adicionar

    fuerzas debidas a la deformacin. Este

    modelo fue planteado por los cientficos

    Navier Stokes.

    Figura 6.- Fluidos Real

    2.1.2. PROPIEDADES FSICAS

    VISCOSIDAD 2.1.2.1.

    Se entiende por viscosidad de un fluido la

    resistencia al fluido y a la deformacin angular,

    dxx

    PAPA

    PA dx

    mgw

    Ddx Dnde:

    =Esfuerzo cortante

    D=Dimetro

    dx=Longitud del

    Elemento

    PA

    dx

    PA

    xPA

    gdx

    x

    AAdxw

    2

    dxx

    Adx

    x

    PP

    )

    2(

    Ddx

    Dnde:

    =Densidad

    Relacin de cambio de

    la presin y del rea

    respecto a la distancia

    Fuerza

    originada por el cambio del

    rea respecto a la distancia

    dx

    A

    dxx

    A

    dxx

    A

    A

    P

    dxx

    P

    2

    dx

    x

    PP

    dxx

    Adx

    x

    PP

    )

    2(

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    Pgina 19

    el cual establece un esfuerzo cortante y una

    deformacin angular.

    Su manifestacin exterior son reacciones

    tangenciales o puestas a la deformacin entre los

    elementos fluidos continuos.

    Fluido altamente viscoso

    Figura 7.- Fluido altamente viscoso

    A

    F

    AF .

    h

    V

    dy

    du Ley de Viscosidad de Newton.

    h

    AvF = viscosidad dinmica

    Viscosidad Dinmica

    Unidad en Expresiones de L. M. T.

    12

    2

    ..

    .

    SL

    L

    L

    SLM

    =11.. SLM

    En Expresiones F. M. T.

    SL

    L

    L

    F

    /.

    2 = SLF .. 2

    En El sistema C. G. S. se le denomina poise, en

    nombre del investigador Francs POISEUILLE (1799-

    1869).

    Dnde:

    A=rea

    F=Fuerza cortante

    V=velocidad a altura h

    u=velocidad a altura y

    =Esfuerzo cortante

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    Pgina 20

    En lquidos la viscosidad es inversamente

    proporcional a la temperatura.

    En los gases la viscosidad es directamente

    proporcional a la temperatura.

    Si dividimos a la viscosidad dinmica entre la

    densidad obtenemos la viscosidad cinemtica.

    =

    3

    11

    ML

    SML= SmSL /212

    ELASTICIDAD 2.1.2.2.

    La elasticidad es la propiedad segn el cual

    un cuerpo reacciona contra la accin deformante

    producir por una fuerza exterior, de tal modo

    que cesada la causa, se restablece la situacin

    primitiva.

    Esta propiedad establece una relacin entre

    las fuerzas de presin las dimensiones del

    elemento considerado, que podemos caracterizar

    por el volumen o por la densidad.

    La deformacin en su forma ms general ser

    la que tenga en cuenta el estado trmico del

    sistema, con intervencin de la temperatura (T).

    ),( TP

    ),,( TPf = Ecuacin de estado.

    En los fluidos, la deformacin es

    esencialmente volumtrica y se le define como

    modulo elasticidad volumtrica a la compresin.

    lativanDeformaci

    itarioEsfuerzoUnModulo

    Re

    K = E =

    V

    V

    P

    =

    d

    dP

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    Pgina 21

    (Reciproco) La inversa de K= E

    1 se le denomina

    coeficiente de compresibilidad.

    En los lquidos poco compresibles, estos

    coeficientes se conservan constantes dentro del

    intervalo de utilizacin prctica.

    En los gases perfectos calores especficos

    constantes (Volumen, Presin) la expresin

    analtica de la ecuacin de estado toma la forma:

    RTPV

    Si consideramos una unidad de masa. VV

    m 1

    RTP

    V

    1 (Proceso Isotrmico)

    Si la temperatura es constante, permite escribir

    la ecuacin de estado.

    2211 VPVP = cte.

    P cte.

    Cuando la evolucin de los gases tiene lugar

    de tal manera que los intercambios de calor con

    el exterior son imposibles. (Adiabtica), la

    condicin de estado se transforma en:

    ctePV k cteP

    K =

    V

    P

    C

    C se toma usualmente K= 1.4 para gases

    diatnicos.

    De la ecuacin de estado:

    0),,( TPf

    A presiones muy bajas y temperaturas

    normales, el lquido se evapora y estas molculas

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    Pgina 22

    ejercen una presin al espacio que los contiene,

    a lo que se le llama Presin de Vapor.

    Si el espacio arriba del lquido es

    limitado, despus de un tiempo las molculas se

    conservan y se forma un equilibrio entre las que

    se vaporizan y las que se conservan.

    Cuando en un lquido, se llega a la presin

    de vapor ocurre una ebullicin.

    TENSIN SUPERFICIAL )( 2.1.2.3.

    Es el resultado de las fuerzas cohesivas

    entre las molculas de lquidos. Aparece como una

    membrana tensa cuando una superficie liquida est

    en contacto con otro fluido.

    Se expresa como la fuerza en la superficie

    del lquido normal a una longitud unitaria

    tratada en la superficie.

    Unidades.

    m

    Nt = 0.074 N/m a 20c

    = 0.059 N/m a 100c

    Su aplicacin se da en una gota de fluido:

    La presin interna para balancear la fuerza

    de tensin es:

    F=P r = 2 r

    r

    2P

    Su aplicacin se da tambin a la

    capilaridad.

    La capilaridad se debe tanto a las fuerzas

    cohesivas entre molculas del lquido como a las

    fuerzas adhesivas de las molculas de lquido.

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    Cuando las fuerzas adhesivas son mayores que

    las fuerzas cohesivas el agua moja de lo

    contrario no.

    Figura 8.- Tensin Superficial

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    Pgina 24

    2.1.3. LEYES QUE RIGEN EL MOVIMIENTO DE UN FLUIDO

    Ley de conservacin de masa.

    Establece que el cambio msico en un volumen

    de control en una unidad de tiempo debe ser igual

    que el flujo msico que sale de dicho volumen de

    control.

    m

    m

    --- x ---

    smV

    2mA

    s

    m

    t

    3

    Figura 9.- Ley de conservacin de masa

    scvc ddtd

    V dA

    scvc ddtd

    n

    V 0dA

    De esta ley se origina la Ecuacin de

    Continuidad

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    Pgina 25

    Ley de Conservacin de Momentum o cantidad de

    movimiento

    Establece que el cambio de momentum en un

    volumen de control en razn del tiempo, debe ser

    igual a la sumatoria de fuerzas superficiales y

    volumtricas que actan en dicho volumen de

    control.

    Momentum = m

    dt

    vdm FFs

    Figura 10.- Ley de conservacin de momentum

    dt

    vdm

    scvcdV

    dt

    d V

    V 0dA

    De esta ley se origina la Ecuacin de

    Momentum y Energa

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    Pgina 26

    2.2. CONCEPTO DE FLUJOS

    Es un movimiento de los fluidos, por una conduccin que va

    inevitablemente acompaado de una paulatina cesin de

    energa mecnica, debido al trabajo opositor de las fuerzas

    viscosas. Dicha reduccin de energa mecnica suele

    expresarse en trminos de energa especfica

    2.2.1. TIPOS DE FLUJO

    Los tipos de flujos se pueden clasificar de

    distintas maneras.

    2.2.2. FLUJOS EN CONDUCTOS CERRADOS Y ABIERTOS

    Est clasificacin divide el flujo en

    tubera y flujo en canales o alcantarillados.

    Figura 11.- Flujo Cerrados y Abiertos

    2.2.3. FLUJO LAMINAR Y FLUJO TURBULENTO

    FLUJO LAMINAR 2.2.3.1.

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    Pgina 27

    Las partculas del fluido se mueven a lo

    largo de trayectoria suaves en lminas o capas,

    deslizndose suavemente una capa sobre la otra.

    Para que sea flujo laminar la velocidad debe ser

    muy pequea, por lo que este tipo de flujo se

    encuentra muy poco, se encuentra tambin en un

    flujo subterrneo.

    Tambin se produce un flujo Laminar cuando

    las fuerzas viscosas son ms fuertes que las

    fuerzas inerciales.

    Figura 12.- Flujo Laminar Tuberas

    Figura 13.- Flujo Laminar Canales

    Distribucin de Velocidades para una Tubera

    con flujo laminar

    Velocidad en cualquier punto

    44

    2hDh

    v

    gSVh

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    Pgina 28

    Velocidad mxima 16max

    2D

    v

    gSV

    Velocidad media 32

    2D

    v

    gSVmed

    Dnde:

    g= gravedad

    v= Viscosidad cinemtica

    D= Dimetro interior del tubo

    S= Pendiente de la lnea piezometrica

    h= Distancia a la que se desea conocer la

    velocidad.

    Distribucin de Velocidades para una Canal

    Ancho con flujo laminar

    Velocidad en cualquier punto

    2

    2hYh

    v

    gSVh

    Velocidad mxima 2max

    2Y

    v

    gSV

    Velocidad media

    2

    3Y

    v

    gSVmed

    Dnde:

    g= gravedad

    v= Viscosidad cinemtica

    Y= Tirante del canal Ancho

    S= Pendiente del fondo del canal

    h= Altura a la que se desea saber la

    velocidad.

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    Pgina 29

    FLUJO TURBULENTO 2.2.3.2.

    Es cuando las partculas del fluido se

    mueven en forma eloitica. Las fuerzas de inercia

    son ms fuertes que las fuerzas viscosas.

    Figura 14.- Flujo Turbulento Tuberas

    Figura 15.- Flujo Turbulento Canales

    El fluido adopte uno u otro rgimen depende de 4

    factores:

    1.- De la velocidad media de circulacin

    2.- Del dimetro inferior de la tubera o radio

    hidrulico de la seccin (canales)

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    Pgina 30

    3.- De la viscosidad del lquido (viscosidad

    cinemtica)

    4.- De la rugosidad de las paredes del tubo o del

    canal.

    Para determinar en qu rgimen se encuentra se

    utiliza el nmero de Reynolds.

    Tuberas Canales

    v

    DV .Re

    v

    RV .Re

    Dnde:

    Re= N de Reynolds (adimensional)

    V= Velocidad media de circulacin

    D= Dimetro interior de la tubera

    v= Viscosidad cinemtica a la Temperatura

    de Servicio.

    R= Radio HidrulicoPmojado

    A

    Tuberas Canales

    Re < 2000 flujo laminar Re < 600 flujo laminar

    2000 < Re < 7500 Transicin 600 < Re < 600 Transicin

    Re > 7500 flujo Turbulento Re > 2000 flujo Turbulento

    Distribucin de Velocidades en flujo

    Turbulentos

    Para determinar las ecuaciones, habr que

    recurrir a informacin experimental y a otros

    conceptos.

    Conductos Hidrulicamente lisos e Hidrulicamente

    Rugosos

    Se dice que un conducto es Hidrulicamente liso

    cuando:

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    Pgina 31

    4.0K 5.

    v

    KV

    Se dice que un conducto es Hidrulicamente Rugoso

    cuando:

    6K 70.

    v

    KV

    Se dice que un conducto esta en Transicin

    cuando:

    70.

    5 v

    KV

    Dnde:

    Espesor de subcapa laminar 6.11.

    v

    V

    K= Rugosidad Absoluta, est en funcin al tipo

    de material

    v= Viscosidad cinemtica a temperatura de trabajo

    V= Velocidad de corte SYgo ..

    Figura 16.- Conducto Hidrulicamente Liso

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    Pgina 32

    Figura 17.- Conducto Hidrulicamente Rugoso

    Distribucin de Velocidades en flujo

    Turbulentos Hidrulicamente liso

    hLn

    K

    VV xh

    104 Para Tuberas y canales

    Velocidad Media 2/32

    104

    e

    DLn

    K

    VVmed x

    Tuberas

    Velocidad Media

    DLn

    K

    VVmed x

    3.38

    Canales

    x= Constante de Karman = 0.4

    Distribucin de Velocidades en flujo

    Turbulentos Hidrulicamente Rugosos

    K

    hLn

    x

    VV xh

    30 Para Tuberas y canales

    Velocidad Media K

    DLn

    x

    VVmed x

    4.13

    Tuberas 4

    DR

    Velocidad Media K

    DLn

    x

    VVmed x

    11 Canales YR

    x= 0.4

    Para usos Prcticos se utilizan las siguientes

    Frmulas

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    Pgina 33

    Velocidad Media para canales y tuberas en

    conductos Hidrulicamente lisos.

    RLn

    x

    VV x

    42_

    Velocidad Media para canales y tuberas en

    conductos Hidrulicamente Rugosos

    RLn

    x

    VV x

    12_

    x= 0.4

    Un caso ms general para ambos tipos

    72

    6_

    K

    RLn

    x

    VV x

    x= 0.4

    2.2.4. FLUJO CRTICO

    El estado crtico es a travs de una seccin de

    canal se caracteriza por varias condiciones

    importantes. En resumen estas son:

    1) La energa especfica es mnima para un

    caudal determinado

    2) El caudal es mximo para una determinada

    energa especfica

    3) La fuerza especfica es mnima para un

    caudal determinado

    4) La altura de velocidad es igual a la mitad

    de la profundidad hidrulica en un canal de

    baja pendiente

    5) El nmero de Froude es igual a la unidad

    6) La velocidad de flujo en un canal de baja

    pendiente con distribucin uniforme de

    velocidades es igual a la celeridad de

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    Pgina 34

    pequeas ondas gravitacionales en aguas poco

    profundas causadas por perturbaciones

    locales.

    Los anlisis sobre el estado crtico de

    flujo se han referido principalmente a una

    seccin particular de canal, conocida como

    seccin crtica. Si el estado crtico del flujo

    existe a travs de toda la longitud del canal o a

    lo largo de un tramo de este, el flujo en el

    canal es un flujo crtico.

    Figura 18.- Flujo crtico

    2.2.5. FLUJO SUBCRTICO

    Para flujo subcrtico las lneas de energa

    representan la energa especfica y=v2/2g la

    altura de velocidad no puede medirse con

    facilidad debido a la condicin turbulenta de

    flujo; luego las lneas de energa simplemente se

    extienden. La interseccin vertical entre las

    lneas extendidas aguas arriba y aguas abajo.

    El flujo sub critico o tranquilo al nmero

    de Froude tiene una funcin muy importante en las

    caractersticas de los canales (figura 18).

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    Pgina 35

    Figura 19.- Flujo Subcrtico

    Figura 20.- Flujo Subcrtico y Flujo Supercrtico ro arriba

    2.2.6. FLUJO SUPERCRTICO

    El estado sper crtico es a travs de una

    seccin de canal se caracteriza por varias

    condiciones segn figura 20. En resumen estas

    son:

    1) La energa especfica es mayor para un

    caudal determinado

    2) Predominan las fuerzas inerciales para un

    caudal determinado

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    Pgina 36

    3) La altura de velocidad es mayor a la

    profundidad hidrulica en un canal de baja

    pendiente.

    4) El nmero de Froude es mayor a la unidad

    5) En caso de existir una depresin, el efecto

    es el contrario, disminuye el nivel para

    flujos supercrticos y aumenta para

    subcrticos.

    Figura 21.- Flujo Supercrtico

    2.2.7. FLUJO A RGIMEN PERMANENTE Y NO PERMANENTE

    Un flujo a rgimen permanente ocurre cuando

    las condiciones en cualquier punto de un fluido

    no cambian con el tiempo.

    Eso es:

    0

    t

    V; 0

    t

    ; 0

    t

    P; 0

    t

    T

    Un flujo a rgimen no permanente es cuando

    las condiciones en cualquier tiempo cambian con

    el tiempo.

    0

    t

    V; 0

    t

    P etc.

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    Pgina 37

    2.2.8. FLUJO UNIFORME Y FLUJO NO UNIFORME

    El flujo uniforme ocurre cuando la velocidad

    es idnticamente el mismo para cualquier seccin

    transversal, cuando el conducto es prismtico.

    0

    x

    V ; 0

    x

    A

    0

    x

    V ; 0

    x

    A

    Pueden existir combinaciones de flujo de los

    casos anteriores.

    Ejemplo:

    Flujo uniforme a rgimen permanente

    Flujo uniforme a rgimen no permanente

    Flujo a rgimen permanente no uniforme

    Flujo a rgimen no permanente no uniforme

    2.2.9. FLUJO ROTACIONAL Y FLUJO IRROTACIONAL

    Si las partculas del flujo dentro de una

    regin tienen rotacin en torno a cualquier eje

    se llama flujo rotacional o flujo de vrtice.

    Si el flujo dentro de una regin no tiene

    rotacin, se llama flujo irrotacional.

    2.2.10. FLUJO UNIDIMENCIONAL, FLUJO BIDIMENSIONAL, FLUJO

    TRIDIMENSIONAL

    FLUJO UNIDIMENCIONAL 2.2.10.1.

    Establece las condiciones en una

    seccin transversal se expresan en termino

    de valores promedios de sus propiedades.

    (Velocidad, Densidad, Presin, etc)

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    Pgina 38

    La mayora de problemas se analizan

    como flujo unidimensional por su sencillez.

    (Diseo de tuberas y canales)

    FLUJO BIDIMENSIONAL 2.2.10.2.

    Se supone que todas las partculas

    fluyen en planos paralelos, se utilizan

    redes de flujo.

    Su aplicacin puede ser para ver cmo

    se distribuyen las partculas y velocidades

    a travs de un pilar por ejemplo figura 22.

    Figura 22.- Flujo bidimensional

    (Fuente: HIDROMECANICA, E. Becerril)

    FLUJO TRIDIMENSIONAL 2.2.10.3.

    Es el flujo ms general, en el cual la

    velocidad tiene componentes q, r, w en

    direcciones perpendiculares y son en funcin

    de (x, y, z, t)

    Para flujos bidimensionales y

    tridimensionales, los mtodos de anlisis

    son en general matemticamente complejos. Su

    desarrollo se lleva en el curso de fluidos

    III.

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    Pgina 39

    Figura 23.- Flujo tridimensional

    (Fuente: INTRODUCCION A LA HIDRAULICA FLUVIAL, Arturo Rocha Felices)

    2.3. CLASIFICACIN DE VERTEDORES DE DEMASAS

    Los vertedores de demasas son de diferentes maneras segn

    su descarga, tambin segn su estructura de evacuacin y a

    la vez segn su forma de descarga.

    2.3.1. VERTEDORES DE CADA LIBRE

    Los vertedores de cada libre estn

    asociados a cortinas de arco, o de contrafuertes,

    donde el espesor del concreto e la geometra

    general no sean favorable para guiar la vena

    liquida desde la cresta hasta la parte inferior;

    si la roca cimentacin es resistente a la

    erosin, el agua se puede dejar caer libremente

    sin proteccin; pero en caso contrario se debe

    prever alguna estructura para disipar la energa

    cintica del agua y amortiguar el impacto.

    Los vertedores de cada libre son los que se

    localizan en la parte superior de un embalse, que

    tienen un desarrollo muy corto y que no existe

    una estructura que gui el agua del embalse al

    cauce, ya que se deja caer desde la cresta del

    vertedor hasta el cauce del mismo. Por lo que

    respecta a su desarrollo, quedan incluidos los de

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    Pgina 40

    pared delgada, aquellos en que hay un pequeo

    desarrollo de cimacio y aquellos otros en los que

    despus del pequeo cimacio se remata la

    estructura con una cubeta de lanzamiento. Pueden

    ser de cresta recta o curva y puede haber o no

    compuertas de control.

    Este tipo de vertedores es recomendable para

    las presas de arco, para las de seccin gravedad

    vertedoras y para los de contrafuertes.

    Fotografa 2. Tipo de vertedor de cada libre.

    Figura 24. Vertedor de cada libre. (Visto en planta)

    (Fuente: DISO DE PRESAS PEQUEAS, B. of Reclamation, Floyd E. Dominy)

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    Pgina 41

    2.3.2. CORTINAS VERTEDORAS CON CADA RPIDA

    Este tipo de vertedero se localiza en una

    seccin reducida de una cortina de tipo gravedad,

    sobre la cual se permite el paso de flujo de

    agua.

    La cresta se forma para ajustarse a la vena

    liquida, en las condiciones de gasto mximo. Si

    la roca de cimentacin es compacta y de buena

    calidad, la parte inferior de la descarga se

    puede disear como un deflector o salto de aqu;

    si la cimentacin es erosionable se requerir la

    construccin de un tanque disipador de energa.

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    Pgina 42

    Figura 25.- Cortinas vertedoras con cada rpida

    (Fuente: OBRAS HIDRAULICAS, F. Torres Herrera)

    2.3.3. VERTEDORES CON TIRO VERTICAL

    Los vertederos con descarga en tiro vertical

    tienen una entrada en embudo que conecta a un

    tnel, en cuyo extremo inferior puede existir un

    deflector o una estructura disipadora de energa.

    Esta forma de vertedero se adapta a presas

    con vaso de almacenamiento muy encaonado, gastos

    relativamente pequeos y en que el agua que fluya

    a travs de ellos est libre de objetivos que

    puedan obstruirlos.

    En nuestra pas exista solamente un

    vertedor de este tipo, formando parte de la presa

    chihuahua construida para agua potable sobre el

    rio.

    Es similar al vertedores en embutido, ver

    (Figura 34. Esquema donde se presentan las partes

    que constituyen al vertedor de embudo.). (Fuente:

    OBRAS HIDRAULICAS, F. Torres Herrera)

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    Pgina 43

    2.3.4. VERTEDORES CON DESCARGA DIRECTA EN CANAL

    Los vertederos con descarga directa en canal

    generalmente estn asociados con cortinas de

    enrocamiento, tierra y enrocamiento o cortinas de

    concreto, cuando por alguna causa no conviene que

    sean vertedoras.

    Se considera buena prctica de ingeniera no

    localizar este tipo de vertedores sobre cortina

    de tierra o tierra y enrocamiento, debido a que

    estas estructuras estn sometidas a algn grado

    de asentamiento despus de terminada la

    construccin. Tales asentamientos podran

    provocar movimientos verticales y agrietamientos

    en el canal de descarga del vertedor. El agua que

    fluye en dichas descargas puede adquirir

    velocidades del orden de 40.0 50.0 m/seg,

    dependiendo del desnivel, la pendiente y la

    rugosidad de las paredes. Con tales velocidades

    cualquier desalinea-miento de los planos del

    revestimiento, en ambos lados de la fractura,

    puede provocar muy altas presiones hidrostticas

    en la cara inferior de la losa y levantarla,

    trayendo como consecuencia el fracaso de la

    estructura y de la cortina misma.

    Esta es la razn por lo que,

    invariablemente, los vertedores con descarga en

    canal se localizan en las laderas o en otros

    sitios apropiados, pero siempre sobre terreno

    natural.

    El perfil de un vertedor con descarga en

    canal se ilustra en la figura 26. El acceso en "A

    " es relativamente ancho, de manera que tenga

    velocidades bajas que no provoquen erosiones y

    que representen pequeas prdidas de carga.

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    Pgina 44

    En el punto "B" se muestra una seccin de

    control, donde se induce un tirante crtico con

    el fin de asegurar que la descarga mxima se

    obtenga para cierta elevacin del agua en el

    embalse.

    En este punto se pueden construir

    estructuras reguladoras de gasto, en caso de que

    resulte conveniente.

    De "B" a "C" se puede tener una pendiente

    relativamente suave, pero mayor que la crtica,

    determinada por la topografa en el sitio de

    localizacin. De "C" a "D" se presentar una

    cada coa pendiente fuerte; ya en el lado de la

    descarga, con el objeto de llegar al nivel del

    fondo del rio o valle para eliminar los volmenes

    de agua vertidos D-E representan un tanque

    amortiguador donde se disipa la energa cintica

    adquirida por el agua. Posteriormente, en "F", el

    agua, ya en flujo subcrtico, regresar al cauce

    del ro.

    Como alternativa, y en caso de que se tenga

    roca de muy buena calidad, se puede suspender el

    revestimiento del canal de descarga en algn

    punto, entre "B" - "C" - "D", construyendo un

    deflector para garantizar que las erosiones no se

    presenten en las cercanas del revestimiento.

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    Pgina 45

    Figura 26. Vertedores con descarga directa en canal

    (Fuente: OBRAS HIDRAULICAS, F. Torres Herrera)

    2.3.5. VERTEDOR CON CANAL LATERAL

    Los Vertedores en Canales Laterales son

    aquellos en los que el Vertedor de Control la

    forma un cimacio cuya cresta es paralelamente al

    tramo inicial del conducto de descarga, as

    recibiendo el nombre de Capa Colector. El agua

    que se vierte sobre la cresta cae en una conducto

    angosto opuesto al de descarga principal.

    El proyecto del Canal Lateral est

    supeditando solamente a las condiciones

    hidrulicas que imperan en el tramo aguas arriba

    del canal de descarga y es, ms o menos,

    independiente de los detalles elegidos para los

    otros componentes del vertedor.

    Las descargas de los canales pueden

    conducirse directamente a un canal de descarga

    abierto, a un conducto cerrado o a un tnel

    inclinado. El agua puede entrar en el canal

    lateral en un solo de los lados del conducto en

    el caso de que este colocado en una ladera

    empinada, o por ambos lados o por el extremo si

    est ubicado en la cumbre de una loma o una

    ladera suave.

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    Pgina 46

    Las caractersticas de descarga de un

    vertedor lateral son semejantes a la de los

    Vertedores ordinarios, y dependen del perfil

    elegido para la cresta. Sin embargo, para las

    descargas mximas, el funcionamiento hidrulico

    del canal puede diferir del de los vertedores

    ordinarios en que su circulacin puede estar

    restringida en el conducto y porque su cresta

    puede quedar ahogada.

    ELEMENTOS DE VERTEDORES DE CANAL LATERAL.

    Los elementos que constituyen a un Vertedor

    de Canal Lateral son lo sig.:

    Canal de Acceso.

    Cresta del vertedor o Canal Lateral.

    Cubeta de Canal Lateral.

    Canal de Descarga.

    Dados Amortiguadores.

    Tanque Amortiguador.

    Fotografa 3. Partes que constituyen un vertedor en canal lateral

    (Fuente: OBRAS DE EXCEDENCIAS, Arreguin I. Felipe)

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    Pgina 47

    En este caso las caractersticas de

    funcionamiento se controlaran por una

    construccin en el canal de aguas abajo del

    conducto. La construccin puede ser un punto de

    escurrimiento crtico del canal o un orificio de

    control o un tnel trabajando lleno.

    Aunque en el Canal Lateral no es

    hidrulicamente eficiente debido a la gran

    turbulencia y a las vibraciones que se producen,

    tiene ventajas que lo puedan hacer adaptables a

    ciertos sistemas de Vertedores de demasas.

    Cuando se desea una cresta vertedora larga con el

    objetivo de limitar la carga hidrulica de la

    sobrecarga, las laderas son empinadas y

    acantiladas, o donde el control debe conectarse a

    un canal de descarga angosto o tnel el vertedor

    lateral es con frecuencia la mejor eleccin.

    Fotografa 4. Imagen donde se aprecia el proceso constructivo del canal lateral por parte de la

    CNA.

    (Fuente: OBRAS DE EXCEDENCIAS, Arreguin I. Felipe)

    Tambin se llaman vertedores de Canal

    Lateral, aquellos que tienen un tanque canal

    colector paralelo a la cresta vertedora, seguido

    de un canal conductor o rpido. Generalmente la

    cresta vertedora es recta, pero hay ocasiones, en

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    Pgina 48

    que se hace curva y otras en que el extremo aguas

    arriba de la cresta se contina en una curva

    pronunciada rodeando el mismo extremo del tanque

    canal.

    Por ltimo, una variante que tambin se ha

    construido, es con la cresta vertedora rodeando

    todo el tanque canal, excepto por donde se

    continua este con el canal conductor.

    El escurrimiento dentro del canal colector

    debe ser a rgimen lento. Para garantizar este

    rgimen, hay que proporcionar en el tramo final

    del canal colector una seccin de control

    Proyectando un estrechamiento en el mismo o

    un escaln vertical, normal al canal.

    Debido al vertido lateral se propicia en el

    escurrimiento un remolino con eje paralelo al del

    canal que incrementa los tirantes como este

    remolino originado en el canal colector se

    propaga a lo largo del conducto de descarga, para

    tomar en cuenta este efecto, debe incrementarse

    el coeficiente de rugosidad del conducto de

    descarga ahora bien, como este incremento de

    rugosidad es muy difcil de estimar, se

    recomienda considerar para el diseo un

    coeficiente correspondiente a una rugosidad 30 %

    mayor de la que se especifique en el acabado del

    conducto.

    A causa de las turbulencias y vibraciones

    inherentes en el canal colector, un vertedor de

    este tipo debe considerarse slo cuando exista

    una cimentacin competente, como roca. Los

    recubrimientos del canal colector deben anclarse

    a la roca.

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    Pgina 49

    Fotografa 5. Ejemplo tpico de un vertedor de canal lateral

    Figura 27. Presa Venustiano Carranza Coahuila

    Fotografa 6. Vista superior de un vertedor en canal lateral.

    (Fuente: OBRAS DE EXCEDENCIAS, Arreguin I. Felipe)

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    Pgina 50

    Este tipo de Vertedores Laterales se

    recomienda cuando la Topografa no permite la

    construccin de otro tipo de vertedores: por

    ejemplo, cuando la boquilla es cerrada con

    laderas muy inclinadas y la cresta vertedora es

    muy larga.

    El diseo de los canales de este tipo de

    Vertedores se basa mediante 2 mtodos, los cuales

    son: La Teora del Flujo Uniforme y la Teora del

    Flujo Espacialmente Variado.

    2.3.6. VERTEDORES DE CIMACIO.

    Se llaman vertedores de cimacio aquellos

    constituidos por una cresta de control curva que

    deben tener aproximadamente la forma de la

    superficie inferior de la lmina vertiente de

    un vertedor de cresta delgada ventilado. La

    superficie curva descrita continua en una rpida

    de alta pendiente tangente a ella y relativamente

    corta, que esta rematada con una superficie curva

    contrada a la de la cresta, la cual debe llegar

    tangente a la plantilla de un tanque

    amortiguador, a un canal de descarga que ya no es

    parte del vertedor sino un canal de conduccin, o

    un salto de esqu.

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    Pgina 51

    Fotografa 7. Ejemplo de vertedor en cimacio.

    Figura 28. Vertedor de cimacio en donde se recomienda que la sumergencia no exceda del 30%

    sobre la carga del vertedor para considerar un coeficiente.

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    Pgina 52

    Figura 29. Vertida libre sobre el cimacio.

    (Fuente: OBRAS DE EXCEDENCIAS, Arreguin I. Felipe)

    ECUACIONES PARA EL VERTEDOR DE CIMACIO.

    La capacidad de descarga de un cimacio, para

    la condicin de diseo o para cualquier otra

    condicin de operacin, es funcin de la longitud

    efectiva de la cresta vertedora, de la carga real

    con que opere, de la geometra del perfil y de

    las dimensiones y profundidad del canal de

    acceso.

    En el caso del vertido libre (Fig. 29) con o

    sin pilas intermedias, la ecuacin para el

    clculo de la capacidad de descarga es la general

    de vertedores:

    2

    3

    CLeHQ (1)

    Dnde:

    C = Coeficiente de gasto.

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    Pgina 53

    H = Carga total de operacin, incluyendo carga de

    velocidad de llegada, en m.

    Le = Longitud efectiva de cresta, en m.

    Q = Gasto en m3/s

    En el clculo de h se considera que ,2

    2

    g

    VhH od

    Donde )( d

    ohP

    qV

    es la velocidad de llegada y q

    gasto unitario en el canal de llegada.

    El coeficiente C de la (Ec. 1) depende

    principalmente de la carga H con que opera el

    vertedor en un momento dado, de la carga H d

    elegida para disear el perfil del cimacio de la

    profundidad del canal de acceso, del talud de la

    carga aguas arriba y del grado ahogamiento de la

    descarga. La interrelacin de C con todos estos

    elementos ha sido obtenida nicamente de manera

    experimental y es la que se presenta a

    continuacin:

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    Pgina 54

    Figura 30. Coeficiente de gasto en Cimacios de Par amento aguas arriba vertical, vertiendo con

    la carga de diseo.

    (Fuente: DISO DE PRESAS PEQUEAS, B. of Reclamation, Floyd E. Dominy)

    La (Figura 30) muestra la grfica principal

    que relaciona el valor de C, que en este caso

    adquiere el valor Co, con el dHP / (Profundidad

    del canal de acceso entre carga de diseo) para

    el caso en que la carga de operacin sea igual a

    la de diseo ( dHH / =1) y que el paramento aguas

    arriba del cimacio sea vertical. Aqu se observa

    que cuando P=0, Co = 1.705, que corresponde a un

    vertedor de cresta ancha y que cuando P crece, Co

    tambin, hasta un mximo de 2.181, a partir del

    cual se mantiene constante.

    Cuando la carga de operacin es distinta de

    la de diseo y se mantiene vertical la cara aguas

    arriba, el coeficiente de descarga vara con la

    relacin dHH / , como lo muestra la (Figura 31) en

    la que Co es el coeficiente obtenido de la

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    (Figura 30). Es interesante observar que el

    Coeficiente C es mayor que Co cuando la carga de

    operacin es mayor que la de diseo. Esto implica

    que es conveniente elegir una carga de diseo que

    sea menor que la mxima con que opere el cimacio,

    a fin de lograr mejores condiciones de operacin

    cuando la ltima se presente.

    Figura 31. Coeficiente de gasto en Cimacios de par amento aguas arriba vertical, vertiendo con

    cargas diferentes a las de diseo.

    (Fuente: DISO DE PRESAS PEQUEAS, B. of Reclamation, Floyd E. Dominy)

    2.3.7. VERTEDORES EN RAPIDA.

    Se designa con este nombre a aquellas

    estructuras que estn constituidas de un cimacio

    recto normal a un canal que le sigue y colocados

    en la parte superior de un embalse. Se ponen con

    frecuencia por encima de alguno de los

    empotramientos de la cortina o en algn puerto.

    Para reducir las excavaciones, el tramo

    inicial del canal se escoge con poca pendiente

    hasta casi interceptar el perfil del terreno. A

    partir de ese punto el perfil se escoge

    aproximadamente como el perfil del terreno

    natural. Debe tenerse la precaucin de revisar la

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    posibilidad de ocurrencia de problemas de

    cavitacin en el canal.

    Cuando, por razones topogrficas, el eje del

    canal de entrada o el de conduccin deban

    curvarse, esta curvatura se dar de preferencia

    al canal de entrada.

    Para un buen funcionamiento hidrulico,

    deben evitarse cambios bruscos de la plantilla en

    el sentido vertical y en el ancho del canal. Si

    se requiere un cambio en su ancho, este debe ser

    gradual.

    Figura 32.- corte por el eje de la estructura de servicio en una presa.

    Figura 33. Ejemplo de vertedor con cada en rpida sobre una presa de gravedad. CNA, 1999.

    (Fuente: INTRODUCCIN DEL DISEO DE OBRAS DE EXCEDENCIAS; Sanchez, Bribiesca

    Jos Luis)

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    2.3.8. VERTEDORES EN EMBUDO O BOCINA

    Un vertedor de Embudo es uno en el que el

    agua entra sobre el bordo en posicin horizontal,

    cae un tiro vertical e inclinado y luego corre al

    cauce del ro aguas abajo por un entubamiento

    horizontal. Cuando la entrada tiene forma de

    embudo, este tipo se le llama Vertedor de demasa

    de bocina.

    Las caractersticas de descarga de estos

    vertedores de demasas pueden cambiar al variar

    la carga hidrulica. El control tambin vara de

    acuerdo con las capacidades relativas de descarga

    del vertedor, de la transicin, luego al tramo

    del tubo lleno en la porcin de aguas abajo. No

    se recomienda proyectar los vertedores para

    trabajar como tubo lleno excepto las cadas de

    muy poca de altura.

    La estructura de control est formada por un

    cimacio de perfil especial cuya cresta en planta

    es circular el agua pasa a travs de la cresta y

    cae en una lumbrera vertical o inclinada

    conectada a la zona de descarga en el ro a

    travs de un tnel o conducto casi horizontal.

    ELEMENTOS DE VERTEDORES EN EMBUDO.

    Los elementos que constituyen a un Vertedor

    en Embudo son los siguientes:

    Entrada de Pozo.

    Cresta del Vertedor.

    Dentellones de Collar.

    Conducto.

    Canal de Descarga.

    Estanque Amortiguador.

    Cresta

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    Figura 34. Esquema donde se presentan las partes que constituyen al vertedor de embudo.

    (Fuente: INTRODUCCIN DEL DISEO DE OBRAS DE EXCEDENCIAS; Sanchez, Bribiesca

    Jos Luis)

    Los Vertedores de Embudo se pueden usar

    ventajosamente en los emplazamientos en las

    presas de los caones muy angostos en los

    que las laderas son muy inclinadas a donde

    se dispone de un tnel de derivacin o de un

    entubamiento, para usarse como ramal de

    aguas.

    Figura 35. Funcionamiento del vertedor de embudo o bocina

    (Fuente: INTRODUCCIN DEL DISEO DE OBRAS DE EXCEDENCIAS; Sanchez, Bribiesca

    Jos Luis)

    Otra ventaja de este tipo de Vertedor es que

    casi se alcanc la mxima capacidad con cargas

    relativamente pequeas esta caracterstica hace

    que el vertedor sea ideal para usarse cuando su

    gasto est limitado. Esta caracterstica tambin

    se puede considerar una desventaja porque aumenta

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    su capacidad cuando las largas son mayores que

    las del proyecto. Lo que no sera una desventaja

    si este tipo de vertedor se fuera a usar como un

    vertedor de servicio, en combinacin con un

    Vertedor Auxiliar o de Emergencia.

    Fotografa 8. Imagen de vertedor en Embudo.

    En la figura 36 se representa condiciones

    tpicas de escurrimiento y de descarga.

    Las caractersticas de circulacin de un

    vertedor o tambin llamado de pozo variaran de

    acuerdo a la proporcin de los tamaos de los

    diferentes elementos. Cambiando el dimetro de la

    cresta cambiara la curva ab en la figura 36, de

    manera que la ordenada de g en la curva Cd

    quedar ms alta o ms baja.

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    Figura 36.caractersticas de circulacin y descarga de un vertedero en embudo o bocina

    (Fuente: DISO DE PRESAS PEQUEAS, B. of Reclamation, Floyd E. Dominy)

    LA ECUACIN DE VERTEDERO EN EMBUDO O BOCINA

    Si la seccin de la cresta y la transicin

    se ajustan a la forma de la superficie inferior

    de la lmina vertiente que pase sobre un vertedor

    de cresta circular, las caractersticas de la

    descarga sobre la cresta y por la transicin se

    puede expresar por la frmula:

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    2

    3

    CLHQ (1)

    En la que H es la carga medida ya sea en el

    vrtice de la superficie inferior, en el arranque

    del vertedor de cresta circular o en cualquier

    punto establecido en la lmina vertiente.

    El valor de C cambiar con las diferentes

    definiciones de L y de H. Si L se toma en la

    periferia exterior de la cresta del vertedor y si

    la carga se mide al vrtice de la seccin, la Ec.

    (1) se puede escribir:

    2/32 oso HRCQ

    Resulta aparente que le coeficiente de

    descarga para una cresta circular difiere de una

    cresta recta, debido a los efectos de la

    sumersin y de la contrapresin por la

    convergencia de las corrientes. As oC debe

    relacionarse tanto a oH como a sR , y puede

    expresarse en funcin de s

    o

    R

    H.

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    Figura 37. Relacin entre el coeficiente de una cresta circular oC y s

    o

    R

    H para diferentes tirantes

    de llegada (lmina ventilada)

    (Fuente: DISO DE PRESAS PEQUEAS, B. of Reclamation, Floyd E. Dominy)

    Estos coeficientes son vlidos solamente si

    la seccin de la cresta y la forma de la

    transicin se ajustan a la de la corriente que

    circula sobre un vertedor circular en pared

    delgada, con la carga oH , si tiene ventilacin

    de manera que no existan presiones sud

    atmosfricas a lo largo de la superficie de

    contacto inferior.

    2.3.9. VERTEDORES DE TUNEL.

    Est, tiene ventajas cuando la utilizacin

    de un vertedor en Canal producira excavaciones

    muy grandes especialmente en el caso de boquillas

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    estrechas y con cortinas altas. El caudal

    total se reparte en uno o ms tneles que

    excavados en las montaas descargan libremente al

    ro a la elevacin que evite su ahogamiento por

    remansos ocasionados en el cauce. Para ello

    debe tomarse en cuenta condiciones geolgicas y

    topogrficas que brinden una buena cimentacin en

    la zona del portal de salida del tnel y que

    impidan erosiones importantes en el sitio de

    cadas de chorro. Tambin es conveniente

    considerar que los tneles empleados en las Obras

    de Desvi pueden utilizarse posteriormente como

    conductos de descarga.

    En el caso de que el gasto de diseo fuese

    diseado, los tneles se llenaran y la

    eficiencia del conjunto vertedor tnel

    disminuira notablemente. Esto representa menor

    peligro en los Vertedores de canal y con ello una

    desventaja de los vertedores de Tnel.

    Cuando la cada es grande, se desarrollan

    velocidades del agua excesivas que puedan daar

    seriamente los revestimientos del tnel. Su

    reparacin trae consigo maniobras ms complicadas

    y costosas que en los Vertedores de Canal.

    Por tanto, es recomendable emplear

    Vertedores en Tnel solo cuando se agoten las

    Posibilidades de empleo de otros tipos.

    ELEMENTOS DE VERTEDORES DE TUNEL.

    Los elementos que constituyen a un Vertedor

    de Tnel son lo sig.:

    Estructura de Control.

    Tnel de Transicin.

    Tnel de Desvi.

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    Seccin de Control.

    Conducto de Descarga.

    Cubeta Salto de Esqu.

    Figura 38. Vertedor en tnel.

    (Fuente: INTRODUCCIN DEL DISEO DE OBRAS DE EXCEDENCIAS; Sanchez, Bribiesca

    Jos Luis)

    1. - ESTRUCTURA DE CONTROL.

    2. - TUNEL DE TRANSICION.

    3. - TUNEL DE DESVIO.

    4. - TUNEL DE DESCARGA.

    5. - CUBETA SALTO DE ESQUI.

    Fotografa 9. Imagen en donde se presentan 2 tneles que son empleados como conductos de

    descarga.

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    Pgina 65

    2.3.10. VERTEDORES EN SIFN.

    Los Vertedores de Sifn son sistemas de

    conductos cerrados con la forma de una U

    invertida colocada en tal posicin que al

    interior de la curva del pasaje superior tenga la

    altura del nivel normal de almacenamiento en el

    vaso. Las descarga iniciales del vertedor al

    subir el nivel del vaso arriba de lo normal tiene

    un funcionamiento semejante al de un vertedor.

    El funcionamiento como Sifn tiene lugar

    despus de que se ha agotado el aire en la cmara

    que se forma sobre la cresta. La corriente

    continua, se sostiene por el efecto de succin

    debido al agua de la rama inferior del sifn.

    ELEMENTOS DE VERTEDORES DE SIFON.

    Los elementos que constituyen a un Vertedor

    de Sifn son los siguientes:

    Rama Superior.

    Garganta o Control.

    Rama Inferior.

    Salida.

    Ventilacin para interrumpir el efecto Sifonico del

    vertedor.

    Transicin.

    Conducto de Descarga.

    Canal de Salida.

    Disipador de Energa.

    Estructura Terminal.

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    A) DESCARGA LIBRE

    Figura 39. Esquema de vertedor en sifn con descarga libre.

    La ventaja principal de un vertedor de Sifn

    es su cualidad para dar paso a descargas de toda

    su capacidad dentro de estrechos lmites de la

    carga. Otra ventaja en superacin efectiva y

    automtica sin mecanismos ni paredes mviles.

    Adems de su elevado costo en combinacin

    con otros tipos el Vertedor de demasas de Sifn

    tiene otras numerosas ventajas, incluyendo las

    siguientes:

    Incapacidad del Sifn para dar paso al hielo y

    a las basuras.

    Posibilidad de que se obstruyan los pasajes del

    Sifn y los tubos de ventilacin para

    interrumpir el efecto Sifonico con basuras u

    hojas.

    Posibilidad de que el agua congele en sus ramas

    y en los tubos de ventilacin antes de que el

    vaso alcance el nivel de la cresta del

    vertedor, impidiendo as el paso por el Sifn.

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    La ocurrencia de aumentos bruscos y

    determinaciones de las descargas como resultado

    de la interrupcin y reanudacin del efecto

    sifonico, produciendo as fluctuaciones

    radicales en el gasto del ro agua abajo.

    La descarga de gastos mayores que las

    aportaciones cuando opera el Sifn si se usa

    uno solo. Se puede obtener una regulacin mejor

    con la que se equilibren con mayor aproximacin

    las aportaciones y las descargas construyendo

    una serie de sifones de mayor tamao con las

    ventilaciones para interrumpir su

    funcionamiento ajustadas para que se ceben los

    sifones en forma progresiva al aumentar las

    cargas hidrulicas en el vaso.

    La construccin de cimentaciones ms recientes

    que se requieren para soportar el efecto de las

    vibraciones, que son mayores que en otros tipos

    de estructuras de control.

    Figura 40. Esquema de vertedor en sifn.

    Como en el caso de otros tipos de conductos

    cerrados, una de las desventajas principales de

    los vertedores de Sifn es la imposibilidad que

    tienen para manejar gastos muchos mayores que el

    de la capacidad de proyecto, aunque la carga del

    vaso exceda el nivel del proyecto.

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    Por lo tanto, el vertedor de Sifn esta

    mejor adaptado al funcionamiento de vertedor de

    servicio en combinacin con una estructura

    auxiliar o de emergencia.

    Hay que situar la entrada abajo del nivel de

    agua en el vaso para evitar la intromisin de

    basuras y escombros y la formacin de vrtices

    que por la inclusin de aire rompan la accin

    sinfnica.

    A causa de las presiones negativas con que

    trabaja el sifn, el conducto tiene que ser lo

    suficientemente rgido para resistir las fuerzas

    de colapso.

    Las juntas deben ser estancas y deben

    tomarse providencias para evitar el agrietamiento

    del tubo a causa de movimientos y asentamientos

    de la cimentacin. Para evitar presiones

    absolutas cercanas a las de vaporizacin,

    limtese la carga negativa a un mximo de 6 m.

    B) SALIDA DE SUMERGENCIA.

    Figura 41. Esquema de vertedor en sifn con salida de sumergencia.

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    Figura 42. Ejemplo de vertedor de sifn

    (Fuente: INTRODUCCIN DEL DISEO DE OBRAS DE EXCEDENCIAS; Sanchez, Bribiesca

    Jos Luis)

    ECUACIONES PARA VERTEDOR DE SIFN.

    Cada vertedor de sifn tiene una capacidad

    mxima de drenaje Q, dado por la diferencia de

    niveles del agua. El cual es calculado por:

    2/12.. ghAuQ

    Dnde:

    = Coeficiente de descarga

    A = Seccin transversal del flujo de

    salida del sifn en m.

    h = Altura de cada del sifn en m.

    g = Aceleracin de la gravedad (g =9.81

    m/s)

    El coeficiente de descarga el cual se aplica

    al sifn puede ser obtenido experimentalmente con

    la siguiente conversin:

    ghAQ

    u2

    2.3.11. VERTEDORES EN ABANICO.

    Un vertedor en abanico viene a ser una

    estructura constituida por un cimacio en curva

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    cncava con relacin a la direccin media del

    escurrimiento y viendo en el sentido del mismo,

    el cual descarga a un tanque de una geometra tal

    que propicia un resalto al pie del cimacio y un

    escurrimiento lento en aquel.

    El nombre de vertedor en abanico le viene de

    que el cimacio y el tanque ante