Coeficientes de Gasto de Vertedores en El Canal Hidrodinamico de Pendiente Variable1111

INSTITUTOPOLITCNICONACIONAL

ESCUELASUPERIORDEINGENIERAYARQUITECTURAUNIDADZACATENCO

DETERMINACINDECOEFICIENTESDEGASTODEVERTEDORESENELCANAL

HIDRODINMICODEPENDIENTEVARIABLE

T E S I S

QUEPARAOBTENERELTTULODE:

INGENIEROCIVIL

PRESENTA:

ALEJANDROMARTNEZOCHOA

ASESOR:

ING.RALMANJARREZNGELES

MxicoD.F.Septiembredel2003.

AGRADECIMIENTOS:

A DIOS:

Te doy gracias DIOS MO porhabermepermitidollegarconvidaysalud hastaestegranmomento,que sin duda es uno de los mssatisfactorios de mi vida. Notengo palabras para decir lofelizque mesiento,graciasporcuidarme y protegerme ante todaslasadversidades.Tepidoquenomeabandones,quemeacompaesybendigas en mi desarrolloprofesional y que colmes debendiciones a mis seresqueridos...

A mi hermanita adorada, Marisa:

Eres la mejor del mundo, nocambies jams!. Gracias por todolo que me has brindado, cremeque siempre estar en deudacontigo.Notefallarpecas!.

Celia y Arturo:

...A cada paso que d y en cadaescalnquesubaenmisuperacinpersonal y profesional. Estetrabajo tambin es de ustedes,mil gracias por su apoyoincondicional. Saben que losconsidero como mis segundospadres y cranme no losdefraudar, pues siempre estarnenmicorazn!.

A mis padres:

Porhabermedadolavida,todosuamor, paciencia y preocupacin.Porhabermeinculcadolosvaloresque hoy en da conservo, portenerme la confianza en todomomento, pero sobre todo habermedado una educacin y que contanto esfuerzo y sacrificio mehan brindado... siempre loshonraryrespetar!.

Mamita te agradezco tantas cosasque no se como decrtelas, solosequetequieromucho,eresunapersona excelente, ahora me tocaa mi recompensar todo lo que mehasdado!

A mi hermano, Abelardo:

En ti veo un ejemplo de luchapara ser mejor!, siempre me hasdemostrado tu empeo para saliradelante, gracias por todos losmomentosquehemosvividojuntos.Espero seguir ese ejemplosiempre!...

A mis amigos:

Judith, Valle, Migueln, Nelly,Mayra, Lul, Carmen, Maricarmen,Karina, Chio, Liliana, Imelda,Wil, Silvia, Manito, Ramn,Maribel, Cefes, Arturo, Laura,Geras, Rubn, Jenny, Sonia yNANCYE.delosO.L.

Atodosustedesquemeaprecianyque siempre han credo en m,estuvieron cerca cuando losnecesite y eso me colma dealegra y fortaleza para seguiradelante. Hay cosas muy valiosasque tengo en la vida y doygracias a DIOS por tenerlos a milado.

Mariano y Edward:

Simplemente ustedes han sido mishermanos de toda la vida, losquiero mucho. Gracias por suapoyo y sus consejos, por todoslos momentos buenos y malos quehan compartido conmigo. De estetriunfo ustedes tambin formanparte!.. Espero verlos triunfaren la vida! .Unoparatodosytodosparauno

A mis profesores: Marco Antonio Arias Morales y Juan Manuel Fierro de los Santos.

Porlasmolestiasquesetomaronen obsequiarme su valiossimo

tiempo para la revisin yaportaciones que hicieron a estetrabajo. De antemano muchasgracias!...

Este logro se lo dedico a todoslos que creyeron en mi y a losque no tambin...De las dosformas me hacen ms fuerte y memotivanasercadadamejor.

Unagradecimientomuyespecialal Ingeniero Ral Manjarrez ngeles y a suhermosa familia, mil gracias porpermitirmeentrarensusvidasyensu corazn,graciasportodoslos detalles que han tenidoconmigo, los estimo y llevarconmigosiempre...DIOS MO tepidode todo corazn que bendigas aestafamiliaquevaleoro!

INSTITUTOPOLITECNICONACIONAL

ESCUELASUPERIORDEINGENIERIAYARQUITECTURA

UNIDADZACATENCO

SUBDIRECCIONACADEMICA

OFICINADEEXAMENESPROFESIONALES

Av.JuanDeDiosBatizs/n,Edificios10,11y12UnidadProfesionalAdolfoLpezMateosZacatencoMxico07738,D.F. Tel.57296000ext53009Fax57541992.

55ANIVERSARIODELAESIQIE

2003AODELCCLANIVERSARIODELNATALICIODEDONMIGUELHIDALGOYCOSTILLA,PADREDELAPATRIA

No.DEOFICIOSAC.E.P390.09.03 ASUNTO:TEMADETESIS

Septiembre02del2003.

C.ALEJANDROMARTINEZOCHOAPASANTEDELACARRERADEING.CIVILPRESENTE

PoresteconductomepermitoinformarlequeelC.ING.RAULMANJARREZANGELES,hasidodesignadoasesordesuTesisProfesional, derivado del proyecto de investigacin ANALISIS EXPERIMENTAL DEL COMPORTAMIENTO DE FLUJOPARA VERTEDORES, UTILIZANDO UN CANAL HIDRODINAMICO DE PENDIENTE VARIABLE, cuyo numero deregistroes20030310mismaquedeberdesarrollarenuntrminonomayoraunaoapartirdelafechadeesteoficioconformealndicesiguiente:

DETERMINACIONDECOEFICIENTESDEGASTODEVERTEDORESENELCANALHIDRODINAMICODEPENDIENTEVARIABLE

INDICEINTRODUCCIONCAPITULOIMARCOTEORICOCAPITULOIICANALHIDRODINAMICODEPENDIENTEVARIABLECAPITULOIIIENSAYOSENLOSVERTEDORESCAPITULOIVRESULTADOSYGRAFICASCAPITULOVFORMATOSDEPRACTICASCONCLUSIONESBIBLIOGRAFIAANEXOS

Sin otro particular,me es grato enviarle un cordial saludo, reiterndole las seguridades demi consideracin atenta ydistinguida

ATENTAMENTELATCNICAALSERVICIODELAPATRIA

M.enC.DEMETRIOGALNDEZLPEZSUBDIRECTORACADEMICO

RMA

CAPTULO1. MARCOTERICO.

CAPTULO2. CANALHIDRODINMICODEPENDIENTEVARIABLE.

CAPTULO3. ENSAYOSENLOSVERTEDORES.

CAPTULO4. RESULTADOSYGRFICOS.

CAPTULO5. FORMATOSDEPRCTICAS.

ANEXOS

NDICE.

INTRODUCCIN. i

CAPTULO1. MARCOTERICO. 16

1.1.ANTECEDENTES. 16

1.2.CLASIFICACINDELASOBRASHIDRULICAS. 16

1.2.1. ElementosconstitutivosdeunAprovechamientoSuperficial. 17

1.3.PARTESQUEINTEGRANUNAPRESA. 19

1.3.1. VasodeAlmacenamientooEmbalse. 19

1.3.2. Cortina. 19

1.3.3. ObradeToma. 20

1.3.4. ObradeExcedencias. 20

1.3.5. ObradeDesvo. 21

1.4.OBRASDECONTROLYEXCEDENCIAS. 21

1.4.1. AspectosGeneralesdelasObrasdeExcedencia. 21

1.4.2. Funcin. 22

1.5.DESCRIPCINDELOSVERTEDORESDESERVICIO. 23

1.5.1. PartesqueConstituyenunVertedor. 23

1.6. TIPOSDEVERTEDORES. 24

1.6.1. GENERALIDADES. 24

1.6.2. VERTEDORESDECIMACIO. 24

1.6.2.1. EcuacionesparaelVertedordeCimacio. 26

1.6.3. VERTEDORDEPAREDDELGADA. 29

1.6.3.1. EcuacionesparaVertedordeParedDelgada. 30

1.6.4. VERTEDORRECTANGULARDEPAREDDELGADA. 33

1.6.4.1. EcuacionesparaVertedorRectangulardeParedDelgada. 34

1.6.4.2. VertedorRectangulardeParedDelgadaconContraccionesLaterales. 36

1.6.4.3. VertedorRectangulardeParedDelgadasinContraccionesLaterales. 38

1.6.5. VERTEDORTRIANGULARDEPAREDDELGADA. 40

1.6.5.1. EcuacionesparaVertedorTriangulardeParedDelgada. 41

1.6.6. VERTEDORDESIFN. 46

1.6.6.1. EcuacionesparaVertedordeSifn. 47

1.7. ENERGAESPECFICA. 48

CAPTULO2. CANALHIDRODINMICODEPENDIENTEVARIABLE. 55

2.1.INTRODUCCIN. 56

2.1.1 ElementosConstitutivosdelCanalHidrodinmicodePendienteVariable. 56

2.1.2. FuncindelCanal. 57

2.1.3. Componentes. 58

2.1.3.1Bomba. 58

2.1.3.2. MedidordeGasto(Rotmetro). 60

2.1.3.3. AjustedelaPendienteenelCanal. 60

2.1.3.4. DepsitodeEntradadeFlujo. 61

2.1.3.5. Canal. 62

2.1.3.6. Interruptor. 63

2.1.3.7. DepsitodeSalidadeFlujo. 63

2.1.4. Recomendaciones. 65

2.1.5. EncendidoyapagadodelSistema. 66

2.1.5.1. Encendido. 66

2.1.5.2. Apagado. 67

2.1.6. Cierre. 67

2.1.7. CuidadoyMantenimiento. 67

2.1.8. Seguridad. 68

2.1.9. DatosTcnicos. 69

2.2.VERTEDORES. 70

2.2.1. VERTEDORDECIMACIO. 71

2.2.1.1. Descripcin. 73

2.2.1.2. Componentes. 74

2.2.1.3. DatosTcnicos. 74

2.2.2. VERTEDORDECRESTAANCHACONBORDEAFILADOYREDONDEADO. 75




2.2.3. VERTEDORDEPAREDDELGADASINCONTRACCIONESLATERALES. 78




2.2.4. VERTEDORDESIFN. 81



2.2.4.3DatosTcnicos. 83

2.2.5. VERTEDORTRIANGULARDEPAREDDELGADASINCONTRACCIONES

LATERALES. 84

2.2.5.1Descripcin. 85



2.2.6. VERTEDORDECRESTAANCHACONTALUDES. 87

2.2.6.1Descripcin. 88



CAPTULO3. ENSAYOSENLOSVERTEDORES. 91

3.1.VERTEDORDECIMACIO. 93

3.1.1. ConDisipadordeDelantal. 93

3.1.2. ConRpida. 97

3.1.3. ConDisipadordeSaltodeEsqu. 100

3.2.VERTEDORDECRESTAANCHA. 105

3.2.1. ConBordeAfiladoenlaDireccindelFlujo. 105

3.2.2. ConBordeRedondeadoenlaDireccindelFlujo. 109

3.3.VERTEDORDEPAREDDELGADASINCONTRACCIONESLATERALES. 112

3.3.1. ConVentilacin. 112

3.3.2. SinVentilacin. 115

3.4.VERTEDORDESIFN. 118



3.5.VERTEDORTRIANGULARDEPAREDDELGADASINCONTRACCIONESLATERALES. 125

3.6.VERTEDORDECRESTAANCHACONTALUDES. 128

CAPTULO4. RESULTADOS YGRFICOS. 132

4.1.VERTEDORDECIMACIO. 132

4.1.1. ConDisipadordeDelantal. 132

4.1.2. ConRpida. 134

4.1.3. ConDisipadordeSaltodeEsqu. 136

4.2.VERTEDORDECRESTAANCHA. 138

4.2.1. ConBordeAfiladoenlaDireccindelFlujo. 138

4.2.2. ConBordeRedondeadoenlaDireccindelFlujo. 140

4.3.VERTEDORDEPAREDDELGADASINCONTRACCIONESLATERALES. 142



4.4.VERTEDORDESIFN. 146



4.5.VERTEDORTRIANGULARDEPAREDDELGADASINCONTRACCIONESLATERALES. 150

4.6.VERTEDORDECRESTAANCHACONTALUDES. 152

CAPTULO5. FORMATOSDEPRCTICAS. 155

5.1.DETERMINACINDELCOEFICIENTEDEGASTOENUNVERTEDORDECIMACIO

CONDISIPADORES. 156

5.2.DETERMINACINDELCOEFICIENTEDEGASTOENUNVERTEDORDECRESTA

ANCHA. 166

5.3.DETERMINACINDELCOEFICIENTEDEGASTOENUNVERTEDORRECTANGULAR

DEPAREDDELGADASINCONTRACCIONESLATERALES. 176

5.4.DETERMINACINDELCOEFICIENTEDEGASTOENUNVERTEDORDESIFN. 186

5.5.DETERMINACIN DELCOEFICIENTEDEGASTOENUNVERTEDORTRIANGULAR

DEPAREDDELGADASINCONTRACCIONESLATERALES. 197

5.6.DETERMINACINDELAENERGAESPECFICAYELNMERODEFROUDEENUN

VERTEDORDECRESTAANCHACONTALUDES. 206

CONCLUSIONES. 218

BIBLIOGRAFA. 221

ANEXOS. 223

INTRODUCCIN

i

INTRODUCCIN.

Enelpresentetrabajo,exponemosunarecopilacindelosdiferentestiposdeobrasdeexcedenciaquese

utilizan en las presas, a dichas obras se les conoce con el nombre genrico de vertedores, que en breve

describiremos.

Laspresaslaspodemosclasificarenunnmerodecategorasdiferentes.

Esconvenienteconsiderartresampliasclasificacionesdeacuerdocon:eluso,elproyectohidrulico,o

losmaterialesqueformanlaestructura.

Segn el uso, las presas se pueden clasificar de acuerdo con la funcin ms general que van a

desempear,comodealmacenamiento,dederivacinoregulacin.

Las presas de almacenamiento, se construyen para embalsar el agua en los periodos de lluvia y para

utilizarlos en poca de estiaje. Estos perodos pueden ser estacionales, anuales, o ms largos. Las presas de

almacenamiento las podemos a su vez clasificar de acuerdo con el objeto de almacenamiento, comopuede ser

abastecimientodeagua,pararecreo,paralacradepeces,paralageneracindeenergahidroelctrica,irrigacin,

etc.

Laspresasdederivacinseconstruyenordinariamenteparaproporcionarlacarganecesariaparadesviar

elaguahaciazanjas,canalesuotrossistemasdeconduccinallugarendondesevaausar.

Laspresasreguladorasseconstruyenpararetardarelescurrimientodelasavenidasydisminuirelefecto

de las ocasionales. Las presas reguladoras las dividimos en dos tipos. En uno de ellos, el agua se almacena

temporalmenteysedejasalirporunaobradetoma.Enelotrotipo,elaguasealmacenatantotiempocomosea

posibleysedejainfiltrarenlasladerasdelvalleoporlosestratosdegravadelacimentacin.Aesteltimotipose

lellamaalgunasvecesdedistribucinodique.Asimismolaspodemosclasificartambincomopresasvertedoraso

novertedoras.Lasprimerasseproyectanparadescargarsobresuscoronasylassegundassonlasqueseproyectan

paraquenorebaseelaguaporsucorona. En cuanto a sus materiales las podemos clasificar en presas de

concretodegravedadodel tipodearco.Tambinenpresasde tierraodematerialesmixtoscomoson:arcilla,

arena,gravayrocaosimplementedeenrocamientoconlosadeconcretoenlostaludes.

INTRODUCCIN

ii

Dentro de las presas de almacenamiento existen los vertedores de demasas y los reguladores que son

estructurascuyafuncinesdejarescaparelaguaexcedenteodeavenidasquenocabeenelespaciodestinadopara

almacenamiento,yenlaspresasderivadorasdejarpasarlosexcedentesquenoseenvanalsistemadederivacin.

Ordinariamente los volmenes en exceso se toman de la parte superior del embalse creado por la presa y se

conducenporunconductoartificialnuevamentealrooaalgncanaldedrenajenatural.

La frecuencia del uso del vertedor la determinan las caractersticas de escurrimiento de la cuenca y la

naturalezadelaprovechamiento.Ordinariamente,lasavenidassealmacenanenelvaso,sederivanporlastomaso

sedescarganynoesnecesarioquefuncioneelvertedor.

Las descargas por el vertedor se pueden producir durante las avenidas o periodos de escurrimiento

elevado sostenido, cuando las capacidades de las dems salidas se exceden. Cuando la capacidad del vaso es

grandeocuandolasobrasdedescargaodederivacinsongrandeselvertedorseutilizarraravez.

Enlaspresasderivadorasenlasqueelalmacenamientoeslimitadoylosvolmenesderivadossonrelativamente

pequeos,comparadosconelgastonormaldelro,elvertedorseusarcasiconstantemente.

En cualquier embalse con un rea o cuenca de drenaje de tamao considerable debe tener un vertedor para

descargarlascrecientessindaarlacortinadelapresayparamantenerlasuperficiedelaguadelembalseaun

ciertonivelpredeterminado.

La Tesis se divide en cinco captulos el Captulo 1 comprende elMarco Terico donde describimos

algunas generalidades sobre las presas, as como algunos de los aspectos concernientes a lasmismas.Tambin

definimos los tipos y elementos que constituyen los vertedores, las ecuaciones que los gobiernan y aspectos

particularesdelosmismos.

En el Captulo 2, describimos las caractersticas principales de los dispositivos del laboratorio de

Hidrulica de la ESIA ZACATENCO, en particular el Canal Hidrodinmico de Pendiente Variable y los

diferentes tipos de vertedores a utilizar. La manera de operar de cada uno de ellos as como los accesorios

complementariosautilizarenlosexperimentos.

Esimportantesealarqueduranteelprocesodeexperimentacintomamosfotosdelosdiferentestiposde

ensayosqueserealizanencadaunodelosvertedores.

INTRODUCCIN

iii

En el Captulo 3, desarrollamos el procedimiento para llevar a cabo los ensayos en el Canal

HidrodinmicodePendienteVariableconlosVertedoresyaseleccionadosymostramoslosresultadosobtenidos

encadaunodeellos.

EnelCaptulo4,mostramoslosclculosdecadaunodelosensayosrealizados,referentesalaobtencin

de los coeficientesdegastode cadaunode los vertedores y realizacindegrficos,a findequepermitanuna

mejorcomprensindelpresentetrabajoadesarrollaryquesecumplaconelobjetivoprincipal.Lograndoasque

lasrecomendacionesdadasmanifiestenellogroobtenidoalfinalizaresteestudio.

En elCapitulo 5, presentamos los formatos de las prcticas de laboratorio referentes al uso delCanal

HidrodinmicodePendienteVariableydesusdiferentesaccesorios.

Justificacindeltema.

Las Presas de Almacenamiento y Derivacin son estructuras de importancia para el desarrollo y

crecimiento de un pas, ya que estas nos permiten almacenar agua para el consumo habitacional, comercial, e

industrialentreotras.Permitiendoassatisfacerlasnecesidadestandemandantesdeunapoblacin.

Laimportanciaquetieneunvertedorseguronosepuedeexagerarmuchasdelasfallasde laspresassehandebido

avertedoresmalproyectadosodecapacidadinsuficiente.

Laamplituddelacapacidadesdeextraordinariaimportanciaenlaspresasdetierrayenlasdeenrocamiento,que

tienen el riesgo de ser destruidas si son rebasadas mientras que, las presas de concreto pueden soportar un

rebasamiento moderado. Generalmente, el aumento en costo no es directamente proporcional al aumento de

capacidad.Confrecuenciaelcostodeunvertedordeampliacapacidadesslounpocomayorqueeldeunoque

evidentementeesmuypequeo.

Ademsde tener suficientecapacidad,elvertedordebeserhidrulico y estructuralmenteadecuadoydebeestar

localizadodemaneraquelasdescargasdelvertedornoerosionennisocavenelpieaguasabajodelapresa.Las

superficiesqueformanelcanaldedescargadelvertedordebendeserresistentesalasvelocidadeserosivascreadas

porlacadadesdelasuperficiedelvasoaladelaguadedescargaygeneralmente,esnecesarioalgnmediopara

ladisipacinde laenergaalpiedelacada.

INTRODUCCIN

iv

Planteamientodelproblema.

En la poca actual ya casi no hay necesidad de hacer nfasis en la importancia de las obras de

excedencias,lasquedebemosconcebircomoverdaderasestructurasdeseguridaddelaspresas.Sinembargo,ha

habidomuchasfallasdepresasdebidoainsuficientecapacidaddedescargaoadefectoseneldiseodelapropia

obra,originandogravesconsecuenciastantoparalapresacomoparalasvidasylosbienesmaterialeslocalizados

aguasabajodelamisma.

Tambinesnecesarioaforarelcaudalamanejarparalosdiversosusosdelapresa,alasalidadelasObras

deToma,paralocualtambinutilizamosvertedores.Portalmotivohetomadocomotemadetesislarecopilacin

detodalainformacinconcernientealasobrasdeexcedenciadelaspresas,clasificndolassegnsuusoytipoas

como observar el comportamiento hidrulico de diferentes clases de vertedores para la obtencin de los

coeficientesdeGasto(C),conbaseenmodelosdelaboratorio.

AdemsdefomentarelintersdelalumnadodeIngenieraCivilyenparticulardelreadeHidrulicapor

estasestructuras.

Hiptesis.

DeterminarloscoeficientesdeGasto(C)paradiferentestiposdevertedores,conbaseenlosmodelosde

la instalacin del canal hidrodinmico de pendiente variable en el laboratorio es vlido a travs de la

experimentacin.

Objetivo.

El objetivo del presente trabajo es el de calibrar diferentes tipos de vertedores (vertedor de cimacio,

vertedor rectangular pared delgada sin contracciones laterales, vertedor de pared gruesa, vertedor triangular de

pareddelgada yvertedordesifn),a findeobtener loscoeficientesdegasto,ascomo tambin laelaboracin

delasprcticasdelaboratorioreferentesalusoymanejodelCanalHidrodinmicodePendienteVariableysus

accesorios.

INTRODUCCIN

v

DelimitacindelTema.

Enestetrabajosedesarrollalaexperimentacinconbaseenmodelosdevertedoresparaladeterminacin

decoeficientesdegasto.

Metodologa.

Lametodologausadaparalaelaboracindeestedocumentoesmixta,yaquelallevamospormediode

dosetapas,principalmentequesonlarecopilacindeinformacindelosdiversostiposdevertedoresylasegunda

etapaqueconsisteenelanlisisdelfuncionamientohidrulicoparalaobtencindeloscoeficientesdegastocon

baseenmodelosdelaboratorio.

El mtodo deductivo es el que utilizamos en la investigacin, esta se desarrolla de lo general a lo

particular,primeramenterealizamosunainvestigacindocumentalelaborandounestudiodelasObrasdeControl

y Excedencia, donde incluimos desde los antecedentes hasta las ecuaciones que gobiernan el funcionamiento

hidrulicodelasmismasyporltimo,realizamoslaparteexperimentaldeesteproyecto.

Elniveldeinvestigacinqueutilizamosesexplicativoynuestraparticipacinesexperimentalyaquelos

coeficientesdegastoqueobtenemossonatravsdeensayosdelaboratorio.

CAPTULO1. MARCOTERICO

16

CAPTULO1. MARCOTERICO.

1.1. ANTECEDENTES.

Elcontroldeniveldelaguaylaregulacindedescargassonnecesariosparapropsitosdeirrigacin,energa

hidroelctrica, conservacin del agua, prevencin y control de avenidas,navegacin interior, etc. Para ello se

disponedeunaampliavariedaddeestructurashidrulicasdecontrol,adecuadasalasnecesidadesparticulares,

quevarandesdevertedoresocompuertasutilizadasenpequeosrosycanales,hastaobrasdeexcedenciasen

grandespresas.

Las obras hidrulicas en los sistemas de aprovechamiento tienen como objetivo controlar y conducir el

volumendeaguanecesariooelexcedentehastaelsitioenqueseaprovechaohaciaelcaucedelro.Laobrade

excedencias, la obra de toma y la obra de desvo son ejemplos de obras hidrulicas de gran utilidad en los

aprovechamientossuperficiales.

1.2. CLASIFICACINDELASOBRASHIDRULICAS.

Sepuededecirquelasobrashidrulicasconstituyenunconjuntodeestructurasconstruidasconelobjeto

demanejarelagua,cualquieraqueseasuorigen,confinesdeaprovechamientoodedefensa.Porconsiguiente,

lasobrashidrulicassepuedenclasificardeacuerdoconestasintenciones.

Finalidadesdelasobrashidrulicas1:

Aprovechamiento:

a)Abastecimientodeaguaapoblaciones.

b)Riegodeterrenos.

c)Produccindefuerzamotriz.

1TorresHerrera,Francisco,ObrasHidrulicas,p.13.


17

d)Navegacinfluvial.

e)Entarquinamiento.

f)Recreacin.

Defensa:

g)Contrainundaciones.

h)Contraazolves.

Prevencindelaescasez.

Finalidadesmltiples:Hastahace relativamentepoco tiempo lasobrashidrulicasseconstruancon

unafinalidadaisladasinembargo,desdeelpuntodevistaeconmicoenlaactualidadseestimacomocriterio

sanoyconvenienteeldeconsiderarencadacasolaposibilidaddequelasobrasseorientenasatisfacerdosoms

finalidadessimultneasestudiandoelfuncionamientoadecuadodelasmismasyprorrateandoloscostosquese

debancargaracadafinalidad.

1.2.1. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UN APROVECHAMIENTO

SUPERFICIAL.

Los elementos que formanunaprovechamientohidrulico son en general siete, los que se agrupan y

relacionanenla (Figura1.1) quesepresentaacontinuacinparasumejorcomprensin.

Fig.1.1.AprovechamientoHidrulico.


18

Enla (Figura1.1) aparecen:

1. readecaptacinocuencahidrogrficadeunro,definidaapartirdelsitiodealmacenamiento.

2. Almacenamiento,formadoporunapresa,enunsitiopreviamenteescogido,queesdondesecambia

elrgimennaturaldeescurrimientoalrgimenartificialdelademanda,deacuerdoconelfinolosfines

a que se destine. Aqu es conveniente recordar que una presa consta, en lo general, de las partes

siguientes:

Vasodealmacenamiento,Cortina,Obradedesvo,Obradetoma,Obradeexcedencias.

3. Derivacin,endonde,pormediodeunapresa,sederivaelescurrimientodelrohaciaelsistemade

conduccin,elqueporconveniencia,amenudoselocalizaanivelessuperioresalosdellechodelro.

4. Sistemadeconduccinquepuedeestarformadoporconductosabiertosocerradosysusestructuras

atravsdelcualseconduceelaguadesdeelpuntodederivacinhastalazonadeaprovechamiento.

5. Sistemadedistribucin,elcualseconstituyedeacuerdoconelfinespecficodelaprovechamiento.

Por ejemplo: canales para riego por gravedad, tuberas a presin para plantas hidroelctricas y

poblaciones,etc.

6. Utilizacindirectadelagua,lacualseefectatambinmedianteelementosespecficossegnelfin

dequesetrate.Porejemplo,turbinasenelcasodeplantashidroelctricas,tomasdomiciliariasenelcaso

deabastecimiento,procedimientosdirectosderiego,etc.

7. Eliminacin de volmenes sobrantes, lo cual se efecta pormedio de un conjunto de estructuras

especialmente construidas para este efecto: sistema de alcantarillado en el caso de abastecimiento

drenes,enelcasodesistemasderiegoestructuradedesfogue,enelcasodeplantashidroelctricas,etc.

En la (Figura1.1) se indicaque los retornososobrantesdelaguautilizadaseregresanalcauceen la

misma cuenca, condicin que, desde el punto de vista del derecho humano, se debe procurar que se

respetecuandolascondicionessanitariasoecolgicaslopermitan.


19

1.3. PARTESQUEINTEGRANUNAPRESA.

1.3.1VASODEALMACENAMIENTOOEMBALSE.

Esunaampliacindelvallepordondeescurreunacorriente,susceptibledecerrarsepormediodeuna

presa,paraacumularsusaguas.

Boquilla:estrechamientoterminaldelvaso.

1.3.2.CORTINA.

Seentiendeporcortinaunaestructuraquesecolocaatravesadaenellechodeunro,comoobstculoal

flujodelmismo,conelobjetodeformarunalmacenamientoounaderivacin.Talestructuradebesatisfacerlas

condicionesnormalesdeestabilidadyserrelativamenteimpermeable (Esquema1.1).

Esquema1.1.TiposdeCortinas.


20

Clasificacin:

Lascortinassepuedenclasificarconreferenciaa:

1.Sualtura.

2.Supropsito.

3.Eltipodeconstruccinylosmaterialesquelaconstituyen.

1.3.3.OBRADETOMA.

Estructuraquepermitelaextraccindeaguadelembalseparalosfinesdeseados.

1.3.4.OBRADEEXCEDENCIAS.

Laobradecontrol y excedenciaesunaestructuraque formaparte intrnsecadeunapresa,yaseade

almacenamientooderivacinycuyafuncinesladepermitirlasalidadelosvolmenesdeaguaexcedentesalos

deaprovechamiento.Loanteriorestablecedemaneratcitalacondicindequepreviamentesehayasatisfechola

capacidaddeaprovechamientodelapresa,oseaqueelembalseseencuentrellenohastaelNAMO2antesdeque

seinicienlosdesfoguesporlaobrade excedencias (Figura1.2).

2Se refierealniveldeconservacinmximodeoperacin.

Fig.1.2.EnestaFiguraseindica

algunasdelaspar tesqueconstituyenunaPresacomoesel

Vertedor uObradeExcedencias.


21

Lasobrasdeexcedenciadebenserconcebidascomoverdaderasvlvulasdeseguridaddelaspresas.Han

existidofallasenpresasdebidoalainsuficientecapacidaddedescargaodefectoseneldiseodelapropiaobra.

Lacapacidaddeunaobradeexcedencialadeterminanlaavenidadediseo,lascaractersticasdelembalseyel

programadeoperacindelapropiaobra.

1.3.5.OBRADEDESVO.

Sonobrasdecarcter temporal,que tienenporobjetocontrolaradecuadamentelacorrientedurante la

construccin de la presa, y permitir que permanezca seco el sitio de desplante de la cortina y de las obras

auxiliaresduranteelperododeconstruccin,paralocualesnecesariodesviartemporalmenteelescurrimiento

delroatravsdeellas.

1.4. OBRASDECONTROLYEXCEDENCIAS.

1.4.1.ASPECTOSGENERALESDELASOBRASDEEXCEDENCIA.

La Obra de excedencia en un aprovechamiento superficial3 es la estructura que permite descargar los

volmenesdeaguaqueexcedenalacapacidadtilodecontrolenunalmacenamiento,paraserconducidosfuera

del vaso y llevados aguas abajo nuevamente al ro, evitando el dao a otras estructuras y con elmximo de

seguridad.

Estasfuncionesserealizannormalmenteutilizandovertedoresysloencasosespecialesdeobraspequeas,

seutilizansifones.Porestarazn,lasobrasdeexcedenciasonamenudovertedoresdeexcedencia.

La obra de excedencia se utiliza para descargar la llamada avenida de diseo, cuyas caractersticas se

obtienendelosestudioshidrolgicosenelroydeltrnsitodeavenidasatravsdelvasoalmacenador.Dichos

estudiospermitenconocerlacargaygastomximo,ascomolaspolticasdeoperacinconquedebemanejarse

laobradeexcedencia.

3VerenelCaptulo1.2.1,loselementosconstitutivosdeunaprovechamientosuperficial.


22

1.4.2.FUNCIN.

Lafuncindelosvertedoresenlaspresasdealmacenamientoyenlasreguladorasesdejarescaparelagua

excedenteodeavenidasquenocabeenelespaciodestinadoparaalmacenamiento,yenlaspresasderivadoras

dejarpasarlosexcedentesquenoseenvanalsistemadederivacin.Ordinariamente,losvolmenesenexcesose

tomandelapartesuperiordelembalsecreadoporlapresayseconducenporunconductoartificialdenuevoal

rooaalgncanaldedrenajenatural.

Laimportanciaquetieneunvertedorseguronosepuedeexagerar.Lasfallasdelaspresassehandebidoa

vertedores mal proyectados o de capacidad insuficiente. La amplitud de la capacidad es de extraordinaria

importancia en las presas de tierra y en las de enrocamiento, que tienen el riesgo de ser destruidas si son

rebasadasmientrasque,laspresasdeconcretopuedensoportarunrebasamientomoderado.

Ademsde tener suficientecapacidad,elvertedordebeserhidrulicay estructuralmenteadecuado ydebe

estarlocalizadodemaneraque lasdescargasdelvertedornoerosionenni socavenelpiedeaguasabajode la

presa. Las superficies que forman el canal de descarga del vertedor deben ser resistentes a las velocidades

erosivas creadas por la cada desde la superficie del vaso al canal de descarga, y generalmente, esnecesario

algnmedioparaladisipacindeenergaalpiedelacada.

La frecuenciadelusodelvertedor ladeterminanlascaractersticasdeescurrimientode lacuencay la

naturalezadelaprovechamiento.Ordinariamente,lasavenidassealmacenanenelvaso,sederivanporlastomas

osedescarganynoesnecesarioquefuncioneelvertedor.

Lasdescargasporelvertedorsepuedenproducirdurantelasavenidasoperiodosdeescurrimientoelevado

sostenido,cuando lascapacidadesde lasdemssalidasseexceden.Cuando lacapacidaddelvasoesgrandeo

cuandolasobrasdedescargaodederivacinsongrandes,elvertedorseutilizarraravez.


23

1.5. DESCRIPCINDELOSVERTEDORESDESERVICIO.

1.5.1.PARTESQUECONSTITUYENUNVERTEDOR.

a) Canaldeacceso. Conduceelaguadesdeelalmacenamientohastalaestructuradecontrol,demanera

que llegue en direccin perpendicular a la cresta en toda su longitud y libre de turbulenciasa fin de

lograrelcoeficientededescargamximoyelmnimodeproblemasenelvertido.

b) Estructura de control. Regula las descargas del almacenamiento. La regulacin puede efectuarse

medianteunaseccindecontrolconstituidaporunsimpleumbral,uncimacio,unorificioounatubera,

quepuedandescargarlibrementeosumergidosyestarcontroladosonoporcompuertasovlvulas.En

cualquier caso, es muy importante lograr la mayor eficiencia de la estructura de control, con un

coeficientededescargalomsgrandeposibleparaladescargamximayevitareldespeguedelalmina

vertiente.

c) Canaldedescarga.Permiteconducirlosvolmenesquehanpasadoporlaestructuradecontrol,hasta

elroaguasabajodelapresa.Dichoconductopuedeser:canalacieloabierto,conductocerradoatravs

de la cortina o tnel por las laderas. La seleccin del tipo y dimensiones estn regidos por

consideracioneshidrulicas,econmicas,topogrficasygeolgicasdelsitio.Debidoalagranvelocidad

delaguaquepuededesarrollarse,esnecesariorevestirlasparedesdelconductodedescargaylograrun

escurrimientolomssatisfactorioposible.

d) Estructura terminal. Se ubica al final del conducto de descarga y permite la restitucin de las

descargas del vertedor al ro, disipando la energa cintica excedente que adquiere el agua en su

descensodesdeelembalsehastaelroparalograrladisipacin,aunquestarealmenteocurrafueradela

estructuraterminal.Enelprimercasoseutilizantanquesamortiguadoresocubetasdisipadorasyenel

segundocubetasdelanzamiento,peroencualquiercasoelobjetivoesalcanzarunadisipacineficazde

laenergayeliminarlaerosinenlazonaderestitucin.


24

e) Canalesdellegadaydescarga. Continadespusdelaestructuraterminalypermitequeelaguallegue

alcaucedel ro sinproducirremansos4 haciaaguasarribaqueafectenel funcionamientode lapropia

estructura terminal o de otras estructuras que tambin descarguen al ro. Los objetivos de los

componentes de un vertedor pueden parecer distintos y por tanto susceptibles de estudiarse por

separado, sin embargo existe una correlacin de estrecha y mutua influencia entre ellos que no

aconsejan un estudio aislado de los mismos. En algunos casos es posible satisfacer las condiciones

impuestasporlascaractersticastopogrficasygeolgicaslocalesconsolucionesdecostoelevado,sin

embargo es preferible reducir almnimo los riesgos provenientes de soluciones no convencionales y

adaptarlosproyectosalatopografaygeologadelsitio,tratandodeobtener,enloposible,unasolucin

econmica.

1.6. TIPOSDEVERTEDORES.

1.6.1.GENERALIDADES.

Losvertedoresgeneralmentese clasificandeacuerdoconsuscaractersticasmsimportantes,yaseacon

respectoalsistemadecontrol,alcanaldedescarga,oaotrocomponente.Losvertedoresqueanalizamossonlos

siguientes:vertedordecimacio,vertedorrectangularpareddelgadasincontraccioneslaterales,vertedortriangular

(enV)depareddelgadasincontraccioneslateralesyvertedordesifn.

1.6.2. VERTEDORESDECIMACIO.

Los vertedores de cimacio consisten de una cresta de control de pared gruesa, cuyo perfil tiene

aproximadamentelaformadelasuperficieinferiordeunalminaventiladaqueviertelibrementesobrelacresta

estopermitealcanzarunmejorcoeficientedegasto ymantener laestabilidadestructurala travsdelpesodel

concretoomamposterautilizadoenelcuerpodelaobra.

4Serefierealadetencinosuspensindelacorrientedelagua.


25

Elcimaciodescritoconstituyeuna" seccindecontrol cuyadescargapuedeserlibreocontrolada5.

Eneldedescargalibrenoseutilizanelementosadicionalespararegulardichasdescargas,yelvertidoseproduce

libremente sobre la cresta, permitiendo que su forma en planta pueda ser recta o curva. En el de descarga

controladaseutilizandiferentestiposdecompuertassobrelacrestaysuformaenplantaslopuedeserrectao

poligonal,conpilasintermediasparaapoyodelascompuertas.

Elcaudalqueviertesobreuncimacioylacargasobrelacresta,sonengeneral,variables,segnlamagnitud

de los excedentes que se desea desalojar del almacenamiento. Esmotivo de anlisis establecer qu caudal o

condicindedescargadebeelegirsecomolacondicindeldiseodelperfildelcimacio.

EldiseodelperfildeuncimacioimplicaentonceselegirunacargadediseoHdoungastodediseo

Qd6,delosquedependenlaformaydimensionesdedichoperfil.Segnseindicaenla(Figura1.3)lacargade

diseoincluyelacargadevelocidaddellegadaenelcanaldeacceso(correspondientealcaudaldediseo),laque

asuvezdependedelasdimensionesyprofundidadP(respectodelacresta)endichocanal.Estoes:Hd=hd+ho,

dondeho=(vo2/2g).

5Serefierealaregulacindelasdescargasenelalmacenamientoenunapresa.

6Sotelovila,Gilberto,DiseoHidrulicodeEstructuras,p.513.

Fig.1.3.VertidolibresobreunCimacio.


26

1.6.2.1. ECUACIONESPARAELVERTEDORDECIMACIO.

Lacapacidaddedescargadeuncimacio,para lacondicindediseooparacualquierotracondicinde

operacin, es funcin de la longitud efectiva de la cresta vertedora, de la carga real con que opere, de la

geometradelperfilydelasdimensionesyprofundidaddelcanaldeacceso.

En el caso del vertido libre (Fig. 1.3) con o sin pilas intermedias, la ecuacin para el clculo de la

capacidaddedescargaeslageneraldevertedores:

2

3

CLeHQ = (2)

Donde:

C=Coeficientedegasto,quetienelasdimensiones

-12

1

TL .

H=Cargatotaldeoperacin,incluyendocargadevelocidaddellegada,enm.

Le=Longitudefectivadecresta,enm.

Q=Gastoensm3

Enelclculodehseconsideraqueg

VohH d 2

2

+ = ,donde)( dhP

qVo

+ = eslavelocidaddellegada

yqgastounitarioenelcanaldellegada.

ElcoeficienteCde la (Ec.2)dependeprincipalmentede lacargaHconqueoperaelvertedorenun

momentodado,delacargaHdelegidaparadisearelperfildelcimaciodelaprofundidaddelcanaldeacceso,

deltaluddelacargaaguasarribaydelgradoahogamientodeladescarga.LainterrelacindeCcontodosestos

elementoshasidoobtenidanicamentedemaneraexperimentalyeslaquesepresentaacontinuacin:


27

La (Figura1.4)muestralagrficaprincipalque relacionaelvalordeC,queenestecasoadquiereel

valorCo,coneldep/Hd(Profundidaddelcanaldeaccesoentrecargadediseo)paraelcasoenquelacargade

operacinseaigualaladediseo(H//Hd=1)yqueelparamentoaguasarribadelcimacioseavertical.Aquse

observaquecuandoP=0,Co=1.705,quecorrespondeaunvertedordecrestaanchayquecuandoPcrece,Co

tambin,hastaunmximode2.181,apartirdelcualsemantieneconstante.

Cuandolacargadeoperacinesdistintadeladediseoysemantieneverticallacaraaguasarriba,el

coeficiente de descarga vara con la relacin H/Hd, como lo muestra la (Figura 1.5) en la que Co7 es el

coeficienteobtenidodela(Figura1.4).EsinteresanteobservarqueelCoeficienteCesmayorqueCocuandola

cargadeoperacinesmayorqueladediseo.Estoimplicaqueesconvenienteelegirunacargadediseoquesea

7Ibidemp.514517.

Fig.1.4.CoeficientedegastoenCimaciosdeParamentoaguasar r ibaver tical,ver tiendoconlacargadediseo.


28

menorque lamximaconqueopereelcimacio,a finde lograrmejorescondiciones deoperacincuando la

ltimasepresente.

A fin de satisfacer requisitos de estabilidad estructural, puede ser necesario que el paramento aguas

arribadelcimacioseainclinado.

Paraunacargadeoperacinigualaladediseo, elcoeficientedegastovaraconlarelacinP/Hd ycon

el talud de inclinacin del paramento, como lomuestra la (Figura 1.6) en la queCvertical es el coeficiente

obtenidodelas(Figuras1.4y1.5).Esinteresanteobservarqueelefectodeinclinacindelparamentoesms

apreciable para valores pequeos de P/Hd en la medida que P/Hd crece, el coeficiente para un paramento

inclinadotiendealvalorparaeldeunparamentovertical.

Deestamanera,elvalorfinaldelcoeficienteCenla(Ec.2)ResultadelproductodeCoobtenidodela

(Figura1.4) porlacorreccindela (Figura1.5) ycuandoelparamentoseainclinado,ademsporlacorreccin

dela (Figura1.6).

Figura1.5.CoeficientedegastoenCimaciosdeparamentoaguasar r ibaver tical,ver tiendoconcargasdiferentesalasdediseo.


29

1.6.3.VERTEDORDEPAREDDELGADA.

SilalongituddelapareddelvertedorenladireccindelflujoestalqueH1/L>15(Figura1.7),entoncesel

vertedorsedenominadeparedcrestadelgada.Enlaprctica,lalongituddelaparedenunvertedordepared

delgadasuelesermenorque6.6x103ft(2.0x103m),porloque,anparalosnivelesmnimosdeoperacin,el

flujoseseparadelcuerpodelvertedoraguasabajodeste.

Enestecasoseformaunabolsadeairedebajodelalminavertedora(Figura1.7),desdelacualelchorro

superiorremuevecontinuamenteelaire.

En laprcticaesnecesariodisearelvertedordepareddelgadaparaquelapresinen labolsadeaire se

mantengaconstante,deotraformasepresentarnlassiguientescaractersticasindeseablesdeoperacin:

1. Aldecrecerlapresinenlabolsadeaire,lacurvaturadelchorrosuperioraumenta,porende,elvalordel

coeficientedegastotambinaumenta8.

8H.French,Richard,HidrulicadeCanalesabiertos,p.349351.

Fig.1.6.CoeficientedegastoenCimaciosdeParamentoaguasar r ibainclinado,ver tiendoconlacargadediseo.


30

2. Sielsuministrodeaireenlabolsaesirregular,entonceselchorrovibraryelflujosobreelvertedorser

no permanente. Si la frecuencia del suministro irregular de aire a la bolsa, del chorro superior, y de la

estructuradelvertedorsonaproximadamenteiguales,entonceslavibracindelchorropuedecausarlafalla

delaestructura.

1.6.3.1. ECUACIONESPARAVERTEDORDEPAREDDELGADA.

Unvertedor de pared delgada y seccin geomtrica, cuya cresta se encuentraa unaalturaw,medida

desdelaplantilladelcanaldealimentacin.Eldesnivelentrelasuperficieinalteradadelagua,antesdelvertedor

ylacrestaeshylavelocidaduniformedellegadadelaguaesVo,detalmodoque:

gVo

hH2

2

+ =

Siwesmuygrande,Vo2/2gesdespreciableyH=h.

De acuerdo con lanomenclatura de la (Figura 1.8), el perfil de las formas usuales de vertedores de

pareddelgadasepuederepresentarporlaecuacingeneral:

X=f(y) (1)

Que,normalmenteserconocida.

Fig.1.7.Vertedor deCrestaDelgada.


31

AplicandolaecuacindeBernoulliparaunalneadecorrienteentrelospuntos0y1,dela(Figura1.8)

setiene:

gv

yhhg

Voh oo 22

22

+ + - = +

Obien

gv

yg

VohH

22

22

+ = + = (1.1)

SiVo2/2gesdespreciable,lavelocidadencualquierpuntodelaseccin1vale

)(2 yhgv - = (1.2)

Elgastoatravsdelreaelemental,esentonces:

dyyhxgdQ - = m22

Donde m9consideraelefectodecontraccindelalminavertiente.Elgastototalvale:

dyyhxgQh

- = 21

0

)(22 m (1.3)

9Sotelovila,Gilberto,Op.cit.p.243.

Fig.1.8.Vertedor deParedDelgadadeformageneral.


32

Queserlaecuacindelgastoparaunvertedordepareddelgada,lacualesposibleintegrarsiseconoce

laformadelvertedor.

Enladeduccindelaecuacinsehanconsideradohiptesisnicamenteaproximadas,comolaomisin

de laprdidadeenergaqueseconsideraincluidaenelcoeficiente,peroquizlams importantequeseha

supuesto, es la que en todos los puntos de la seccin 1 las velocidades tienen direccin horizontal y con una

distribucin parablica (Ec. 1.2), efectuando la integracin entre los lmites 0 y h. Esto equivale a que en la

seccinmencionada el tirante debe alcanzar lamagnitudh. Por otra parte, al aplicar la ecuacin deBernoulli

entre lospuntos0 y1sehasupuestounadistribucinhidrostticadepresiones.Esto implicaunadistribucin

uniformedelasvelocidadesVoyVparatodoslospuntosdelassecciones0y1,respectivamente,loculseren

contraposicin con la distribucin parablica que se ha supuesto para derivar la (Ec. 1.2). Por ltimo, el

coeficientedegastoqueapareceen la(Ec.1.3)representa larelacinentreelreasombreadaa,b,c,ede la

(Figura 1.9), correspondiente a la verdadera distribucin de velocidades y la f, g, d, correspondiente a la

parboladedistribucinhipotticadevelocidades,asaber:

dgfparbolaladereaecbaachuradarea

,,___,,,_

* *

= m

Debeserdetipoexperimentalyprximoa0.60,quecorrespondealdeunorificiodepareddelgada.

Fig.1.9.AspectoRealdelFlujo.


33

1.6.4.VERTEDORRECTANGULARDEPAREDDELGADA.

El vertedor rectangular de pared delgada se puede describir como un corte rectangular ubicado

simtricamenteenunaplacadelgadaperpendicularalosladosyelfondodeuncanalabierto,recto,normalmente

rectangular(Figura1.10).Dentrode estacategorasedividenen:

1. Con contracciones laterales: es aquel que tiene una contraccin de la lmina vertedora que no se

desarrollcompletamente,comoconsecuenciadelaproximidaddelasfronterasdelcanal.

2.Sincontraccioneslaterales:esaquelenelcualelcorteseextiendecompletamenteatravsdelcanalde

llegadaenlafigurab/T=1.

Enla(Tabla1.1)seresumenloscriteriosgeomtricosparalaclasificacindeunvertedorconsiderado

completamentecontrado.Losvertedoresrectangularesdepareddelgadaquenocumplenconestoscriterios,no

sondeancholibre,porloquedebenconsiderarsecomoparcialmentecontrados.

Fig.1.10.Vertedor Rectangular deParedocrestaDelgada.


34

Tabla1.1. DefinicindeunVertedor Rectangular deCrestaParedDelgadatotalmentecontrado.

T b 4h1H1/p 0.5H1/b 0.5

0.23 h1


35

Yefectuandolaintegracines:

h

oyhbgQ

- - = 2

3

)(23

2 m

Yfinalmente:

2

3

23

2hbgQ = m (1.4)

Queeslaecuacingeneralparacalcularelgastoenunvertedorrectangularcuyacargadevelocidadde

llegada es despreciable. En los pases que utilizan el sistema ingls de unidades se acostumbra agrupar los

trminos,enunsolocoeficienteC,detalmanera que:

2

3

hbCQ = (1.5)

Estaecuacinesmssencillaquela(Ec.1.4)sibiennoeshomognea,esdecir,queelcoeficienteC10

tienelasdimensiones

-121

TL yvale:

m m 953.2232

= = gQ (1.6)

10Sotelovila,Gilberto,Op.cit.p.244246.

Fig.1.11.Vertedor Rectangular .


36

A pesar de que las (Ecs. 1.4 y 1.5) valen nicamente en el caso de una velocidad de llegada

despreciable,diferentesautoreshaninvestigadoyobtenidofrmulasexperimentalesparaevaluar,enlascuales

seincluyadichoefectoparapermitirquetalesecuacionesconservensuvalidez.

1.6.4.2. VERTEDOR RECTANGULAR DE PARED DELGADA CON

CONTRACCIONESLATERALES.

Enefecto,cuandoelvertedorrectangularseencuentraalcentrodeuncanal,deanchoBmayorquela

longituddecrestabdelvertedor(Fig.1.12)seproducencontraccioneslateralessemejantesalasdeunorificio.

Enla (Ec.1.4)seutilizalacargatotalg

VohH

2

2

+ = enlugardeh:

2

32

22

3

2

+ =

gVo

hbgQ (1.7a)

Estaecuacinsepuedetambinescribirenlaformasiguiente:

Fig.1.12. Vertedor Rectangular concontr accioneslaterales.


37

2

32

32

2*2

13

2bhg

ghVo

Q

+ = m

2

3

2* bhgk = (1.7b)

Elparntesisenlaecuacinanteriorsepuededesarrollarenformaaproximadacomosigue:

....22

31

21

22

32

+ + =

+

ghVo

hg

Vo

Comoelreaenlaseccin0esAo=B(h+w),resultaque

hwhgBQ

ghVo

22

22

)(22 + =

Adems,

hwhgBQ

ghVo

22

22

32

)(22

31

21

+ + =

+

Porotraparte,dela(Ec.1.7b)setiene:

Q2=k22gb2h3

Quesubstituidaenlaanteriorresulta:

222

22

3222

32

2

31

)(2

2

2

31

21

+

+ =

+ + =

+

whh

Bb

khwhgB

hgbkgh

Vo

Substituyendoenla (Ec.1.7b) resultafinalmente:

2

3222

23

1232

bhwh

hBb

kgQ

+

+ = m (1.8)

Locualdemuestraqueelgastosepuedeseguircalculandoconla(Ec.1.4)siemprequeenelcoeficiente

seincluyanlosefectosdeb/Bydew.


38

1.6.4.3. VERTEDOR RECTANGULAR DE PARED DELGADA SIN

CONTRACCIONESLATERALES.

Cuandoelanchodelcanaldellegadaesigualqueeldelacresta(estoes,queelvertidoseefectasin

contraccioneslaterales)essuficientehacerb=Benla (Ec.1.8) parallegaraconclusionessemejantesenel

usodela (Ec.1.4).

RECOMENDACIONESPARASUFUNCIONAMIENTO:

Adems de respetar los lmites de aplicacin de las frmulas, para obtenermejores resultados en la

medicin de gastos con vertedores rectangulares se recomienda que la cresta del vertedor sea perfectamente

horizontal,conunespesornomayorde2mmenbiselylaalturadesdeel fondodelcanal0.30mw 2h.El

planodelvertedordebesernormalalflujoylacara,aguasarriba,perfectamentevertical,planaylisa.Elvertedor

deberinstalarsealcentrodeuncanalrectoquetengaunalongitudmnimadediezveceslalongituddecrestadel

vertedoryunreade,porlomenos,8bh.Sielvertedortienecontracciones,ladistanciaentrelosextremosdel

vertedoryelcostadodelcanalnodebesermenorque0.30m.

Sinotienecontraccioneslateralesdebehacerseunaventilacineficientedelasuperficieinferiordela

lminavertiente.Encualquiercaso,lacargasobrelacrestasedebemedirenunpuntoa,porlomenos,cuatro

veceslacargamximahaciaaguasarriba.

Enla(Tabla1.2)11 sepresentanlasfrmulasexperimentalesmsconocidasparacalcular m dela

(Ec.1.4)aplicablesavertedoresconcontraccioneslateralesosinellas,quetienenvalideznicamentecuandola

superficieinferiordelalminavertienteseventila correctamente.

11Frmulasexperimentalesmsconocidasparacalcular.


39

NOTA:Paraelpresentetr abajoutilizaremosnicamenteelver tedor r ectangular depareddelgadasin

contraccioneslaterales.

Tabla1.2.Frmulasexper imentalesparadeterminar elcoeficientedegasto m aplicablealaEc.1.4par aver tedoresrectangular escon

contr accioneslater alesosinellas.Enelcasodever tedoressincontraccioneslateraleshagab=B,enlasfrmulas.


40

1.6.5.VERTEDORTRIANGULARDEPAREDDELGADA.

EstevertedorsepuededescribirmejorcomouncorteenVubicadosimtricamenteenunaplaca

delgadaqueesperpendicularalfondoyalosladosdelcanalabierto(Figura1.13).Dentrodeestacategorase

tienendossubdivisiones:

1.Totalmentecontrados.

2.Parcialmentecontrados.

3.Sincontracciones.

Enla(Tabla1.3)12,seespecificanloscriteriosgeomtricosparalaclasificacindeestetipodevertedor

comototaloparcialmentecontrado.

12H.FrenchRichard,Op.cit.p.358.

Fig.1.13.Vertedor Triangular deCrestaDelgada.


41

Tabla1.3.Criter iosdeClasificacindeunVertedor Triangular deCrestaDelgada,comodeflujoparcialototalmentecontr ado.

Vertedor ParcialmenteContr ado Vertedor TotalmenteContr adoh1/p 1.2 h1/p 0.4h1/T 0.4 h1/T 0.2

0.16< h1 2ft 0.16< h1 1.25ftp 0.3ft p 1.5ftT 2ft T 2ft

1.6.5.1. ECUACIONESPARAVERTEDORTRIANGULARDEPAREDDELGADA.

Cuando el vertedor es de seccin triangular (Figura 1.14) simtrica respecto del eje vertical y con

nguloenelvrtice q ,elvalorxdela (Ec.1) es.

2tan qyX =

yla(EcuacindelGasto1.3) es:

dyyyhtangQh

-

= 2

1

0

)(2

22 q

m

Fig.1.14.Vertedor Triangular


42

Lacualsepuedeintegrarporunprocedimientodesubstitucin.Enefecto,haciendoz=hy,entonces

y=hz,dy=dz.Loslmitesdeintegracinseranparay=0,z=hyparay=h,z=0laecuacinanteriorsera

entonces:

02

52

3

0

2

1

5

2

3

2

222)(

222

h

h

zhz

tangdzzhztangQ

-

- = -

=

q m

q m

Tomandolmitesysubstituyendonuevamenteaz,seobtiene:

2

5

22

158

htangQ

= m q (1.9a)

Obien

2

5

ChQ = (1.9b)

DondeC13dependede m q , yg.Con90vemosque:

m m 36.2215

8 = = gC

Enla(Tabla1.4)14 sepresentanlasfrmulasexperimentalesmsconocidasparacalcular m Cdelas

(Ecs.1.9)ysonvlidasparadiferentesngulosenelvrtice.

13SoteloAvila,Gilberto,Op.cit.p.251,252.

14FrmulasExperimentalesparaCalcularC.


43

Tabla 1.4. Frmulas exper imentales para determinar los coeficientes de gasto m o Caplicablesalas(Ecs.1.9ao1.9b)paraver tedorestr iangularescondiferentesngulos qenelvr tice.Brepresentaelanchodelcanaldellegadayweldesnivelentreelvr ticedelver tedor y el fondo de dicho canal. En cualquier caso, las frmulas se expresan en elsistemaMKS.


44

Enla(Figura1.15)elCoeficienteexperimental dependede hy .

Enla (Figura1.16) kesuncoeficientequedependedeB/h 2.75para=45.

Fig.1.15.CoeficientedeGastodeVertedoresTriangularesenlaFrmuladelaUniversidadcatlicadeChile.

Fig.1.16.ValoresdekenlaFrmuladelaUniversidadCatlicadeChile

paraVertedoresTriangular es.


45

Siwespequea,elvertedortriangularpuedefuncionarahogado.Sih1representalacarga,aguasabajo

(Figura1.17)elcoeficientedegastocondescargalibredebermultiplicarseporuncoeficientekindependiente

delnguloq,quevale:

+ + - =

2

111

8

3

211

hh

hh

hh

k (1.10)

RECOMENDACIONESPARASUFUNCIONAMIENTO:

Los vertedores triangulares se recomiendan para el aforo de gastos inferiores a 30lt/seg y cargas

superioresa6cmyhastade60cm.Suprecisinesmejorqueladelrectangular,paragastospequeos,eincluso

paragastoscomprendidosentre40y30lt/seg.Paragastosmayoresesrecomendableelrectangulardebidoaque

eltriangularesmssensibleacualquiercambioenlarugosidaddelaplacay,tambinrequieremayorexactitud

enlamedicindelascargas,pueselgastovaraconlapotencia5/2delamisma.

NOTA: Para el presente tr abajo utilizaremos nicamente el ver tedor tr iangular de pared delgada sin

contraccioneslaterales.

Fig.1.17.DescargaahogadadeunVertedor Triangular .


46

1.6.6.VERTEDORDESIFN.

El sifn es el nico diseo no mecnico capaz de dejar pasar un gasto tan grande como el que un

vertedordecrestalibrepodradescargar.

Elsifnvertedoresunaditamentocuyopapelesdescargaraguayregularelniveldestaenunapresao

enuncanalesunconductocerradodobladoformandodosramasdelongituddesigualypordondepuedeescurrir

aguahaciaunnivelmsbajodespusdepasarporunaelevacinintermedia,debidoaquelapresinatmosfrica

obligaalaguaasubirporlaramamscortadeltubo,mientraselpesodelaguaquesevierteporlaramams

larga causa un escurrimiento continuo. Una idea clara de la accin sifnica se tendr al considerar que el

escurrimientosedebealempujeopresindelairesobrelasuperficiedelaguasuperiorydeningnmodoaljaln

o tirodelaguaenlaramainferioresevidenteentoncesquenoesposible incrementarelescurrimientoenun

sifnaumentandolalongituddelaramainferiormsalldeunlmitesifnicoqueesprecisamenteelempujedel

aire.

Un vertedor de sifn cuando descarga al aire, tendr una completa seguridad en su funcionamiento

cuando la carganopase de unos 6.10 a 6.70m., (de 20a 22 pies), y dicha carga semide delnivel delagua

superior al centro de la boca de salida, y si sta sumergida la carga es la diferencia de niveles entre el agua

superioryelaguainferior.

Enla(Figura1.18)esteldiagramadeunsifnenelqueaparecenlosnombresquegeneralmentese

danasusdiferentespartesyteniendoademssumergidaslaentradaysalida.Lassuperficiesdelaguasuperiore

inferior estn representadas por la lnea puntuada que fue elevada para tener la presin atmosfrica en los

extremosdelsifn15.

15TruebaCoronel,Samuel,Hidrulica,p.121122.


47

Conelobjetodequeunsifnpuedadescargarcontinuamente,esnecesarioqueentodasulongitudse

mantenga abajo del gradiente hidrulico entre los niveles del agua superior e inferior como se aprecia en la

(Figura1.18),dadoquesialgunaseccinestarriba,elaireseacumulayprovocaunapresincontraelaguaala

entrada, que puede llegar aparar el escurrimiento cuando el sifn semantiene abajo del gradiente hidrulico

puede recibirunciertovolumendeaire sinotroefectoquehacerbajarelgradiente, loquepor supuestohace

disminuirelgastoenestecasoelaguatransportaelaireportodoelconductoysaletanprontocomoentra.Sin

embargo, si es admitidoms aire del que el agua puede transportar, el gradiente hidrulico baja tanto que el

escurrimientocesa.

1.6.6.1. ECUACIONESPARAVERTEDORDESIFN.

CadavertedordesifntieneunacapacidadmximadedrenajeQ,dadoporladiferenciadenivelesdel

agua16.Elcualescalculadopor: 2/1)2( ghAQ = m (3)

16ManualdeInstruccinsobreelVertedordeSifnHM160.36delLaboratoriodeIngenieraHidrulicadelaEscuelaSuperiordeIngenierayArquitectura(ESIA)del

InstitutoPolitcnicoNacional.

Fig.1.18.Par tesqueconstituyenalVertedor deSifn.


48

Donde:

=Coeficientededescarga(SifndeHeyn,lograndovaloresde=0.50a0.60).

A=Seccintransversaldelflujodesalidadelsifnenm.

h=Alturadecadadelsifnenm.

g=Aceleracindelagravedad(g=9.81m/s)

Elcoeficientededescargaelcualseaplicaalsifnpuedeserobtenidoexperimentalmentecon

lasiguienteconversin:

(3.1)

1.7. ENERGAESPECFICA.

Enunaseccincualquieradeuncanal,sellamaenergaespecficaalasumadeltirantemslacargade

velocidadenesaseccin.Laenergaespecficaesentonceslasumadelasenergasdepresinycinticaporuna

unidaddepesodelconjuntodepartculasdelfluidoqueformanlaseccinmencionada17,esdecir:

(Ec.4)

Expresinquetambinsepuedeescribirdelasiguienteforma:

(Ec.4.1)

17GardeaVillegas,Humberto,HidrulicadeCanales,p.4750

( )ghAQ2

= m

gV

hE2

2

a + =

2

2

2 AgQ

hE

+ = a


49

Dedonde:

(Ec.4.2)

Ahorabien,casisiempreseomite,debidoaqueparaelflujoturbulentosuvaloresmuycercanoa1en

lamayoradeloscasosyelgradodeprecisinquenormalmentesetieneenlosdemsdatosnojustificatanto

rigor.Enefecto,enflujo turbulentoparacanalesprismticosrectos,varade1.02a1.20aproximadamente.

Esposibleanalizarlaexpresinanteriorsegndospuntosdevista,asaber:

1.ParaungastoconstanteQo,estudiarlarelacinh=f(E)y

2.ParaunaenergaespecficaconstanteEo,estudiarlarelacinh=f(Q).

Elprimerenfoquenospermiteobservarqueparaungastodadoexisten tres tiposde rgimen,quese

denominan:crtico,subcrticoysupercrtico.

Elsegundopuntodevistaesdeutilidadcuandosedeseaestudiarelcomportamientohidrulicodedos

seccionesdeunescurrimientoenquelaenergaespecficaseaconstante(Eo),opuedaconsiderarsecomotalsin

cometererrorapreciable.

Relacinh=f(E)paraunvalor Qoconocido.

El lugargeomtricode la (Ec.4.1)esunacurvacondos asntotasquepuedenprecisarseobservando

dichaexpresin.Enefecto:

SihporlotantoE,laasntotaesunalneade45conlosejesE h.

Sih0porlotantoE,laasntotaeselejeE.

Loanteriorquedaexpresadoenla(Figura1.19).

AV

dAV

m

A

3

3 = a


50

h2

h

h

h

c

1

minE oE

SUBCRTICO

SUPERCRTICO

CRTICO

1hch

h2

h2

h1

g2V1

2

g

2V2c

2V

g

2c

E

Examinadola(Figura1.19)puedenobtenersealgunasconclusionesimportantes.Porejemplo,parauna

energaespecficacualquieraE0,existendostiposdeescurrimiento:Unoconuntiranteh1yunavelocidadV1,y

otroconuntirantemayorh2yunavelocidadmenorV2.Adems,existeenunpuntosingularquecorrespondea

la energa especfica mnima posible y que se caracteriza porque est representada por un solo tirante

(hc,Figura1.19) adiferenciadetodoslosdemscasosenlosqueEEmn.

Sellamaseccincrticaenunescurrimientoasuperficielibreaaquellaenquelaenergaespecficaesla

mnimaposibleparaelgastodedichoescurrimiento.Sielrgimenestestablecido,sedicequeescrticocuando

dicha energa es la mnima posible a lo largo de todo el canal, y con ese nombre se designan todas sus

caractersticashidrulicastirantecrtico(hc),pendientehidrulicacrtica(Sc),velocidadcrtica(Vc),etc.

Sieltiranteesmayorqueelcrtico(h2),elrgimensedenominasubcrticoolento,ycuandoesmenor

(h1),supercrticoorpido.

Fig.1.19.VariacinhEparaQConstante


51

El comportamiento de un escurrimiento est ntimamente relacionado al tipo de rgimen al que est

sometido y por esta razn es importante conocer dicho rgimen. La forma ms sencilla de identificar un

determinadorgimen,escompararloconlascaractersticasquedichorgimentendrasifueracrtica.Esdecir,

unavezdeterminadoeltirantecrticohc,se comparaconeldisponiblehyseconcluyelosiguiente:

h>hc rgimensubcrticoolento.

h=hc rgimencrtico.

h


52

En la cresta de un vertedor tambin se presenta el tirante crtico, lo que puede comprobarse con un

anlisis semejante al anterior u observando que es precisamente en dicha cresta donde se presenta la energa

especficamnima,comosedistingueclaramenteenla(Figura1.21).

C

C

E1 1E2E 3E 4E 5E

6E

E1>E2>E3>E4


53

Eltiranteenunaseccincualquieradelvertedores:

1HHd - = (4.4)

Ahorabien,paralaobtencindelreahidrulicautilizamos:

bdAhid = (4.5)

Donde:

b=Anchodelcanal

Paraelclculodelavelocidad,nosbasamosenlaecuacindecontinuidad:

AVQ = (4.6)

DondedespejamosaV,paraobtener:

AQ

V = (4.7)

CAPTULO2. CANALHIDRODINMICODEPENDIENTEVARIABLE

55

CAPTULO2. CANALHIDRODINMICODEPENDIENTE

VARIABLE.

Fig.2.1 FotoPanormicadelCanalHidrodinmicodePendientevar iable


56

2.1. INTRODUCCIN.

Elcanalhidrodinmicodependientevariableesunaunidadbasequeofreceunrangoampliodeopciones

de experimentacinenrelacinconcanalesabiertos,vertedoresycompuertas,oceanografaeingenieradecostas.

Estedispositivoestadiseadoparalainvestigacinypropsitosacadmicos.

El canal tiene una longitud de 5 metros, sus paredes laterales son transparentes y proporcionan

prcticamente una vista de la seccin completa. Cuenta con un tanque cuya capacidad es de 280 litros y que

funcionacomouncircuitocerradoenel suministrodeagua,ademsdeuna bombacentrfuga,unavlvulade

pasoy undispositivodemedicindeflujo(rotmetro)queestnintegradosdentrodelcircuitodeagua.

Trabajaconunflujocompletoomximode10m3/hr(2.777lts/seg).Pormediodeunmecanismo,se

ajusta la inclinacin del canal desde un+3%hasta un 0.5%, en direccin longitudinal, usando el vstago con

volante,yaseaparaencausarelflujooparasimularungradientenatural.

2.1.1. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DEL CANAL HIDRODINMICO DEPENDIENTEVARIABLE.

Fig.2.2 ElementosqueconformanelCanalHidrodinmicodePendientevar iable


57

Elementos:

1. Canal(5.0m).

2.Depsitodeentradadeflujo.

3.Umbraldesalidadeflujo.

4.Depsitodesalidadeflujo.

5. Tanque.

6.Rotmetro.

7.Vlvuladepaso.

8.Pedestalconsoportefijo,bombacentrfugaypanel decontrol.

9. Tuberadepresin.

10. Vlvuladesalidaconglndulamedidora.

11. Volanteparaajustarlapendiente.

2.1.2.FUNCINDELCANAL.

El tanque (5) almacena alrededor de dos veces ms agua que la capacidad del canal, esto puede ser

operadoalmximoniveldeagua.Labombaesiniciadaporelinterruptorprincipaleneltablerodecontrol(8).El

aguaseimpulsaporlabombacentrfugafueradeltanque(5)atravsdelrotmetro(6)ylatuberadepresin(9)

dentrodeldepsitodeentradadeflujo(2).Elflujopuedeserreguladoporunavlvuladepaso(7).

Fig.2.3 TanqueendondesealmacenaelaguadestiladaqueutilizaelCanalHidrodinmicodePendientevar iable.


58

El agua fluye a travs del canal, en el cual se pueden colocar una variedad de accesorios tales como

vertedores,compuertas,simuladoresdeplayaygeneradoresdeoleaje.

El flujo puede ser regulado por la vlvula de paso (7), y ver en el rotmetro el gasto circulante. Para

impedirqueelaguaseelevealmximonivelde250mm,elsensordelflotadorestinstaladoeneldepsitode

entrada y umbral de salida de flujo, que interrumpe el funcionamiento de la bomba cuando el nivel de agua

especificadoesalcanzadoyasseimpidequesedesbordeelcanal.Elaguafluyeatravsdeldepsitodesalidade

flujo(4),yentraporlatuberapararegresaraltanquedeagua(5)(Figura2.3y2.4).

2.1.3.COMPONENTES.

2.1.3.1 BOMBA.

Labombaesmontadaenelpedestalfijo(8)elcualabsorbeyconducelasfuerzasdebidoalpesofueradel

canalylasvibracionesdelabombadentrodelsubstrato(Figura2.5y2.6).Labomba(8a)esdeltipocentrfuga

conunmotorAC(120VAC,60Hz).Enelladodelatoma,labombaesconectadaaldepsitopormediodeun

tubo recto de 60 mm (5a) el medidor de flujo volumtrico (rotmetro) (6) es alojado dentro del lugar de

distribucin.Enlaoperacinelflujoesajustadopormediodelavlvuladepaso(7).

Impor tante! Para prevenir que el agua del segmento de entrada de flujo salpique, la bomba debe

encenderse siempre que la vlvula de paso este cerrada. Solo entonces podr abrirse la vlvula de paso

cuidadosamente.Losapoyosdelmotordelabombadebenserlubricadosparauntiempomaslargodevidayla

bombaestadiseadaparaqueelaguatengaunadistribucinmedia.

Fig.2.4.Vistadelinter ior delTanque.


59

Elsistemanoesadecuadoparatransportedesedimentos.Elrotmetroylabombaenparticularpueden

dejardefuncionarcomoresultadodeincursindemateriaslida.

Fig.2.5.PedestalconSoportefijo,Bomba,RotmetroyPaneldeControl.

Fig.2.6.Fotografadondesemuestr aelPedestalconSoportefijo,laBomba,RotmetroyPaneldeControl.


60

2.1.3.2. MEDIDORDEGASTO(ROTMETRO).

Elrangomedidoesde0a10m3/hr(2.777lts/seg),comoflujomximo.Laproporcindelflujoactualse

leedelmargen(a)delflotadorenm3/hr(Figura2.7).

2.1.3.3. AJUSTEDELAPENDIENTEDELCANAL.

Elajustedelapendiente(5),radicaenellevantamientodeltuboovstago,fijoaunabasetrapezoidal.El

levantamiento es por medio de una volante (a) haciendo un poco de fuerza y regulando la inclinacin

(Figura2.8). Elvstagoselevanta0.25mmporcadavueltadelvolante.Laplataforma(b)estafijaconunradio

deinclinacinexactasobreelpanelfrontaldebajodelvolante.

Fig.2.7.Dispositivomedidor delGasto(Rotmetro).


61

El ajuste de la pendiente es ejecutada como un deslizamiento del engranaje (c). Para asegurar el

funcionamiento durante periodos largos de tiempo, la base trapezoidal y el segmento deben ser lubricados y

engrasadosunavezporao.

2.1.3.4. DEPSITODEENTRADADEFLUJO.

Por el depsito de entrada de flujo (2) fluye agua en forma tranquila y con bajo grado de turbulencia

dentrodelsegmento(a),dondeelflujo(b)seaceleraencursoplano(Figura2.9). Elniveldeagua,prevalece

portodoelcanal,ylapresinpermanececonstanteenladireccindelflujo.

Fig.2.8.Par tesqueconstituyenlabasetr apezoidalqueledalaInclinacinnecesar iaalCanal.

Fig.2.9.Depsitodeentr adadeFlujo.


62

2.1.3.5. CANAL.

El canal (1) tiene una longitud de 5.0 m y una seccin transversal de 86mm (ancho) y 300 mm de

profundidad.

Lasparedeslateralestransparentesestnhechasdepolicarbonato,ytienecomocaracterstica:resistentea

la abrasin, anticolorante y de fcil limpieza. El piso o base es de acero inoxidable. El canal contiene ocho

glndulas medidoras (a) con orificios roscados. Estas glndulas sirven, primeramente como fijaciones, para

conectardiferentesaccesorioscomovertedoresetc.,ytambincomofijacionesparasensores,quesoninstalados

abajo,dentrodelasglndulasmedidoras.Paraprevenirprdidasdeaguacuandolaoperacinhayaterminado,las

glndulasmedidorassonaccionadascongrifosredondos(Figura2.10y2.11),loscualessonabiertosnicamente

cuandoserequiera.

Fig.2.11. SegmentodelCanalHidrodinmicodePendienteVar iable.

Fig.2.10.GlndulasMedidoras.


63

2.1.3.6. INTERRUPTOR.

Latapadelinterruptorcontienetodosloscomponentesnecesariosparasuoperacin(Figura2.12).Cada

vezpreviaalaoperacindelsistema,sedebernchecarque todoslosinterruptoresestncolocadosen0/Offyque

elinterruptordeemergencianoestpresionado(c).Siestabloqueadoenestacondicin,podrseraflojadopara

retirarelbotn.

Elsistemaesactivadoalgirarelinterruptorprincipal(b)ypresionarelinterruptorI(a).Debeasegurarse

quelavlvuladepasoestcerrada,paraprevenirqueelaguaapresinsalpiqueenelsegmentodelaentradade

flujo.Sloentoncesdeberserabiertalavlvuladepaso.

2.1.3.7. DEPSITODESALIDADEFLUJO.

Eldepsitodesalidadeflujo(4)(Figura2.13y2.14)esthechodeunmaterialresistenteyconduceel

aguaqueemergedelcanal(1)atravsdeunasalidadeflujogenerosamentedimensionada,abriendoeldepsito de

agua(5).

Parasercapazderetenerelflujodelcanal,fueronhechasdosranuras(3),dentrodelascualessepuede

colocarunvertedordepareddelgadadeseccintriangular.

Fig.2.12.PaneldeControl.


64

Impor tante! Silainclinacinenelladodelasalidadeflujoesextrema,haypeligrodederrame!.

Fig.2.13.DepsitodeSalidadeFlujo.

Fig.2.14.VistaPoster ior delDepsitodeSalidadeFlujo.


65

2.1.4.RECOMENDACIONES.

Lleneel tanqueadecapacidadconaguadestiladaelaguapuede llenarsesubsecuentementecomosea

necesario.

Cierrelavlvuladepaso.

Conecteelinterruptorprincipal(120DEVAC/60Hz).

Accionelabomba.

Cheque ambos interruptores del flotador con el movimiento de mano y la bomba debe pararse

(Figura2.16y2.17).

Lentamenteabralavlvuladepasoychequequeenelsistemanoexistanfugas.

Elsistemaahoraestlistoparaoperar.

Fig.2.15.CanalhidrodinmicodependienteVariable.

Fig.2.16.Vistasuper ior delDepsitodeentr ada,dondesemuestr aelsensor flotador .


66

2.1.5.ENCENDIDOYAPAGADODELSISTEMA.

Enseguidasedescribentodoslospasosnecesariosparaunaoperacinseguraylibredefallasdelcanal.

2.1.5.1. ENCENDIDO.

Asegurequetodoslosinterruptoresdelpaneldecontrolestnenposicinde0OFF(apagado).

Asegurequelavlvuladepaso(7)estcerrada.

Cierretodaslasvlvulasdedesage(10)delasglndulasmedidorasenelpisodelcanal.

Cuandoelsistemaestpropiamenteinstaladoeltanquepuedeserllenadoconaguadestilada.

Fig.2.17.Vistasuper ior delDepsitodeSalida,dondesemuestr aelsensor flotador .


67

Impor tante!Elmximoniveldellenadodebeseraproximadamente10cm.abajodelbordedelcanal.

Coloqueeldispositivodeajustedeinclinacin(11)alapendientedeseada.

Accionelabomba.

Lentamenteabralavlvuladepaso(7)ycoloqueelgastodeseado.

2.1.5.2. APAGADO.

Apaguelabombaycoloqueelinterruptorprincipalenapagado(Off).

Reduzcalainclinacincolocandoa 1/40.

Abralavlvuladepaso(7).Elaguafluyeapresinatravsdelatuberatraseradentrodeldepsitodeagua.

2.1.6.CIERRE.

ApaguelabombaycoloqueelinterruptorprincipalenOff.

Reduzcalainclinacincolocandoen1/40.

Abralavlvuladepaso(7).Elaguafluyeatravsdelatuberatraseradentrodeldepsitodeagua.

Asegureeldesageconectandountuboalaconexindeacuerdoconlavlvuladedrenajedeldepsitode

agua(5).

Abralavlvuladedesagedeldepositodeagua,yeldepsitoserdrenado.

2.1.7.CUIDADOYMANTENIMIENTO.

La siguiente informacin nos proporciona algunos consejos del cuidado ymantenimiento del canal. Siguiendo

estosconsejoshabilitaremoselsistemaaoperarcorrectamenteylibredefallaspormuchosaos:

Lubriqueelejetrapezoidalyelapoyodeslizantedeldispositivo,unavezalaoconunequipodeengrasado.

Siempremantengacubiertoeldepsitodeagua,puessi noseacelerarelcrecimientodelmoho.

Limpielasparedescondetergentelimpiadorparaplstico.Limpieelmohotanprontocomoesteaparezca.

Limpietodaslaspartesconundetergentelimpiadorparaplstico.

Nouseenlalimpiezalquidosabrasivos.


68

2.1.8. SEGURIDAD.

Peligro!Tengacuidadoconelequipoelctricocuandoabraelpaneldecontrol.

Peligro! Dechoqueelctrico.Lasreparacionesdebenrealizarseporpersonalcapacitado.Protejalacabina

delinterruptorcontraincursionesdeagua.

Peligro! Nunca ajuste la inclinacin ms all de un rango especfico. Uno de los soportes puede

resbalarseporelpeso.

Impor tante!Mantengaelsistemaenunaposicinlibredehumedad.

Impor tante!Lleneeltanquealomximo,10cm pordebajodelbordepuedehaberriesgodederrame!

Impor tante!Tengacuidadocuandoesttrabajandoenelreadeoperacindelcanal,especialmentecon

herramientaspesadas.Elplexiglasspodraromperse(paredesdelcanal).

Impor tante!Chequelostanques,labombaylaslneasdeconduccinporsihubiese fugas.Lasfugas

podrancrearquegrandescantidadesdeaguapuedanescaparsedesapercibidamente.

Impor tante! Nunca ponga en funcionamiento el sistema sin supervisarse, los operadores deben ser

instruidosenlascaractersticastcnicasdelsistema,especialmenteenlascaractersticasdeseguridad.

Impor tante! Nunca ponga en funcionamiento el sistema con sedimentos, la bomba centrfuga y el

medidordeflujo(rotmetro)podraserdestruido.

Impor tante! Asegrese que no haya pequeos objetos, as como tornillos, tubos, etc, que pueden

introducirseeneldepsitodeagua.Losobjetospodranintroducirseenlabombacentrfugaypodraserdestruida.

Sloaccionelabombaconlavlvuladepaso cerrada,lapresinpuedecausarqueelaguadeldepsitodeentrada

deflujosalpiqueysalgadelcanal.


69

2.1.9.DATOSTCNICOS.

Tabla2.1.DatosTcnicos:

Dimensionespr incipales:

Largo 6800mmProfundidad 660mmAltura 1600mmRangodemedida 5000mm

Seccindecrucedeflujo:Ancho 86mmProfundidad 300mmNivelmximodellenado 250mmPeso 650kg

Depsitodeagua:

Capacidad 280 lts

Medidor deflujo:

Tipo Medidordeflujodereavariable(rotmetro)ValordeflujoMximo 10m3/hr(2.777lts/seg)Rangodemedida 0100%

Ajustador delainclinacin:

AparatodelevantamientotipoejeLevantamientomximodepeso 50kN(5102.04Kg.Fza)Levantamientoporrevolucin 0.25mm

Bombacentr fuga:

Alturamximadelcaudal 12.5mValormximodelcaudal 24m3/hr(6.664lts/seg)Voltaje 120VACFrecuencia 60Hz.Salidadepoder 0.75KW.Rapidezrotacional 2850RPM


70

2.2VERTEDORES.

Elcanalhidrodinmicodependientevariablecuentacondiferentesdispositivosvertedores(Figura2.18),

los cuales sirven para demostrar los diferentes fenmenos que se producen en los procesos hidrulicos.Dichos

vertedoresson:

Vertedordecrestaanchaconbordeafiladoyredondeado.Vertedordecimaciocondisipadores(Rpida,Delantal,SaltodeEsqu).Vertedorrectangulardepareddelgadasincontraccioneslaterales.Vertedordesifn.Vertedortriangular.Vertedorcontaludes.Vertedordecrestasumergida.Vertedorconmanmetros.

Fig.2.18.Fotografaen laquesemuestr aladiversagamademodelosver tedoresconlosquesepuedenhacer ensayosenel

CanalhidrodinmicodependienteVar iable.


71

2.2.1 VERTEDORDECIMACIO.

Elvertedordecimacio(Figura2.19)sirveparademostrarprocesoshidrulicosenrelacinalpasodel

flujoporencimadelmismo.Ascomoreproducirexperimentosdemaneracualitativaycuantitativadeprototipos

quepuedansermodelados.

Elvertedorposee3aditamentosdiferentesconocidoscomodisipadores(Figura2.20,2.21y2.22).Los

siguientestemaspuedensercubiertosconlaunidad:

Procesodeentradaysalidadelflujo.

Medicindelflujosobreelvertedordecimacio.

Lmiteentrelosestadossubcrticoysupercrticodelflujo.

Fig.2.19.Vertedor deCimacioconDisipadores.


72

Fig.2.20.Vertedor decimacioconrpida.

Fig.2.21.Vertedor decimaciocondisipador dedelantal.

Fig.2.22.Vertedor decimaciocondisipador deSaltodeEsqu.


73

2.2.1.1. DESCRIPCIN.

Los accesorios del vertedor estn hechos de un plstico resistente y que pueden ser insertados muy

fcilmenteenelcanalparamltiplespropsitosdeenseanza,estosaccesoriossepuedefijarporuntornillo.Los

ladosdelcanalsepuedensellarconmanguerasselladoras,lascualessoninsertadasenlasestrasdelvertedor.

2.2.1.2. COMPONENTES.

Elvertedorcomprendelossiguientescomponentes(Figura2.23):

Cuerpodelvertedor.

Tornillohexagonal.

Manguerasdeplsticoparasellado.

Disipadorparaunarpida.

Disipadordedelantal.

Disipadordesaltodeesqu.

Fig.2.23.Vertedor deCimacioconDisipador deSaltodeEsqu,Disipador pararpidayDisipador dedelantal.


74

2.2.1.3. DATOSTCNICOS.



Largo 165mmProfundidad 152mmAncho 84mm

Material:

P.V.C.

Disipador deDelantal:

Largo 225mmProfundidad 28mmAncho 84mmDelantal 60*8mm

Disipador deSaltodeEsqu:

Largo 225mmProfundidad 28mmAncho 84mmSaltodeEsqu 60*19mm

Disipador (Rpida):

Largo(ParteSuperior) 187mmLargo(ParteInferior) 165mmProfundidad 28mmAncho 84mmngulodeCada 52


75

2.2.2.VERTEDORDECRESTAANCHACONBORDEAFILADOYREDONDEADO.

El vertedordecrestaancha (Figura2.24) sirveparademostrarprocesoshidrulicosenvertedoresde

cortinas en relacin al paso del flujo por encima del mismo. As como reproducir experimentos de manera

cualitativaycuantitativadeprototiposquepuedansermodelados.

Elvertedorposeeunfilocuadradodeunladoyunfiloredondoenelotro.

Lossiguientestemaspuedensercubiertosconlaunidad:

Procesodeentradaysalidadel flujo.

Medicindelflujosobreelvertedordecrestaancha.

Lmiteentrelosestadossubcrticoysupercrticodelflujo.

Fig.2.24.ModeloVertedor deCrestaAncha.


76


La unidad esta fabricada con plstico robusto que puede ser insertado muy fcilmente en el canal,

empotradopormediodetornillos.Elvertedorestaadaptadoalcanalentrminosdeformaytamao.

2.2.2.2.COMPONENTES.

Elvertedorestacompuestodelossiguientescomponentes(Figura2.25).

Cuerpodelvertedorconelfiloredondoyelfilocuadrado.

Tornillodecabezahexagonal.

Manguerasselladoras.

Fig.2.25.ModeloVertedor deCrestaAnchaysusdiferentesComponentes.


77





Mater ial:

P.V.C.

Radiodelfiloredondeado:

40mm

Orificioparafijacin:

1


78

2.2.3.VERTEDORDEPAREDDELGADASINCONTRACCIONESLATERALES.

Elaccesoriodevertedor(Figura2.26)seusaparademostrarelprocesohidrulicoenlainstalacindelas

presasyrepresasenconexincondesbordamientos(desbordamientoscompletos),perotambinpuedenserusados

paraobservarlosprocesosqueocurrenenlosdesbordamientosaguasabajo(desbordamientosincompletos).Los

experimentosreproduciblesdeunanaturalezacualitativaycuantitativapuedenserrepresentados.

Elvertedorconsisteenun panelconbordeafiladoconventilacininterna.Laventilacininternaest

provistadetubosdemetal,quepuedencerrarseenordenparademostrarunadescarganoventilada.

Fig.2.26.Vertedor deParedDelgadasinContr accionesLater ales.


79

Lossiguientestemasquepuedensercubiertosconelaccesorioson:

Procesodesalidadelflujoenladescargaventiladaynoventilada.

Medicindelacantidaddeflujo.


Elvertedorestdiseadoparalainstalacinenelcanalhidrodinmicodependientevariable.

Esunelementoventiladoconunbordehorizontal.Laventilacinesprovistademanguerasselladoras.

Lostaponespuedenserusadosparacerrarlostubosyoperareldispositivocomounvertedornoventilado.


Fig.2.27. ComponentesdelVertedor deParedDelgadasinContr accionesLater ales.


80


Paneldelapresaconbordeafilado.

Base.

Tubosdeventilacin.

Manguerasselladorasparaoperacinnoventilada.

Tornilloshexagonalesymanguerasselladoras.





DistanciaentrelaBaseylaCrestadelVer tedor :

175mm

ngulodelacrestadelver tedor :

45


81

2.2.4.VERTEDORDESIFN.

Conestedispositivo(Figura2.28)puedeninvestigarseprocesoshidrulicosenelsifndeHeyn,tambin

puedenhacerseobservacionesprecisasdelfenmenodedescargaqueocurrenalfinaldelsifn.Unavlvulade

ventilacinseajustaa lacimadel sifnypermitehacerunacomparacinprecisaentre laaccindel sifny la

descarganormal del vertedor.Adems, pueden determinarsemedidas cuantitativas de la capacidad de flujo del

sifnydeterminarsucoeficiente dedescarga.

Elmaterialplexiglassgarantizaunavistamuybuenadetodoslosprocesosdeflujo.

Elvertedordesifnpuedemontarseydesmontarsemuyfcilmente.

Lossiguientesaspectospuedensercubiertosporelvertedordesifnencombinacinconelcanal:

Formadeoperacindelvertedordesifn.

Descargayvelocidaddeflujoenunvertedordesifn.

Fig.2.28.Vertedor deSifn.


82

Flujosentuberas.

Procesodecavitacinenladescargadeunvertedordesifn.


Elvertedordesifneselmodelo devertedordeHeynytieneunafacilidaddeventilacinenlacima.


Elmodeloincluyelaspartesindividualessiguientes(Figura2.29):

Vertedordesifntransparentehechodeplexiglassconvlvuladeventilacin.

Tornillosdecabezahexagonal.

ManguerasSelladoras.

Fig.2.29.ComponentesdelVer tedor deSifn.


83

2.2.4.3DATOSTCNICOS.



Largo 320mmProfundidad 240mmAncho 84 mm

Mater ial:

Plexiglass

SeccinTransver saldelaSalidadelSifn:

Largo 72mmProfundidad 35mm

CabezaoAlturadeSuccindelSifn:

150mm

Fig.2.30. FormayDimensionesdelVertedor deSifn.


84

2.2.5.VERTEDORTRIANGULARDEPAREDDELGADASINCONTRACCIONES

LATERALES.

Este vertedor est diseado para demostrar las condiciones hidrulicas de funcionamiento. Se puede

describirmejorcomouncorteenVubicadosimtricamenteenunaplacadelgadaqueesperpendicularalfondo

yalosladosdelcanal (Figura2.30).

Lossiguientestemaspuedendesarrollarseconelvertedor:

Procesodesalidadeflujosobreunvertedor.

Comparacinconotrosvertedoresconrespectoalgasto.

Fig.2.30.Vertedor Triangular deParedDelgadaSinContr accionesLater ales.


85

2.2.5.1DESCRIPCIN.

Elvertedortriangularesthechodeunplsticoresistenteyademspuedeserinsertadomuyfcilmente

enelcanalHidrodinmicodePendientevariable,yaquesoloseintroduceenranuraspropiasparasuinstalacin.

Losladosdelcanalsesellanautomticamenteconlaintroduccindelvertedor.


Elvertedorcomprendesolodeunapieza (Figura2.31):

Cuerpodelvertedor.

Fig.2.31.Vertedor Triangular deParedDelgadaSinContr accionesLater ales.


86





Mater ial:

P.V.C.

ngulo:

60


87

2.2.6.VERTEDORDECRESTAANCHACONTALUDES.

Estevertedorestdiseadoparademostrarlascondicioneshidrulicasdefuncionamiento,yaseaahogado

oparcialmenteahogado (Figura2.32).Dependiendodelavelocidaddelflujo,pudiendocrearseflujosupercrtico,

subcrticoysaltohidrulico,quepuedenserobservadoseinvestigados.

Lossiguientestemaspuedendesarrollarseconelvertedor:

Procesodesalidadeflujosobreunvertedor.

Flujosubcrticoysupercrtico.

Fig.2.32.Vertedor deCrestaAnchaParaCrear unaRpida


88

2.2.6.1DESCRIPCIN.

Los accesorios del vertedor estn hechos de un plstico resistente y que pueden ser insertados muy

fcilmenteenelcanalparamltiplespropsitosdeenseanza,elcualsepuedefijarporuntornillo.Losladosdel

canalsepuedensellarconmanguerasselladoras,lascualessoninsertadasenlasestrasdelvertedor.



Cuerpodelvertedor,conunfiloocrestaquepresentataludes2:3aguasarribay2:9aguasabajo.

Tornillo hexagonal.

Tubodeplsticoparasellado.

Fig.2.33.Vertedor deCrestaAnchaParacrear unaRpida


89





Mater ial:

P.V.C.

Taludes:

2:3 Aguasarriba2:9 Aguasabajo

CAPTULO3. ENSAYOSENLOSVERTEDORES

91

CAPTULO3. ENSAYOSENLOSVERTEDORES.

Enestecaptulodescribimoscadaunodelosprocedimientosaseguirparalarealizacindelosensayosen

losvertedoressiguientes(Figura3.1):

Vertedordecimaciocondisipadores:

Dedelantal.

Derpida.

Desaltodeesqu.

Vertedordecrestaancha:

Conbordeafiladoenladireccindelflujo.

Conborderedondeadoenladireccindelflujo.

Vertedordepareddelgadasincontraccioneslaterales:

Conventilacin.

Sinventilacin.

Vertedordesifn:

Conventilacin.

Sinventilacin.

Vertedortriangulardepareddelgadasincontraccioneslaterales.

Vertedordecrestaanchacontaludes.


92

Fig.3.1.FotografasdelosVertedoresautilizar enlosEnsayosconelCanalHidrodinmicodePendientevar iable


93

3.1. VERTEDORDECIMACIO.

3.1.1.CONDISIPADORDEDELANTAL.

1. Inicialmente nos cercioramos que el Canal Hidrodinmico de Pendiente Variable estuviera limpio y no

tuvieraobjetosquepudieranperjudicarloalmomentodetrabajarenl.

2. Conectamoslabombaalaextensinparaproporcionarcorrientealsistema.

3.SenivelelCanalaunapendientede0%.

4.Eneltablerodecontrol,observamosquelosinterruptoresestuvieranenposicin0/Offyqueelinterruptorde

emergencianoestuvierapresionado.

5. Cerramoslavlvuladepaso (Figura3.2).

6.Despuscolocamoseldisipadorcorrespondiente(Delantal),alvertedordecimacio.

7. Posteriormente se introdujo al Canal Hidrodinmico de Pendiente Variable en la posicin correcta a la

direccindelflujo.

Fig.3.2.VlvuladePaso.


94

8.Inmediatamentesecoloceltornilloenelorificiodelvertedor,paradespusfijarloalabasedelcanalconla

llaveallenhastaasegurarnosquenoexistieraningntipodedesplazamientoporpartedelvertedor(Figura3.3).

9. Colocamoslasmanguerasselladoras alosladosdelvertedorparaeliminarfugasdeagua.

10.Realizadoeso,proseguimosacolocarelLimnmetrosobrelosbordesdelCanalparadespuscalibrarlodela

siguientemanera(Figura3.4):

a) Colocamos la punta del Limnmetro sobre la cresta del vertedor, girando los tornillosA y B para

permitireldeslizamientodelavarilla.

b)Unavez fija lapuntasobre lacrestadelvertedor,ajustamoselvernierconlareglagraduada,de tal

formaqueambascoincidanencero.

c)GiramoseltornilloBparafijarelvernieralavarilladeslizableevitandoaselmovimiento,yeltornillo

AparaFijarlavarilladeslizabledelLimnmetro.

d)AlejamoselLimnmetroaproximadamente4vecesHaguasarribadelvertedor.

Fig.3.3.FijacindelTornilloconlallaveAllen.


95

11.Accionamoselinterruptor,afindeencenderlabomba,permitiendoaselflujodelaguaatravsdelmedidor

delgasto.

12.Giramos la vlvula de paso para permitir el flujo del agua a travs de la tubera, al depsito de entrada y

posteriormentealcanal.

13.Unavezabiertalavlvuladepaso,seajustelgasto,estoselogrcuandolapartesuperiordelconometlico

coincidiconlareglagraduada.

14.LacargahidrulicaHsemidicolocandolapuntadelLimnmetrosobreelniveldeagua,fijandoeltornillo

Ademaneraqueno tuvieramovimiento yposteriormentesegirel tornilloCpararectificar laposicinde la

punta (Figura3.5).

15. Esteprocedimientoserealizcondiferentesgastos,desdeelmximohastaelmnimo.

Var illaDeslizable.

TornilloA.

TornilloC.

Reglagr aduada.

Vernier .

TornilloB.

Base.

Punta.

Fig.3.4.ComponentesdelLimnmetro.


96

Acontinuacinpresentamoslosdatosobtenidosdelosensayosrealizados:

TABLA3.1.

ENSAYO Q(m3/hr) Q(m3/s) Le(m) H(mm) H(m)

1 10.00 0.002778 0.084 59.20 0.0592

2 9.00 0.002500 0.084 55.20 0.0552

3 8.00 0.002222 0.084 51.60 0.0516

4 7.00 0.001944 0.084 47.40 0.0474

5 6.00 0.001667 0.084 43.30 0.0433

6 5.00 0.001389 0.084 38.70 0.0387

7 4.00 0.001111 0.084 33.10 0.0331

8 3.00 0.000833 0.084 28.70 0.0287

9 2.00 0.000556 0.084 22.60 0.0226

10 1.00 0.000278 0.084 15.30 0.0153

Fig.3.5.RealizacindelEnsayoconelVertedor deCimacio(Disipador deDelantal).


97

3.1.2.CONRPIDA.

1.InicialmentenoscercioramosqueelCanalHidrodinmicodePendienteVariableestuvieralimpioynotuviera

objetosquepudieranperjudicarloalmomentodetrabajarenl.

2. Conectamoslabombaalaextensinparaproporcionarcorrientealsistema.

3.SenivelelCanalaunapendientede0%.

4.Eneltablerodecontrol,observamosquelosinterruptoresestuvieranenposicin0/Offyqueelinterruptorde

emergencianoest

Documents

Coeficientes de Gasto de Vertedores en El Canal Hidrodinamico de Pendiente Variable1111