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Estructuras de disipación de
energía en redes de drenaje
urbano
Curso On Line sobre Diseño e Instalación de Tuberías para el transporte de agua
1 Introducción
La velocidad del agua en los colectores debe estar limitada para evitar
daños en los elementos de la red. Esto implica una limitación de sus
pendientes máximas
No obstante, las redes de drenaje replican la red de escorrentía natural y es
frecuente que un colector deba tener una pendiente general mayor a la que
le correspondería de acuerdo con la limitación de velocidad
En consecuencia, se requieren estructuras de caída, donde se disipe la
energía potencial debida al desnivel
La limitación de pendiente en los colectores implica la necesidad de
estructuras de disipación
2 Tipos de disipadores
Disipadores por expansión brusca
Disipadores de impacto
Resalto hidráulico
Disipadores por contracorriente
Disipación por macrorugosidad
Disipación mediante vórtice
3 Características de las estructuras de disipación de energía en colectores
Garantizar la descarga del caudal de diseño y la disipación de energía
Facilidad constructiva
Facilidad en las operaciones de mantenimiento y limpieza
Evitar el estancamiento del flujo y la sedimentación de materiales
Facilitar un flujo continuo, tranquilo y homogéneo aguas abajo
Evitar la retención de objetos ajenos al flujo de agua
Permitir una correcta aireación
A continuación se describen los siguientes tipos de disipador, por su
idoneidad para su uso en colectores:
Pozo con caída y flujo contracorriente
Pozos tipo vórtice
Disipadores de rejilla
Rampas dentadas
Bajadas escalonadas
Pozos con bandejas
4. Pozos con caída libre y flujo contracorriente
Diseño simple
Para colectores de tamaño pequeño y
mediano.
Para desniveles de hasta 8 m.
Un conducto baja verticalmente y comunica
con la parte inferior del pozo.
Los caudales pequeños bajan por el
conducto vertical.
• Para caudales elevados, la mayor parte del
flujo alcanza el pozo principal y al caer
choca contra el colchón de agua generado
por el caudal que baja por el pozo. Con este
choque se disipa buena parte la energía de
ambos flujos.
5. Pozos tipo vórtice
Generan un flujo en vórtice controlado.
Elementos:
1 Canal de llegada
2 Orificio de entrada de aire
3 Cámara de entrada
4 Tubería de recirculación de aire
5 Bajante vertical
6 Acceso a la estructura
7 Cámara de recepción y desaireación
8 Canal de salida
5. Pozos tipo vórtice. Cámara de entrada
En ella se transforma el flujo laminar que se aproxima al disipador en un flujo
rotacional. Su forma determina la tipología del pozo.
Puede ser
(a) Circular
(b) De tornillo
(c) De espiral
(d) Tangencial
(e) De sifón
5. Pozos tipo vórtice. Bajante
Son generalmente verticales, lisas y de diámetro constante. El flujo desciende
pegado a las paredes internas, generando un chorro hueco con un núcleo central
de aire. La disipación de energía se produce por rozamiento con las paredes.
Redirecciona el torbellino de agua hacia el canal de salida. En él se elimina el aire
que llega mezclado con el agua. Se produce la disipación de una porción pequeña
de la energía (aproximadamente el 15%).
5. Pozos tipo vórtice. Cámara de recepción y desaireación
Ventajas:
Permiten salvar grandes desniveles
Poca ocupación en planta
Fomentan la ventilación natural de la red
No presenta riesgos de cavitación ni vibraciones
Se puede utilizar para caudales elevados
Inconvenientes:
Dificultad constructiva
5. Pozos tipo vórtice (Procedimiento constructivo)
5. Pozos tipo vórtice (Procedimiento constructivo)
5. Pozos tipo vórtice (Procedimiento constructivo)
5. Pozos tipo vórtice (Procedimiento constructivo)
5. Pozos tipo vórtice (Procedimiento constructivo)
5. Pozos tipo vórtice. Diseño
Para el dimensionamiento se debe cumplir lo siguiente: S/D≅4 1≤B/D≤1.2 T/D≅2
5. Pozos tipo vórtice. Diseño de la cámara de recepción
Protección del suelo del cuenco amortiguador mediante la generación de un colchón de agua (bloques, canaleta de salida o vertedero).
5. Pozos tipo vórtice. Diseño de la cámara de recepcíon
6. Disipadores de rejilla Tipificados por el USBR.
Indicados para saltos pequeños.
Para 2.5≤F≤4.5 en el pie de rampa
virtual
Caída vertical. El agua se “filetea”
al caer entre unas vigas.
La disipación se produce por el
rozamiento con la gran superficie
de contacto (vigas) y por los
remolinos generados en la parte
inferior de la estructura (colchón
de agua).
Evitan el problema de la generación de turbulencias aguas abajo.
Autolimpiables (vigas inclinadas al menos 3º (5%))
6. Disipadores de rejilla. Ventajas
6. Disipadores de rejilla. Diseño
Consiste en una rampa
con bloques de hormigón
en la solera.
La disipación de energía
se produce por el
incremento del recorrido
del agua, los cambios de
dirección y los impactos.
7. Rampas dentadas
Condicionantes: El caudal de diseño es el máximo de descarga.
Está condicionado por las siguientes limitaciones:
Caída de pendiente entre el 25% y el 50%.
Descargas de hasta 5.5 m3/s por metro de ancho.
Velocidad de aproximación baja, inferior a vcrit
Ventajas: Evita aceleración excesiva del agua y velocidad de salida adecuada.
No necesita cuenco amortiguador por lo que es adecuado cuando la cota de
agua aguas abajo es variable.
Los bloques deben ser ortogonales a la solera
La altura del bloque (H) debe ser aproximadamente igual a
0,8 veces el calado crítico.
La anchura de los boques y el espacio libre entre ellos
debe ser aproximadamente 1,5H.
La colocación de los bloques debe realizarse al tres
bolillo.
La distancia entre filas de bloque debe ser de
aproximadamente 2H.
7. Rampas dentadas. Diseño
Consiste en la formación de escalones a lo largo de una pendiente,
equivalentes a una serie de cascadas.
El tipo de flujo varía dependiendo del caudal circulante:
1 Flujo saltante: El flujo avanza como en una sucesión de pequeñas
cascadas (pequeño caudal, q≤1m³/s/m)
2 Flujo rasante: Capa uniforme que se desplaza. Debajo de ella se
desarrollan remolinos, que posibilitan disipación energía (caudal
elevado).
1 2
8. Bajantes escalonadas
8. Bajantes escalonadas
Su rango de operación parte desde 1 metro desnivel y no tiene límite de
altura.
Pendiente máxima 67º
Disipación máxima de energía para flujo saltante.
Para caudales superiores a 1 m3/s/m se recomienda diseñar para flujo
rasante y comprobar si es necesario construir una estructura
complementaria de disipación al final de la bajante.
Cuando la pendiente de la bajante es mucho mayor que la pendiente del
terreno, puede no ser recomendable su uso por los elevados costes de
excavación que supone.
8. Bajantes escalonadas. Criterios de diseño
Se trata de una cámara dividida en dos
zonas.
Zona con láminas escalonadas.
Zona con conducto para
mantenimiento y aireación
(importante para Q elevados).
Las láminas conforman una serie de caídas libres en forma de cascada.
Ha sido muy ensayado para su implantación en redes de saneamiento por su
sencillez constructiva.
Hasta la fecha no se han obtenido resultados muy alentadores en cuanto a su
eficiencia hidráulica.
9. Pozos con bandejas
Los disipadores en redes de saneamiento son estructuras que salvan un cierto
desnivel entre dos tramos de colector que tienen pendientes inferiores a las del
terreno.
Para escoger el tipo de disipador más adecuado, se deben evaluar los
siguientes factores:
Factores hidráulicos: Caudal de diseño de la estructura, desnivel y flujo de
entrada.
Factores económicos: Costes de construcción, área afectada y elementos
complementarios.
Factores constructivos: Complejidad constructiva y equipos necesarios.
10. Conclusiones
En cuanto a los factores hidráulicos se tiene:
Caudales:
Para pequeños caudales, de hasta 10 m3/s, los pozos de caída y flujo
contracorriente ofrecen un diseño sencillo y un buen funcionamiento.
Para grandes caudales lo más adecuado son los pozos tipo vórtice (se
asemejan a un aliviadero morning-glory).
En cuanto a las bajantes escalonadas, rampas dentadas y disipadores de
rejilla, el caudal de diseño influye en las dimensiones de la estructura y
debe evaluarse su viabilidad. Las bajantes escalonadas requieren alturas
importantes de escalón para caudales superiores a 1 m3/s/m. Para las
rampas dentadas se pueden considerar descargas hasta de 5.5 m3/s/m.
Desnivel:
Para desniveles pequeños son aconsejables los pozos en caída libre y los
disipadores de rejilla
Las bajantes escalonadas y las rampas dentadas funcionan para cualquier
desnivel, siempre y cuando la pendiente de la cámara no exceda los 67º o
los 27 º, respectivamente.
Los pozos tipo vórtice funcionan para cualquier desnivel (Se han
construido pozos de hasta 190 metros de altura).
Flujo de entrada:
Para el correcto funcionamiento de las rampas dentadas, es necesario que
el régimen de aproximación sea lento.
En el disipador de rejilla, velocidades altas de llegada implican longitud de
barras elevada
Los pozos en caída libre, los pozos tipo vórtice y las bajantes escalonadas
funcionan tanto para flujo subcrítico, como supercrítico. No obstante, se
recomienda que el flujo a la entrada sea subcrítico para tener un punto de
control en la entrada.
Pozos en bandejas:
Debe prevenirse sobre el uso de esta estructura, ya que hasta la fecha los
ensayos realizados no han sido muy alentadores. Puede presentar riesgo
de cavitación y de entrampamiento de aire.
