CAPTULO 3

3. EXPERIMETACIN DENTRO DE LA INVESTIGACIN3.1 Instalaciones para la InvestigacinLa investigacin se ha llevado a cabo en las instalaciones de la Divisin didctica del Laboratorio Nacional de Hidrulica, ubicado en la Universidad Nacional de Ingeniera en la ciudad de Lima, Per. La Divisin Didctica ocupa un rea de 992.11 m2.

Fotografa 2. Instalaciones del Laboratorio Nacional de Hidrulica- Universidad Nacional de Ingeniera. Divisin Didctica.

3.2 Trabajos preliminares, Materiales, Equipos y procedimiento3.2.1 Trabajos de acondicionamiento para la experimentacinLas pruebas para la experimentacin se realizaron entre los meses de julio a diciembre del 2014. Durante el primer mes se hicieron trabajos de acondicionamiento y calibracin del canal, se acondicion el canal existente en el Laboratorio Nacional de Hidrulica para realizar el presente trabajo de investigacin. Estos trabajos consistieron en retiro de vidrios laterales en su reemplazo se construyeron muros laterales con ladrillos en el canal artificial en cada vano con vidrios sobre su parte superior para permitir la correcta visualizacin, construccin de murete para la poza de desarenador, limpieza de la poza de succin principal del laboratorio, lijado y pintado del canal del modelo hidrulico, remisin y colocacin de material granular en el canal. Durante esta etapa se confeccion el disco poroso, se diseo un visor con espejo para realizar las mediciones directas de la socavacin.

Fotografa 3. Construccin de muros de ladrillos laterales en el canal como parte del acondicionamiento para la experimentacin.

Fotografa 4. Remocin y colocacin de la cama de arena. 77

Figura 27: Vista en planta del sistema de recirculacin utilizado en el experimento.

3.2.2 Componentes del sistema3.2.2.1 Pozas de succinEst ubicada a una cota de nivel de fondo de 12.50 m. y tiene un rea de 50 m2. A esta poza llega el agua que pasa por el desarenador ubicado antes del punto de descarga a la poza. Sobre la poza de succin se encuentran las bombas electromecnicas empleadas.3.2.2.2 ReservorioEl reservorio recibe el agua desde la poza de succin por medio de la bomba electromecnica, a travs de una tubera de 406 m.m. (16). El reservorio cuenta con tuberas de salida y vlvulas de control para distribuir a otros puntos que requieran abastecimiento de agua dentro del Laboratorio.

Fotografa 5. Reservorio elevado empleado para abastecer el sistema.3.2.2.3 Canal ArtificialEl canal empleado ha sido acondicionado para la experimentacin y las pruebas realizadas. El mismo se encuentra dentro del rea de la Divisin Didctica del Laboratorio Nacional de Hidrulica. El canal tiene una longitud de 15.25 m. y un ancho de 1.90 m. El canal cuenta con una compuerta tipo radial en su tercio medio y una compuerta de regulacin con polea sobre la parte final del canal. Las paredes del canal son de albailera, y lateralmente cuenta con vidrios colocados en la parte superior de los muros para facilitar la visibilidad.Contiguo a la compuerta ubicada en el segundo tercio se coloc una estructura de acero compuesto por mallas para regular la uniformidad del flujo; este proceso fue revisado durante el primer mes de calibracin, con las pruebas efectuadas para validar las condiciones buscadas con nuestra experimentacin.

Fotografa 6. Canal artificial empleado en la experimentacin.

3.2.2.4 Poza del vertedero- Vertedero rectangular-Poza de descarga inicialLa poza se encuentra ubicada inmediatamente despus de la poza de ingreso N 2. El vertedero rectangular es del tipo pared delgada con 1 cm. de espesor, una longitud de 1.497 m. y una altura de 0.48 m. el borde de la cresta en la pared delgada tiene un ngulo de 53, la poza est provista de un Limnmetro Neyrpic, Grenoble-France; con nmero de serie 787, dispuesto lateralmente para controlar los caudales que se emplearon durante la prueba.Inmediatamente despus del vertedero se encuentra la poza de descarga inicial; la misma est ubicada en la parte inicial del canal y cuenta con filtros colocados con mallas galvanizas provistas, as como la disposicin de los ladrillos que conforman el muro. sta acta como punto de estabilizacin del caudal luego del paso por el vertedero rectangular.

Fotografa 7. Poza del vertedero.3.2.2.5 DesarenadorEl desarenador tiene como funcin retener el material arrastrado del canal artificial durante las pruebas; es punto de pase previo a la poza de succin. La poza del desarenador cuenta con una rejilla de fondo en su parte final. El desarenador tiene una longitud de 11.00 m., tiene forma en L, con un cambio de direccin hacia la izquierda en aproximadamente 30. Su profundidad es de 1.00 m. y cuenta con dos puntos de desage en la parte inferior del murete antes del punto de descarga.

3.2.3 Materiales3.2.3.1 Cama de arena usada en las pruebasSe dispuso sobre el canal una cama de arena con una longitud de 5.00 m. y un espesor de 0.35 m. Una serie de pruebas se llevaron a cabo para obtener las caractersticas del material del lecho de arena utilizado en el canal para el presente estudio. Los anlisis de suelo realizados incluyeron un anlisis de tamizado mecnico y la obtencin de la densidad del material. El ensayo de distribucin granulomtrica ASTM-D422, indica que el material del lecho se compone de arena fina bien graduada con un tamao medio de partcula d50 = 0.220 m.m. y una gravedad especfica de 2.65. La desviacin estndar geomtrica de la arena, g, es 1.98, lo que implica que la distribucin de tamao de la arena es uniforme. El g se define como, g = (d84 / d16)0.5. La representacin del anlisis granulomtrico se puede observar en la Figura 28. El dimetro del pilar tambin fue cuidadosamente elegido de modo que no se genere efecto del tamao de los sedimentos sobre la profundidad de socavacin. Se sabe que el tamao de grano del material del lecho no afecta a la profundidad de socavacin si el ancho del pilar en relacin de tamao de grano excede a un valor de aproximadamente 50 (Ettema 1980). Para este estudio, la relacin obtenida fue de 680 para nuestro pilar de 150 mm, lo que satisface el criterio de Ettema.

Dimetro de las partculas (mm) Figura 28: Representacin granulomtrica de la arena fina usada en la experimentacin.3.2.3.2 Pilar y disco porosoPara el pilar se emple material tipo Plexiglass con seccin circular de dimetro = 150 mm y de un espesor de 3 mm (Fotografa 8.a).El disco poroso tiene una forma tipo corona circular de dimetro exterior de 450 mm e interior de 150 mm. El material usado corresponde a la malla de acero inoxidable N 18 para la ASTM Estndar con espaciado en ambas direcciones de 1 mm, y un espesor de 0.80 mm.

a).-

b).-

Fotografa 8. Observamos: a).- Pilar slo. b).-Dispositivo tipo disco poroso colocado en el pilar.3.2.4 Equipos3.2.4.1 Nivel topogrficoSe utiliz el nivel topogrfico marca PENTAX, modelo AFL-321, 32x45 m.m.; serie N 879755; as mismo se emple en los trabajos de nivelacin una mira milimetrada.

Fotografa 9. Nivel topogrfico.3.2.4.2 LimnmetroSe emple el Limnmetro Neyrpic, Grenoble-France; con Nmero de Serie 787, calibrado para un vertedero rectangular, dispuesto junto a la poza del vertedero.

Fotografa 10. Limnmetro.3.2.4.3 Correntmetro ElectromagnticoPara las mediciones de velocidades se utiliz un correntmetro electromagntico marca Aquadata, modelo SENSA RC-2, nmero de serie 42-114; este fue calibrado en las instalaciones del LNH.

Fotografa 11. Correntmetro SENSA- RC2.3.2.4.4 Bomba Hidrulica ElectromecnicaSe emple la electrobomba sumergible marca CEM Cie. Electro Mcanique con nmero de serie LM-386283, con las siguientes caractersticas principales: 37 Kw y potencia de 50 HP, velocidad angular de 1140 revoluciones por minuto, ciclo de 60 Hz y tensin elctrica de 220 v. La turbina tiene un dimetro de succin e impulsin de 406 m.m. (16).

Fotografa 12. Bomba Electromecnica.

3.3 Procedimiento de la Prueba3.3.1 Programa de PruebaSe ha realizado la prueba con slo un pilar de seccin circular, con tres pendientes diferentes, con tres diferentes caudales promedio y con 1 dispositivo tipo disco poroso. El material del lecho ha sido de las mismas caractersticas en toda la prueba. El programa de prueba se observa en la Tabla N 9, siendo sus datos los siguientes:Dimetro del pilar = 15 cm.Dimetro del dispositivo: Dimetro interior 15 cm. y dimetro exterior 45 cm.Pendientes del canal: S1 = 0.1%, S2 = 0.3% y S3 = 0.5 %.Caudales: Q1 = 60 l/s, Q2 = 80 l/s y Q3 = 100 l/s.

Tabla N 9: Cuadro del Programa de Prueba

3.4 Procedimiento general experimental y adquisicin de datos1.- Adecuacin del canal a las pendientes correspondientes. Se trabaj preliminarmente con plantillas cada 1.00 m. Finalmente establecimos marcas laterales de las pendientes S1, S2 y S3 en el canal interiormente con el uso de plumn indeleble de 0.2 m.m. de espesor.2.- Instalacin del pilar, requiriendo as mismo la instalacin del dispositivo segn el programa de pruebas lo requiera.3.- Nivelacin del lecho de arena; que se realiz con el uso de plantillas y de reglado.4.- Encendido de la electrobomba.5.- Abertura de la vlvula de compuerta dispuesta entre el reservorio elevado y las pozas de ingreso.6.- Revisin de la altura de Limnmetro para controlar el caudal de ingreso al canal.7.- Saturacin del lecho en forma lenta en la bsqueda de la estabilizacin del flujo. Esto tomaba alrededor de 30 minutos por prueba.8.- Observacin del ensayo.9.- Toma de datos (velocidad, tirante del flujo, caudal, tiempo).10.- Medicin directa alrededor del pilar cada hora durante cada prueba.11.- Apagado de la electrobomba.12.- Desaguado del sistema con electrobomba hidrulica, apertura de vlvulas de evacuacin con mangueras hacia la poza de descarga.13.- Al da siguiente se realizaba el levantamiento topogrfico del lecho para comparar la socavacin final y general obtenida. Concluido este paso se reiniciaba el proceso desde 1.Para la realizacin de las pruebas se cont con el apoyo de 2 colaboradores permanentes, estudiantes de la Universidad Nacional de Ingeniera. Adems el apoyo del personal del Laboratorio Nacional de Hidrulica en la operacin de las bombas.

3.4.1 Puntos de control alrededor del pilar Se colocaron 8 puntos de control interiormente alrededor del pilar colocados a cada 45 en el plano horizontal, empleando cinta adhesiva 3M de alta adherencia, con la numeracin correspondiente. Se realizaron mediciones en cada uno de los 8 puntos durante las siguientes 6 horas en intervalos de 60 minutos. La medicin se realiz en forma directa e interiormente sobre el pilar con el uso de un visor diseado para este fin. As mismo se generaron grabaciones desde la parte interna del pilar a puntos crticos donde se apreciaron formaciones tipo vrtices de eyeccin, puntos de estancamientos y otros visualizados durante las pruebas. En la Figura N . Se puede ver la disposicin de los puntos de medicin.

Figura 29: Esquema de los puntos de control de la prueba.