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Transiciones y cuencos disipadores Indice 1. Introducción 2. Estructuras de transición 3. Cuencos Amortiguadores 4. Conclusiones 1. Introducción En el control de flujos hidráulicos, es frecuentemente el diseño de una transición entre dos canales de diferente sección transversal, es importante que el ingeniero civil tenga los conocimientos básicos para el diseño de estructuras hidráulicas especiales que gobiernan el flujo, mediante la determinación del número de FROUDE, y los efectos del cambio en las líneas de flujo en un punto especifico de un canal. En este tipo de diseño se deben minimizar las pérdidas de energía, eliminar las ondulaciones que puedan generarse, eliminar zonas muertas para evitar la sedimentación. Otro tipo de estructuras que son muy frecuentes, son las de control del resalto hidráulico, esta se realiza mediante obstáculos y en el presente trabajo hablaremos de ellas, entre las cuales comentaremos el cuenco disipador, SAF(San Antonio Falls), el USBR ( creado por el cuerpo de Ingenieros de la Armada Naval de Estados Unidos) tipo II y IV, los cuales son los mas usados debido a su seguridad y eficiencia. Objetivos Objetivo general Poder tener claro los criterios para el diseño de una transición en flujo de canales y en el diseño de un cuenco disipador Objetivos especificos Diseñar un aliviadero tipo WES, con el caudal asignado por el profesor titular de la materia de Hidráulica II Con el número de Froude obtenido en el diseño del aliviadero, escoger y diseñar una estructura de amortiguamiento o cuenco disipador, de acuerdo con los parámetros de diseño, aprendidos en clase y los obtenidos en la teoría incluida en el presente trabajo. 2. Estructuras de transición Consideraciones generales Un trabajo que frecuentemente deben realizar los ingenieros civiles, consiste en el diseño de una transición entre dos canales de diferente

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Transiciones y cuencos disipadores

Indice1. Introduccin2. Estructuras de transicin3. Cuencos Amortiguadores4. Conclusiones1. Introduccin

En el control de flujos hidrulicos, es frecuentemente el diseo de una transicin entre dos canales de diferente seccin transversal, es importante que el ingeniero civil tenga los conocimientos bsicos para el diseo de estructuras hidrulicas especiales que gobiernan el flujo, mediante la determinacin del nmero de FROUDE, y los efectos del cambio en las lneas de flujo en un punto especifico de un canal.En este tipo de diseo se deben minimizar las prdidas de energa, eliminar las ondulaciones que puedan generarse, eliminar zonas muertas para evitar la sedimentacin.Otro tipo de estructuras que son muy frecuentes, son las de control del resalto hidrulico, esta se realiza mediante obstculos y en el presente trabajo hablaremos de ellas, entre las cuales comentaremos el cuenco disipador, SAF(San Antonio Falls), el USBR ( creado por el cuerpo de Ingenieros de la Armada Naval de Estados Unidos) tipo II y IV, los cuales son los mas usados debido a su seguridad y eficiencia.

ObjetivosObjetivo generalPoder tener claro los criterios para el diseo de una transicin en flujo de canales y en el diseo de un cuenco disipador

Objetivos especificos

Disear un aliviadero tipo WES, con el caudal asignado por el profesor titular de la materia de Hidrulica II

Con el nmero de Froude obtenido en el diseo del aliviadero, escoger y disear una estructura de amortiguamiento o cuenco disipador, de acuerdo con los parmetros de diseo, aprendidos en clase y los obtenidos en la teora incluida en el presente trabajo.

2. Estructuras de transicin

Consideraciones generales Un trabajo que frecuentemente deben realizar los ingenieros civiles, consiste en el diseo de una transicin entre dos canales de diferente seccin transversal, o entre un canal y una galera o un sifn. Como criterios para el dimensionamiento hidrulico se pueden mencionar:

a. Minimizacin de las prdidas de energa por medio de estructuras econmicamente justificables.

b. Eliminacin de las ondulaciones grandes y de los vrtices (por ejemplo, los vrtices de entrada con el consecuente peligro de introduccin de aire.

c. Eliminacin de zonas con agua tranquila o flujo muy retardado (por ejemplo: las zonas de separacin traen consigo e! riesgo de depsito de material en suspensin).

Estos criterios se cumplen para el caso de flujo subcrtico, si se le confiere a la estructura de transicin una forma hidrodinmica con la ayuda de relaciones derivadas del fenmeno de la formacin de ondas. El problema de la formacin de ondas no se restringe a las estructuras con flujo supercrtico. Tambin en flujo sub-crtico se forman ondas permanentes si hay cambios bruscos de direccin o cambios fuertes de nivel del fondo del canal. En este ltimo caso puede llegar a presentarse un cambio de rgimen con salto hidrulico, si no se pone atencin en el diseo de la estructura (Chow, 1959, pg. 314).

ConsideracionesHasta qu punto se puede ajustar la forma de la estructura en la zona de transicin a una forma hidrodinmica, considerando tambin los puntos de vista econmicos? Esto depende mucho del tamao y de la funcin de la estructura. Con el objetivo de lograr formas econmicas, en particular para estructuras pequeas, se realizaron investigaciones exhaustivas en el U.S. Department of Agriculture (Scobey, 1933). Tambin el U.S. Bureau of Reclamaton (1952) ha elaborado recomendaciones con el fin de conseguir, en lo posible, formas simples. La publicacin de Vittal, Chiranjeevi (1983) es una de las ms recientes acerca de criterios de diseo para estructuras de transicin.

Para los clculos hidrulicos en las estructuras de transicin con flujo subcrtico son admisibles las siguientes hiptesis:

Se supone que la pendiente de la lnea de energa es constante en el tramo relativamente corto de la estructura de transicin y, en ausencia de prdidas locales, puede, asimismo, calcularse por tramos con la ayuda de la ecuacin de Gauckler-Manning-Strickler: La velocidad vara principalmente en funcin de la distancia. Se supone que los factores a y 13 son iguales a 1, o bien, pueden definirse para las secciones transversales extremas y efectuar una interpolacin para las secciones intermedias.

Los efectos de la curvatura del flujo pueden ignorarse, con lo que las distribuciones de presin resultan hidrostticas. Se pueden dejar de considerar tambin las zonas de separacin de flujo.

Pasos para el diseo de una estructura de transicin.Una ayuda valiosa en el clculo hidrulico es el diagrama de energa con las curvas Ho-y. Se recomienda trazar, con el caudal dado Q, una familia de curvas para varias secciones transversales de la estructura, donde los cambios en la seccin transversal de la estructura de transicin estn limitados nicamente a cambios en el ancho B del canal, de tal modo que las secciones transversales consecutivas estn caracterizadas por valores definidos del caudal unitario q=Q/B.

Ilustracin 1. Curvas Ho - y

Se supone que se conocen las secciones transversales de los canales aguas arriba y aguas abajo, los cuales deben ser unidas con la estructura de transicin y tambin, el caudal, la profundidad de agua, la altura de energa en la seccin transversal final y su forma. Para la solucin de este problema tipico se procede determinando la ubicacin de la lnea de energa en forma aproximada (hiptesis a), mencionada anteriormente, con lo que queda determinada tambin la profundidad de agua en la seccin transversal inicial. Las dimensiones de las secciones transversales intermedias elegidas para la estructura pueden entonces determinarse de dos maneras:

1. Se selecciona un recorrido uniforme para la superficie libre del agua entre la seccin transversal inicial y final, con lo que las cargas de velocidad intermedias quedan fijas, es decir, para cada seccin transversal, se fija un determinado punto (y, HJ. Si se dibujan los valores as definidos para Ha a lo largo del eje central de la estructura de transicin, se obtiene la ubicacin del fondo del canal que correspondera al recorrido seleccionado de la superficie libre del agua.

2. Se selecciona un recorrido continuo y uniforme para el fondo del canal entre los puntos extremos de la estructura de transicin. De este modo se fijan los valores de Ha para cada seccin transversal intermedia y entonces, con ayuda de la ilustracin 1, se puede definir la profundidad de agua "y" correspondiente.

Es probable que luego del primer clculo no se obtenga el perfil del fondo del canal, con el primer mtodo, o el perfil de la superficie libre del agua, con el segundo mtodo, tan uniforme y continuo como sera deseable. Ser necesario, entonces, repetir el procedimiento de clculo segn un ajuste iterativo apropiado hasta obtener una transicin uniforme de la superficie libre del agua y del fondo del canal, o bien, modificar la separacin entre las secciones transversales para las formas seleccionadas previamente o variar la forma misma de las secciones transversales.

Estrechamientos en canales y estructuras de ingreso Las diferentes posibilidades de diseo para estrechamientos en canales pueden explicarse, con ayuda de la ilustracin 1, en el caso de un canal de seccin rectangular. La reduccin de la seccin transversal puede efectuarse bsicamente en dos formas: mediante una reduccin de la profundidad y de agua, o por medio de una reduccin del ancho B del canal. Se supone que el punto M en la ilustracin 1 representa las relaciones geomtricas e hidrulicas existentes en el extremo aguas arriba del canal. El paso hacia las relaciones del extremo de aguas abajo, representadas por el punto E, se puede obtener como se explica a continuacin:

El fondo del canal en la estructura de transicin se prolonga con igual pendiente (de modo que la energa especfica Ha permanece aproximadamente constante), y se reduce el ancho B. En este caso, se pueden leer en la ilustracin 1, los cambios de profundidad correspondientes a partir de los puntos de interseccin de la lnea vertical que pasa por M con las curvas correspondientes a los valores crecientes de Q/B. Luego de que se alcanza un ancho determinado en el punto N, se puede lograr otra disminucin de la seccin transversal por medio de una sobre-elevacin gradual del fondo, manteniendo constante el ancho del canal. La diferencia de altura en el fondo se obtiene a partir del valor de Ha definido en la ilustracin 1 luego de la correspondiente correccin por prdida de energa; la ubicacin de la superficie libre del agua se obtiene con la ayuda de las profundidades calculadas con la lnea NE. Por lo general, para un estrechamiento dado de la seccin transversal a lo largo de MNE, resultan variaciones menores de la profundidad que a lo largo de la lnea MGE.

Por supuesto que pueden obtenerse los cambios en el ancho del canal y en el fondo, con una combinacin arbitraria cualquiera, como, por ejemplo, mediante la lnea de trazos desde M hasta E que se indica en la ilustracin 1. En general, se recomienda conformar la contraccin de los lados del canal por medio de paredes laterales curvas en zonas de profundidades grandes de agua. Por esto, un diseo segn la lnea MNE, conducir a una estructura de menor longitud, y con menores efectos de curvatura que un diseo segn MGE. Siempre y cuando los puntos M y E permanezcan claramente en la zona de flujo subcrtico (con nmeros de Froude menores que 0.5), no aparecern complicaciones para el diseo de la estructura. En la medida en que E se acerque a la profundidad crtica yc, la curva de la superficie libre del agua dentro de la estructura de transicin tendr una pendiente mayor, y mayor ser la tendencia a la formacin de ondas permanentes. Este ltimo caso se analiza a continuacin por medio de la ilustracin 1. Con una contraccin creciente del ancho del canal, el punto N se desplaza hacia abajo, hasta alcanzar finalmente el valor crtico Nc. El mnimo ancho del canal, para el cual el caudal Q todava puede ser transportado con el valor constante de Ha y una profundidad y = y c' puede obtenerse con la ecuacin (1):

(3.1)

(3.2)

Cualquier contraccin adicional de las paredes del canal producir un remanso hacia aguas arriba. Igual resultado de obtiene, si la profundidad del canal es demasiado grande. As, por ejemplo, tambin pueden obtenerse las condiciones de flujo crtico disponiendo un umbral en el fondo y manteniendo constante el ancho del canal, de tal modo que el punto G alcance la ubicacin extrema admisible Gc. La mxima sobre-elevacin admisible del fondo que produce flujo crtico manteniendo constante el ancho, se obtiene de la diferencia entre los valores de Ho en M y Gc. Dado que Ho en el punto Gc es igual a (3/2)Yc = (3/2) , se obtiene la siguiente expresin para la altura extrema del umbral (D z0)c:

(3.3)

donde y es la profundidad inicial en el punto M. Finalmente, si el flujo crtico se alcanza con el estrechamiento simultneo de los lados y del fondo, se obtiene, de la ilustracin 1, una lnea de unin de M a la recta con lnea discontinua y = yc, que se ubica entre las curvas MGGc y MNNc por ejemplo, la lnea MEEc. La consideracin de prdidas de energa a causa de la resistencia de las paredes o del rozamiento para estrechamientos en canales con flujo subcrtico, conduce por lo general a profundidades de agua algo menores, en comparacin con los resultados sin consideracin de prdidas, como lo comprobaron las mediciones del U.S. Army Corps of Engineers y del U.S. Bureau of Reclamation. Para estrechamientos de canales, con ngulos en lo posible menores a 12.5 entre el eje de la estructura y la tangente a los lados en el punto de inflexin, recomienda Hinds (1928) la siguiente expresin para la prdida de energa:

(3.4)

es decir, una prdida igual a la dcima parte de la diferencia de cargas de velocidad en las secciones extremas de la estructura de transicin. Esta prdida debera repartirse proporcionalmente a los cambios locales de cargas de velocidad a lo largo de la estructura. Scobey (1933) comprob esta recomendacin. Su trabajo, junto con el de Hinds, proporcionan, hasta el da de hoy, una presentacin vlida de los criterios de diseo para estructuras de transicin.

Tipos de TransicinLas estructuras de transicin de un canal trapezoidal a uno rectangular pueden agruparse en tres tipos:

a. Transicin con curvatura simple

b. Transicin de forma cua

c. Transiciones con doble curvatura.

Ilustracin 2. Tipos de transiciones

Las dos primeras formas deberan limitarse a casos con velocidades muy pequeas de flujo , y ninguna de las tres formas son apropiadas para flujo supercrtico. El tipo c) se recomienda para estructuras muy grandes no slo porque satisface mejor los requerimientos hidrulicos, sino tambin porque, en estos casos, las superficies con doble curvatura se pueden construir dentro de trminos econmicamente rentables. En la ilustracin 3 se presenta un ejemplo de una estructura de transicin, segn Hinds (1928) (vase Vittal, Chiranjeevi, 1983).

Ilustracin 3. Ejemplo de Estructura de Transicion

Debido a que una estructura de ingreso a un canal representa el problema extremo de un estrechamiento, son vlidos para ella los mismos criterios de diseos anteriores. En lo posible, se debe evitar una entrada hacia un canal con cantos sin redondeamiento, a menos que el ahorro en los costos de construccin para estructuras pequeas, sea ms importante que las ventajas del flujo ms hidrodinmico, el que puede obtenerse si la forma sigue aproximadamente el perfil de las lneas de corriente.Para estructuras de tamao intermedio se debe disponer, en lo posible, transiciones con simple curvatura tanto en el fondo como en las paredes entre el embalse y el canal. Criterios de referencia para la relacin entre el radio de redondeo y el ancho, o bien, la profundidad del canal, se pueden obtener de la ilustracin 4, que originalmente fue formulada para entradas en tuberas (Hubbard, Ling, 1952). Si deben instalarse compuertas de regulacin en la estructura de ingreso a un canal trapezoidal, a partir de una seccin inicial rectangular se debera pensar en una estructura de transicin similar a la presentada en la ilustracin 2b o para flujo en direccin opuesta, a la de la ilustracin 2c.

Ilustracin 4. Criterios de Referencia

Ya se mencion lo relativo a la prdida de energa a la entrada, nicamente se debera aadir, que aun para una estructura de ingreso diseada perfectamente con criterio hidrodinmico, el espejo de aguas en el canal se ubica por lo menos a un valor a V2/2g por debajo del nivel libre aguas arriba en el embalse; donde el coeficiente a depende de los esfuerzos de corte en las paredes, que ahora son mayores y que se generan dentro de la capa lmite. Sin embargo, si se calcula con a =1, el error cometido con este calculo es (a -1) V2/2g, lo que significa, dependiendo del tipo de la estructura de entrada, entre 5 %y 20% de la carga de velocidad.

Ensanchamiento en canales y estructuras de entrega Los mtodos de clculo y las recomendaciones para diseo que han sido analizadas en el prrafo anterior, tambin pueden ser utilizados, en su mayora, para ensanchamientos en un canal con rgimen sub crtico. Una diferencia bsica radica en la limitada posibilidad prctica de recuperar la energa cintica en la corriente que se expande, debido a la tendencia del flujo retardado a separarse de la pared. Por esta razn, se debe prestar aqu mayor atencin al diseo de las paredes ya la determinacin de las prdidas de energa que para el caso de un estrechamiento.

En los estrechamientos de canales, con una curvatura gradual de las paredes el flujo est libre de separacin y la velocidad se distribuye relativamente uniforme sobre la seccin transversal, coincidiendo en gran medida con la hiptesis de la teora unidimensional simplificada. En cambio, en los ensanchamientos de canales, aun curvaturas moderadas de las paredes conducen a un crecimiento brusco de las zonas con fluido retardado; las distribuciones de velocidad llegan a ser fuertemente no uniformes, es decir, los coeficientes de correccin a y 13 alcanzan valores numricos grandes; y finalmente, pueden, presentarse zonas con separacin del flujo junto a las paredes. Esta tendencia a la separacin se acenta a travs de cambios mnimos de direccin en el flujo de aproximacin, que pueden ser generados, por ejemplo, por curvas o pilas en la zona de aguas arriba. Sobre todo, se deben evitar tales separaciones del flujo cuando existe la posibilidad de que se formen depsitos de material en la estructura de transicin, si el agua transporta material en suspensin o de arrastre, o cuando la estructura de transicin se conecta con canales de fondo y taludes erosionables. Como se esquematiza en la ilustracin 5 (segn Hinds), cuando hay separacin, el flujo efectivo para el transporte se limita a una seccin mucho menor donde se producen velocidades mayores que las previstas con la teora simplificada. Adems, crece la tendencia hacia una asimetra del flujo. Por ejemplo, una pequea curva en el tramo previo es suficiente para producir velocidades mayores de flujo siempre a lo largo de una misma pared, con la consecuencia de que un canal no revestido en la zona de aguas abajo se socava en ese lado y se forma un depsito en el lado opuesto (ilustracin 5).

Ilustracin 5.

Criterios para el diseo de ensanchamientos de canales (Transiciones)En Hinds (1928) y Scobey (1933) se encuentra una cantidad de criterios para el diseo de ensanchamientos en canales. Las ms importantes de sus recomendaciones se resumen como sigue (Vittal, Chiranjeevi, 1983):

a. Transiciones con curvatura simple y en forma de embudo, cuyas paredes laterales tienen un ngulo de alrededor de 30 con respecto al eje del canal, permiten una recuperacin de energa cintica de hasta 2/3 del cambio en la carga de velocidad.

b. Transiciones con doble curvatura y en forma de cua (ilustracin 2b), permiten recuperar entre e180% y e190% del cambio en la altura o carga de velocidad, siempre que la estructura de transicin se proyecte tan larga que una lnea de unin entre los contornos del agua en las secciones transversales inicial y final, tenga un ngulo no mayor a 12.5 con respecto al eje del canal.

c. Se deben plantear consideraciones especiales para corrientes que estn muy cerca de las condiciones de flujo crtico.(Vea consideraciones Generales).

d. Debido a que existe ms informacin acerca de las caractersticas del flujo sin superficie libre que sobre flujos en canales, se recomienda expandir en la medida de lo posible, el flujo dentro de la parte cubierta de la estructura de transicin en el caso de una transicin desde una galera a un canal abierto.

En corrientes sin superficie libre es muy frecuente el uso de muros o paredes directoras de flujo para eliminar las zonas de separacin. En canales abiertos, por el contrario, este mtodo se aplica muy pocas veces. Sin embargo, cuando se trata de reducir las prdidas de energa con la menor longitud posible de estructura puede aplicar este mtodo sin reservas (ilustracin 6a) separacin del flujo se puede evitar, por lo general, cuando el ngulo de expansin de la corriente se mantiene por debajo de los 8. Esta condicin puede ser satisfecha paralelamente a la reduccin de la longitud de la estructura por medio de muros y paredes directoras de flujo, dispuestos en ngulos inferiores a 7, como se indica en la ilustracin 7 Para una solucin de este tipo es importa que se elija un nmero par de muros directores, ya que una pared a lo largo eje del canal tiene poca influencia sobre el flujo.

Ilustracin 6

As como las estructuras de ingreso pueden ser consideradas como el caso extremo de estrechamiento en un canal, se puede decir que las estructuras de entrega son el caso extremo de un ensanchamiento en un canal. Las consideraciones anteriores se puede aplicar tambin a las secciones de salida de canales. Es muy frecuente que la desembocadura de un canal en un embalse cambie en forma brusca. La prdida de energa en el embalse es este caso, la carga o altura de velocidad, y la disminucin de la velocidad en el embalse tiene lugar segn los principios del chorro turbulento sumergido.Cuando el flujo subcrtico en el canal se aproxima a las condiciones de flujo critico (Fr=1), se debe prever que existir una mayor formacin de olas en las cercanas de la estructura de salida.Si el objetivo de la estructura de entrega consiste en no sobrepasar una velocidad mxima predeterminada en ningn punto de la seccin transversal final, y con una distribucin lo ms uniforme posible de velocidades (como, por ejemplo, en el caso de una descarga en un puerto), se recomienda una solucin segn el principio esquematizado en la ilustracin 6b. Este principio ha dado buen resultado en la construccin de tneles de viento, donde se utiliza para el diseo de difusores. En tanto que la obstruccin en el difusor consiste en rejillas; en el caso de la salida de un canal hacia un puerto, se pueden utilizar pilas de seccin cuadrada estrechamente dispuestas unas junto a otras (Richter, Naud~scher, 1986). La relacin de obstruccin debe elegirse en cada caso, de tal manera que la suma de las prdidas de energa en la estructura de transicin, sea por lo menos igual a la carga de energa en el flujo de aproximacin.

3. Cuencos Amortiguadores

Control del resalto hidrulico mediante caida abrupta.El control del resalto mediante obstculos es til si la profundidad de aguas abajo es menor que la profundidad secuente para un resalto normal, pero si la primera es mayor que la segunda, debe utilizarse una cada en el piso del canal para asegurar un resalto. Por lo general esta condicin ocurre a la salida de una expansin con flujo supercrtico

Para determinado nmero de Froude de aproximacin, la profundidad de aguas abajo de una cada puede localizarse en cualquiera de cinco posibles regiones, como se muestra en la ilustracin 7-a. El lmite inferior de la regin 1 es la profundidad para la cual el resalto empezar a viajar hacia aguas arriba. El lmite superior de la regin 5 es la profundidad para la cual el resalto empezar a moverse hacia aguas abajo. En efecto, la cada no controla el resalto en estas dos regiones porque ste es estable y la cada es efectiva para sus propsitos deseados slo en las regiones 2 y 4. La regin intermedia 3 representa un estado ondulatorio de flujo sin un frente de rompimiento. Al aplicar las ecuaciones de continuidad y de momentum en un anlisis similar al realizado para el vertedero de cresta ancha (ejemplo 3-2), Hsu [47] demostr que para la regin 2,

Ilustracin 7

En la figura 15-14 cada curva para determinado h/yl tiene dos ramas relativamente rectas conectadas mediante una parte recta corta cerca de la mitad. El brazo del lado izquierdo representa la condicin correspondiente a la regin 2 y el del lado derecho, la regin 4. Este diagrama puede utilizarse para propsitos de diseo con el fin de determinar la altura relativa de cada requerida para estabilizar un resalto en cualquier combinacin de caudal, profundidad de aguas arriba y profundidad de aguas abajo.

y para la regin 4,

Estas ecuaciones se verificaron mediante experimentos. Las relaciones entre F , y3/y1 y h/y1 se muestran en la ilustracin 7

Cuenco disipador de diseo generalizado.En trabajos importantes o en aquellos que involucran un gran nmero de cuencos disipadores, a menudo se necesitan diseos generalizados de los cuencos por razones econmicas y para cumplir requerimientos especficos. Estos diseos pueden desarrollarse a travs de aos de experiencia y observaciones sobre estructuras existentes, o mediante investigaciones en modelo, o ambos. Los cuencos diseados de esta manera a menudo estn provistos de accesorios especiales, incluidos bloques de rpida, umbrales y pilares deflectores. Los bloques en la rpida se utilizan para conformar una estructura dentada a la entrada del cuenco disipador. Su funcin es partir el chorro de entrada y elevar una parte de l desde el piso, produciendo una longitud de resalto ms corta que la que sera posible sin ellos. Estos bloques tambin tienden a estabilizar el resalto y por consiguiente a mejorar su comportamiento. Los umbrales dentados, o slidos, a menudo se colocan al final del cuenco disipador. Su funcin es reducir adems la longitud del resalto y controlar la socavacin. Para cuencos grandes diseados para altas velocidades de entrada, el umbral por lo general es dentado para llevar a cabo la funcin adicional de difundir la parte residual del chorro de alta velocidad que puede alcanzar el extremo del cuenco.

Los pilares deflectores son bloques localizados en posiciones intermedias sobre el piso del cuenco. Su funcin es disipar la energa principalmente mediante una accin de impacto. Los bloques deflectores son muy tiles en pequeas estructuras con velocidades de entrada bajas. Sin embargo, no son recomendables cuando las altas velocidades hacen posible la cavitacin. En ciertas circunstancias, deben disearse para soportar el impacto de hielo o desechos flotantes. Existen muchos diseos generalizados de cuencos disipadores que utilizan un resalto hidrulico como medio para la disipacin de energa. A continuacin se describirn tres diseos comunes:

1. El cuenco SAF .Se recomienda para ser utilizado en estructuras pequeas de vertederos, obras de salida y canales donde F1=1.7 a 17. La reduccin en la longitud del cuenco conseguida por el uso de accesorios diseados para el mismo es de alrededor del 80% (70% a 90% ).

2. El cuenco USBR II. Se recomienda para ser utilizado en estructuras grandes de vertederos, canales, etc., donde Fl > 4.5. La longitud del resalto y del cuenco se reduce alrededor del 33% mediante el uso de accesorios.

3. El cuenco USBR IV. Se recomienda para ser utilizado con resaltos de F1=2.5 a 4.5; lo cual a menudo ocurre en estructuras de canal y en presas de derivacin. Este diseo reduce las ondas excesivas creadas en resaltos imperfectos.

El principio del cuenco disipador tambin se aplica al diseo de una cada de canal (o descenso de canal), la cual es una estructura construida para asegurar un descenso en la superficie del agua de un canal y una destruccin segura de la energa liberada de esta manera. La cada del canal algunas veces se disea con un ancho contrado parecido al de la canaleta Parshall, y se conoce como cada contrada, la cual puede construirse a bajo costo en conjunto con un puente y utilizarse tambin como un medidor o regulador.

Ilustracin 8. Cuenco disipador SAF

Cuenco disipador SAF.Este cuenco (Ilustracin 8; SAF proviene del ingls San Anthony Falls, Cataratas de san Antonio) se desarroll en el Laboratorio de Hidrulica San Anthony Falls, en la Universidad de Minnesota, para ser utilizado en pequeas estructuras de drenaje, como las construidas por el U.S. Soil Conservation Service. Las reglas de diseo resumidas por el investigador Blaisdell son las siguientes:

1. La longitud LB del cuenco disipador para nmeros de Froude entre Fl = 1.7 y Fl =17 se determina mediante 2. La altura de los bloques de entrada y los bloques del piso es y1 y su ancho y espaciamiento es aproximadamente 0.75y1.

3. La distancia desde el extremo de aguas arriba del cuenco disipador hasta los bloques del piso es LB/3.

4. No deben localizarse bloques en el piso ms cerca de las paredes laterales que 3y1/8.

5. Los bloques del piso deben localizarse aguas abajo enfrentados a las aberturas entre los bloques de la rpida.

6. Los bloques del piso deben ocupar entre el 40% y el 55% del ancho del cuenco disipador.

7. Los anchos y el espaciamiento de los bloques del piso para cuencos disipadores divergentes deben incrementarse en proporcin al aumento del ancho del cuenco disipador en la seccin donde se localizan los bloques.

8. La altura del umbral de salida est dada por c = 0.07y2, donde y2 es la profundidad secuente terica, correspondiente a y1.

9. La profundidad de salida de aguas abajo por encima del piso del cuenco disipador est dada por para F1 = 1.7a 5.5; por y2' = 0.85y2, para Fl=5.5 a 11; y por , para F1 = 11 a 17.

10. La altura de los muros laterales por encima de la profundidad de salida mxima esperada dentro de la vida til de la estructura est dada por z = Y2/3.

11. Los muros de salida deben ser iguales en altura a los muros laterales del cuenco disipador, y su parte superior debe tener una pendiente de 1 en 1.

12. El muro de salida debe localizarse con un ngulo de 45 con respecto al eje central de la salida.

13. Los muros laterales del cuenco disipador pueden ser paralelos (como en un cuenco disipador rectangular) o diverger como una extensin de los muros laterales de la transicin (como en un cuenco disipador trapezoidal)

14. Debe utilizarse un muro cortina de profundidad nominal en el extremo del cuenco disipador.

15. El efecto de atrapamiento de aire no se considera en el diseo del cuenco disipador.

Cuenco disipador USBR II.A partir de los estudios intensivos de muchas estructuras existentes y de investigaciones de laboratorio, el U. S. Bureau of Reclamation desarroll varios tipos de diseos generalizados de cuencos disipadores. El cuenco USBR I lo origina un resalto hidrulico que ocurre en un piso plano sin ningn accesorio, y puede disearse con facilidad. Sin embargo, tal cuenco por lo general es muy prctico, debido a que su longitud lo hace costoso y a su falta de control. El cuenco USBRIII se disea para un propsito similar al del cuenco SAF pero tiene un factor de seguridad mayor, ajustado a las necesidades del Bureau. El comportamiento de este cuenco indica que su longitud y la del resalto pueden reducirse alrededor del 60%, con accesorios en comparacin con el 80% para el cuenco SAF. Por consiguiente, el cuenco SAF es ms econmico, pero menos seguro.El cuenco USBR V se utiliza cuando la economa estructural implica el uso de un canal de aproximacin inclinado, el cual es usual en vertederos de presas altas. El cuenco USBR II se desarroll para cuencos disipadores de uso comn en vertederos de presas altas y de presas de tierra y para estructuras de canales grandes. El cuenco contiene bloques en la rpida del extremo de aguas arriba y un umbral dentado cerca del extremo de aguas abajo. No se utilizan bloques de impacto debido a que las velocidades relativamente altas que entran al resalto pueden causar cavitacin en dichos bloques. En las ilustraciones 9 y 10 se muestran el diseo detallado y los datos necesarios para el clculo. Las reglas recomendadas para el diseo son las siguientes:

1. Fijar la elevacin del piso para utilizar la profundidad secuente de aguas abajo completa, ms un factor de seguridad adicional si es necesario. Las lneas punteadas de la ilustracin 9b sirven como gua para diferentes relaciones de la profundidad real de aguas abajo con respecto a la profundidad secuente. Estudios de diseos existentes indican que la mayor parte de los cuencos se disearon para profundidades de salida secuentes o menores. Sin embargo, existe un lmite, el cual es establecido por la curva denominada Mnima profundidad de salida, que indica el punto para el cual el frente del resalto se mueve hacia afuera de los bloques de la rpida. En otras palabras, cualquier reduccin adicional de la profundidad de salida har que el resalto se salga del cuenco; es decir, producir un "barrido de resalto". El cuenco no debe disearse para una profundidad menor que la secuente. Para mayor seguridad, de hecho, el Bureau recomienda un margen de seguridad mnimo del 5% de D2, que debe sumarse a la profundidad secuente.

2. El cuenco II puede ser efectivo hasta un nmero de Froude tan bajo como 4, pero para valores menores esto no necesariamente es cierto. Para valores bajos, se recomiendan diseos que consideren la supresin de ondas.

3. La longitud del cuenco puede obtenerse de la curva de longitud del resalto dada en la ilustracin 10c.

4. La altura de los bloques de la rpida es igual a la profundidad D1 del flujo que entra al cuenco. El ancho y el espaciamiento deben ser aproximadamente iguales a D1; sin embargo, esto puede modificarse para eliminar la necesidad de fracciones de bloques. Con respecto a las paredes laterales es preferible un espaciamiento igual a 0.5D1 para reducir salpicaduras y mantener presiones adecuadas.

Ilustracin 9

5. La altura del umbral dentado es igual a O.2D2. y el ancho mximo y el espaciamiento mximos recomendados son aproximadamente 15D2. En este diseo se recomienda colocar un bloque adyacente a cada pared lateral ilustracin 10e. La pendiente de la parte continua del umbral de salida es 2:1. En el caso de cuencos angostos, lo cual involucrara slo algunos dientes segn la regla anterior, es recomendable reducir el ancho y el espaciamiento, siempre y cuando esto se haga de manera proporcional. La reduccin del ancho y del espaciamiento en realidad mejora el comportamiento en estos cuencos; luego los anchos y los espaciamientos mnimos entre los dientes se establecen slo por consideraciones estructurales.

Ilustracin 10

6. No es necesario escalonar los bloques de la rpida y el umbral dentado. De hecho, esta prctica no es recomendable desde un punto de vista constructivo.

7. Las pruebas de verificacin sobre los cuencos II no indican cambios perceptibles en la accin del cuenco disipador con respecto a la pendiente de la rpida aguas arriba del cuenco. En estas pruebas la pendiente de la rpida vara desde 0.6: 1 a 2: 1. En realidad, la pendiente de la rpida tiene un efecto sobre el resalto hidrulico en algunos casos. Es recomendable que la interseccin aguda entre la rpida y el cuenco se remplace por una curva de radio razonable (R 4D1) cuando la pendiente de la rpida es 1:1 o mayor. Los bloques de la rpida pueden incorporarse a la superficie curva con tanta facilidad como a las planas. En rpidas empinadas la longitud de la superficie superior de los bloques debe hacerse lo suficientemente larga para deflectar el chorro.

Las reglas anteriores darn como resultado un cuenco ms seguro para vertederos con cada hasta 200 pies y para caudales hasta 500 pies3/s por pie de ancho, siempre y cuando el chorro que entra al cuenco sea razonablemente uniforme tanto en velocidad como en profundidad. Para cadas superiores, caudales unitarios mayores o asimetras posibles, se recomienda un estudio en modelo del diseo especfico. 8. Los perfiles aproximados para la superficie del agua y para las presiones de un resalto en el cuenco se muestran en la ilustracin 10-d.

Cuenco disipador USBR IVCuando Fl = 2.5 a 4.5, se producir un resalto oscilante en el cuenco disipador, el cual genera una onda que es difcil de atenuar. El cuenco USBR IV se disea para combatir este problema eliminando la onda en su fuente. Esto se lleva a cabo intensificando el remolino que aparece en la parte superior del resalto, con los chorros direccionales deflectados utilizando grandes bloques en la rpida. Para un comportamiento hidrulico mejor, es conveniente construir estos bloques ms angostos que lo indicado, preferiblemente con un ancho igual a 0.75D1, y fijar la profundidad de salida, de tal manera que sea un 5% a 10% mayor que la profundidad secuente del resalto. La longitud del cuenco se hace igual a la del resalto en un cuenco disipador horizontal sin accesorios y, por consiguiente, tambin igual a la longitud del cuenco USBR. El cuenco IV slo se utiliza en las secciones transversales rectangulares.

4. Conclusiones

Con la realizacin del presente taller, comprendemos que el diseo de estructuras especiales, como luna transicin, nos permite una formacin integral en cuanto al campo de accin profesional, aunque no obtengamos de una sola vez los criterios para este tipo de diseos, es una muy buena experiencia en el diseo de este tipo de estructuras y sabremos que en el futuro ya tenemos unas buenas bases para realizar este tipo de diseo.

Es importante tener en cuenta que las transiciones deben considerarse las lneas de flujo para no provocar daos tanto en el desplazamiento del fluido como en la estructura misma.

El diseo de cuencos disipadores es una aplicacin nueva para nosotros, no queda exento de que podamos encontrarnos con el diseo de este tipo de estructura en el futuro.

Trabajo enviado por:Duvan [email protected] Del QuindioFacultad de IngenierasIngeniera Civil