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Estructuras de disipación de energía en redes de drenaje urbano
Jaime Gil Navas
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
Jefe del Servicio de Obras Hidráulicas. Dirección de Ingeniería
CORSÁN-CORVIAM CONSTRUCCIÓN, SA
Introducción
La red de drenaje de nuestras ciudades, sobre todo cuando hablamos de sus principales vías de desagüe, replican de alguna manera (o así debería ser) la red de drenaje natural sobre la que se implantan.
En esta, la escorrentía va concentrándose de vaguada en vaguada conformando cauces más y más importantes. La energía potencial del agua no infiltrada que va transformándose en cinética a medida que baja de cota en su discurrir, se disipa por los choques del agua, saltos, resaltos locales, remolinos o rozamiento con la vegetación, de manera tanto más alborotada cuanto más irregular es el cauce y mayor es su pendiente.
La energía disipada se traduce en calor, que eleva la temperatura tanto del agua como del contorno contra el que choca. ¿Cuánto aumenta la temperatura?. A modo de ejemplo, si una masa de agua cae una altura de 1 m y toda la energía potencial se transforma en calor aportado en su totalidad al agua, nada a los contornos, el incremento de temperatura sería:
ΛT(º) = E(cal) / m(gr) = mgh · 0.24 / 1000 · m = gh · 0.24/1000 = 0.0024·h
Es decir, el incremento de temperatura es despreciable.
Una red de drenaje urbano está formada por elementos casi en su totalidad artificiales. La escorrentía, tras un flujo más o menos difuso por las superficies a veces pavimentadas, a veces más permeables, se concentra por bordillos, caces o cunetas, y se introduce a través de rejillas, imbornales o directamente, a pozos y estructuras de más o menos entidad, que son los nodos de una red normalmente ramificada formada por colectores circulares, ovoides, marcos o conductos a cielo abierto. El discurrir del agua se desnaturaliza y la disipación de la energía se produce básicamente de dos maneras: de forma continua por rozamiento con la pared interior de los conductos y de forma puntual en pozos (cuando se trata de colectores de pequeña sección) y estructuras de entronque.
En general, la concentración de la escorrentía en las cuencas urbanas es más rápida que en las cuencas naturales (aunque quede fuera del alcance de este texto, conviene recordar que toda actuación urbana debe tender a minimizar la desnaturalización de la cuenca drenante mediante la implantación de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible o SUDS) y la circulación del agua en los colectores también es más rápida que en las vaguadas y cauces naturales a igualdad de pendiente.
La velocidad del agua en los colectores no puede ser tan grande como se quiera porque se dañarían los elementos de la red, debido a la abrasión, cavitación y otros efectos que en las paredes de los conductos, los pozos y otras estructuras produce el agua con los sólidos que transporta y esto exigiría una constante reparación o reposición de aquellos. La realidad de los materiales utilizados habitualmente (hormigón, PVC, PEAD) así lo exige y esto limita las pendientes máximas de los colectores.
Por otro lado el funcionamiento hidráulico en lámina libre es tanto más delicado cuanto más alta es la velocidad de circulación del agua, en el sentido de que más cuidadoso ha de ser el diseño geométrico de las estructuras por ser más sensible el flujo a presentar fenómenos no deseados que lo perturben, alejando su comportamiento del esperado.
En términos de energía, lo dicho más arriba significa que la pérdida continua por rozamiento con las paredes de los colectores no puede hacerse tan grande como se quiera, lo que implica que si se quiere el agua pierda energía potencial (cota) sin que se transforme en energía cinética (velocidad), debe haber una disipación de energía adicional a la continua por rozamiento.
Por otra parte es muy frecuente que la red de drenaje tenga una pendiente general más alta que la pendiente máxima posible en los colectores por limitaciones de velocidad, debido a que la pendiente media de la red viene a ser igual a la pendiente media de los viales bajo los que discurre. Es en estos casos en los que se requiere la disipación adicional de energía que se menciona más arriba, que se materializa mediante estructuras, nodos de la red de drenaje que además concentran en muy corta longitud un salto
brusco de cota. Este texto se centra en la tipología y diseño de estas estructuras de disipación, en las que en un pequeño espacio se producen (se inducen) grandes gradientes de velocidad, vórtices, impactos, expansiones bruscas, etc.
A menudo por la trama urbana discurren cauces importantes. El tratamiento de estos cauces queda fuera del alcance de este texto, a cuyos efectos son una
condición de contorno hidráulica, como sucede con el mar en las tramas urbanas costeras.
¿Qué características deben tener las estructuras de disipación de energía?
Para que el elemento de disipación sea adecuado para su uso en redes de colectores, aparte de garantizar la descarga del caudal de diseño y la disipación de energía entre el nivel superior de entrada y el nivel inferior de salida, debe cumplir los siguientes requisitos:
Facilidad constructiva.
Facilidad en las operaciones de mantenimiento y limpieza.
No posibilitar el estancamiento del flujo ni la sedimentación de materiales o lodos en el interior de la estructura.
Facilitar un flujo continuo, tranquilo y homogéneo aguas abajo.
No posibilitar en la medida de lo posible la retención de objetos ajenos al flujo de agua.
Permitir una correcta aireación.
Tipos de disipadores
Pueden establecerse distintas clasificaciones de las estructuras de disipación en redes de saneamiento atendiendo a diferentes criterios. Si nos atenemos al fenómeno predominante inducido para lograr la disipación, teniendo en cuenta que no se trata de grupos disjuntos sino que un disipador concreto puede darse más de uno de los fenómenos descritos a continuación, podríamos hablar de:
Disipadores por expansión brusca. Se crea una zona de alto gradiente de velocidades, de manera que el agua que circula a gran velocidad (por la pérdida de cota) se encuentra con agua que circula a una velocidad mucho menor gracias al diseño geométrico del disipador. Las turbulencias y remolinos disipan la energía del agua entrante. Los cuencos de resalto pueden considerarse disipadores de este tipo, aunque hay que hacer una apreciación sobre los cuencos
tipificados (USBR, SAF, etc.): no suelen usarse en redes de saneamiento porque dejan una zona de agua muerta, sin salida, que es algo que debe evitarse en redes de saneamiento. Oportunas modificaciones en ese sentido pueden permitir su uso.
Disipadores de impacto. En ellos se hace chocar el agua contra deflectores. Este choque produce cambios bruscos en la dirección del flujo entrante, obligado a dividirse erráticamente y provocando choques y remolinos de alta turbulencia en la cámara de disipación.
Disipadores por contracorriente. En este caso el diseño geométrico produce choques entre flujos de agua que circulan en distinta dirección.
Disipación por macrorugosidad. Se introducen en el diseño dientes de mayor o menor tamaño siguiendo un patrón ensayado. También podrían englobarse dentro de este tipo las bajantes de escollera, de uso en cauces abiertos pero no en redes de saneamiento.
Disipación mediante vórtice. Se hace circular al agua en un movimiento helicoidal de eje vertical de alta velocidad. La energía se pierde en parte por rozamiento a lo largo de la caída y en parte en la cámara inferior por la turbulencia creada en ella.
Resalto hidráulico Disipación por impacto
Disipación por contracorriente disipación por vórtice
Disipadores más utilizados en redes de saneamiento
A continuación se describen con más detalle algunos disipadores, los más adecuados para su uso en redes de colectores siguientes tipos de disipador, por la correcta idoneidad que presentan para su uso en colectores (salvo el último, cuya bondad aún no está debidamente contrastada):
Pozo con caída libre y flujo en contracorriente
El pozo de caída libre es el diseño más simple para este tipo de estructuras, sobre todo para colectores de tamaño no demasiado grande y para alturas de hasta 8 m.
Un conducto de menor diámetro que el colector de llegada baja verticalmente antes de la llegada del colector al pozo de caída y comunica con la parte inferior del pozo. Cuando circulan caudales pequeños, cuya capacidad de dañar la infraestructura no es grande, la totalidad del caudal baja por este conducto y pasa directamente al colector de salida. Para caudales mayores, parte del flujo no entra por el conducto pequeño mencionado y alcanza el pozo principal. El caudal que baja verticalmente por el pozo y el que entra horizontalmente por el fondo proveniente del conducto pequeño chocan entre sí, disipándose buena parte la energía de ambos flujos.
Visto de otra manera, el flujo que entra horizontalmente por la parte inferior del pozo hace de colchón e impide que el flujo vertical impacte contra el fondo y lo dañe.
Pozos tipo vórtice
Estas estructuras, ampliamente utilizadas en redes de saneamiento, fueron introducidas por Drioli en 1947. Son especialmente apropiadas para su uso en colectores ya que permiten salvar grandes desniveles sin necesidad de disponer de mucho espacio en planta y además fomentan la ventilación natural de la red, por requerir menor entrada de aire que otro tipo de disipadores, como por ejemplo los pozos en caída
libre. En ellos la disipación se produce por rozamiento del agua, que baja con alta velocidad rotacional, con las paredes del pozo, que deben estar diseñadas para no dañarse con ello.
Se puede utilizar para desniveles de decenas de metros y caudales mayores que los máximos admitidos en pozos de caída libre.
La eficiencia máxima ocurre cuando “k”, la relación entre el calado y el diámetro interno de la bajante, es de aproximadamente 100. No obstante, el pozo funciona correctamente para k mayor que 10.
De los ensayos realizados y la experiencia de otras obras se conoce que esta estructura no presenta riesgos de cavitación ni genera vibraciones.
Se diseñan con el objetivo de generar un flujo en vórtice controlado inmediatamente aguas arriba del desnivel a salvar, ha sido objeto de numerosos ensayos en escala reducida y están formados por los elementos que a continuación se describen:
1. Canal de llegada 2. 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
Cámara de entrada
En la cámara de entrada se transforma el flujo laminar que se aproxima al disipador en un flujo rotacional. Su forma determina la tipología del pozo y puede ser (a) circular, (b) de tornillo, (c) de espiral, (d) tangencial o (e) de sifón.
La tipología en espiral es compleja de diseñar y de construir, por lo que únicamente se podría justificar su utilización por su mayor rendimiento. La tipología en tornillo simplifica la tipología en espiral y presenta la gran ventaja de poderse utilizar para cualquier desnivel, sin incremento de superficie ocupada en planta; por estas razones es la más ampliamente utilizada. Por último, la simplificación de la geometría llevó hasta la tipología tangencial, que es la más compacta y la más sencilla de construir.
Bajante:
El flujo de caída en el conducto vertical es de tipo helicoidal, por lo que el agua desciende pegada a las paredes internas, generando un chorro hueco con un núcleo central de aire.
Al comienzo de la bajante, donde el flujo toma aire y se separa de las paredes, el flujo se denomina de transición, a medida que el líquido se aproxima a la salida, la componente vertical de la velocidad aumenta, el torbellino se atenúa y la dirección del flujo se aproxima gradualmente a la vertical.
Las bajantes son generalmente verticales, lisas y de diámetro constante. Se han realizado ensayos incluyendo en sus paredes elementos que guían el agua en su flujo helicoidal, aunque no se ha comprobado que funcionen de forma adecuada para un caudal distinto del de diseño, por lo que se desaconseja su utilización.
Cámara de recepción y desaireación:
El objeto de este elemento es redireccionar el torbellino de agua hacia el canal de salida, en el que el flujo vuelve a ser tranquilo y eliminar el aire que llega mezclado con el agua. En él se disipa una porción pequeña de la energía cinética inicial (aproximadamente el 15%).
Entrada de aire:
El núcleo central de aire garantiza la estabilidad del movimiento del fluido lo largo de la pared del pozo, por lo que es necesario un correcto estudio de la ventilación.
El aire que desciende junto con el agua por la bajante, es recirculado de nuevo a la cámara de entrada mediante un conducto.
Diseño
Las dos variables que controlan el diseño de los pozos tipo vórtice son el caudal de descarga y el diámetro de la bajante, que debe permitir un mínimo de área hueca en el flujo. Estás dos variables están relacionadas por las fórmulas siguientes, según sea el flujo de aproximación subcrítico o supercrítico:
Flujo de aproximación subcrítico (F<1)
Siendo:
Q= caudal de descarga
R= radio de la bajante
B= ancho del canal de entrada
Flujo de aproximación supercrítico (F>1)
Siendo:
Q= caudal de descarga
R= radio de la bajante
Las dimensiones de la cámara de entrada se obtienen para cada tipología, en función del radio de la bajante y de las dimensiones del canal de entrada.
Para el dimensionamiento de la cámara de recepción, se debe cumplir lo siguiente:
Siendo
D= diámetro de la bajante
S= Largo del cuenco
B= Ancho del cuenco
T = Alto del cuenco
Por último, para proteger el suelo del cuenco amortiguador, es necesario generar un colchón de agua. Esto se consigue mediante la construcción de bloques, de una canaleta de salida o de un vertedero.
Disipadores de rejilla
Los disipadores de rejilla son elementos ensayados y tipificados por el USBR, especialmente indicados para saltos pequeños, en los que el número de Froude teórico que se obtendría en el pie de una rampa virtual que salvara la altura del salto esté comprendido entre 2.5 y 4.5.
Se trata de estructuras en las que la caída se materializa verticalmente (sin rápida) y en las que el agua se “filetea” al caer entre unas vigas longitudinales colocadas como continuación de la solera del nivel superior. La disipación de energía es excelente y se evita el problema de la generación de turbulencias aguas abajo. Además la estructura es autolimpiable, siempre que las vigas se coloquen con una inclinación de al menos 3º hacia abajo.
La disipación se produce en parte por el rozamiento del agua con el aire a través de la gran superficie de contacto generada por el “fileteado” del flujo de agua y en parte por los remolinos generados en la parte inferior de la estructura al encontrarse el agua que cae con el colchón de agua existente y que aún no ha salido hacia aguas abajo. Para facilitar la formación del colchón puede disponerse un umbral que no abarque toda la anchura para no dejar sin salida la cámara inferior.
Se han realizado ensayos en laboratorio para determinar el espaciado óptimo entre barras, concluyendo con que lo más efectivo es dejar un espacio libre igual a las dos terceras partes del ancho de la viga.
Diseño
El USBR (1987) recomienda seguir los siguientes pasos:
Escoger un ancho de hueco (W) y suponer huecos completos libres junto a las paredes.
El ancho de las vigas deberá ser aproximadamente 1,5 W
Calcular el número de huecos en función de la anchura prevista para el disipador.
Calcular la longitud del disipador con la fórmula siguiente:
yg2NW0.245
QL
L longitud de rejilla en ft
Q caudal en ft/s
W anchura de cada hueco entre reja en ft
N número de huecos
Y calado aguas arriba en ft
Ajustar la anchura del disipador hasta obtener una longitud adecuada para la cámara de rotura.
Analizando la formula anterior, se aprecia que la longitud de la rejilla es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del calado en la entrada. Por lo que para un caudal constante, a mayor velocidad, menor calado y mayor longitud de las vigas. De esto se desprende que para velocidades altas puede no ser recomendable este tipo de estructura por sus dimensiones.
Ejemplo de cálculo:
Se considera un salto de 3,5 metros en un colector de 2 x 2 m2 por el que circulan 12 m3/s.
El primer paso es comprobar que la tipología de disipador es adecuada, y en este caso se obtiene que nos encontramos en el límite para aplicar esta tipología (a la entrada al cuenco el número de Froude es 4.5):
caudal................................................................................................ 12.00 m3/scota solera canal aguas arriba del cuenco........................................ 3.50 mcalado aguas arriba del cuenco........................................................ 1.20 mvelocidad aguas arriba del cuenco.................................................... 5.75 m/scota de energía aguas arriba del cuenco.......................................... 6.39 mprofundidad del cuenco s/ canal....................................................... 0.00 mcota solera de canal aguas-abajo del cuenco................................... 0.00 mcota cuenco....................................................................................... 0.00 manchura cuenco................................................................................. 2.00 mcalado entrada cuenco...................................................................... 0.56 mcota de energía entrada cuenco....................................................... 6.39 mvelocidad entrada cuenco................................................................. 10.69 m/sfroude a la entrada del cuenco.......................................................... 4.56
La longitud de la rejilla se determina mediante la expresión:
yg2NW0.245
QL
Adoptando la recomendación de que la anchura de las vigas que conforman la rejilla sea 1.5 veces la anchura de los huecos entre ellas, se calcula la longitud de los disipadores propuestos. Para ambos se ha supuesto una anchura de 2.50 m, por lo que se obtiene:
Disipador de rejilla(Bradley & Peterka, 1957)
Q caudal........................................ 12.00 m3/s 423 ft3/s
anchura total.............................. 2.50 m 8.2 ft
huecos....................................... 40 % 40 %
WN anchura total de huecos............. 1.00 m 3.3 ft
Y calado aguas arriba................... 1.20 m 3.9 ft
L longitud de rejilla........................ 10.08 m 33.11 ft
Considerando algo de margen tras la rejilla para poder ubicar unos pates de bajada y un tubo para airear la reentrada de agua y para permitir la caída de los objetos barridos por el agua sobre la rejilla, las dimensiones finales serían:
o Longitud.......................................................................... 11.00 m
o Anchura........................................................................... 2.50 m
o Salto ................................................................................ 2.50 m
Rampas dentadas
Este tipo de estructura consiste en construir una rampa para salvar el desnivel, disponiendo en su solera o bloques de hormigón que dificultan el flujo del agua. La disipación de energía se produce por el incremento del recorrido del agua, los cambios de dirección y los impactos contra los dientes.
La estructura evita una aceleración excesiva del agua y consigue una velocidad de salida adecuada. No necesita cuenco amortiguador por lo que es adecuada en situaciones en las que la cota de agua aguas abajo es variable, por ejemplo a la entrada de áreas de laminación.
Los primeros estudios de este tipo de disipadores fueron presentados por Peterka en 1958.
Disipador tipo IX del USBR (Peterka, 1958)
Este disipador tiene las características siguientes:
Los bloques son ortogonales a la solera de la rampa.
El caudal de diseño es el máximo de descarga.
Existe un retranqueo entre el canal de llegada y el comienzo del disipador, cuyo objeto es disminuir la velocidad de entrada al disipador.
El uso de este disipador está condicionado por las siguientes limitaciones:
Caídas de pendiente comprendida entre el 25% y el 50%.
Descargas hasta de 5.5 m3/s por metro de ancho.
Baja velocidad de aproximación (inferior a la velocidad crítica).
El diseño de los bloques se ha basado en ensayos en modelo reducido y debe cumplir lo siguiente:
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 a aproximadamente 1,5H.
La colocación de los bloques debe realizarse al tres bolillo.
La distancia entre filas de bloque debe ser de aproximadamente 2H.
Bajantes escalonadas
Este tipo de estructura ya fue empleada por los romanos y ha sido documentada y ensayada en diversos estudios.
Consiste en la formación de escalones a lo largo de una pendiente, equivalentes a una serie de cascadas, en las que ocurren fenómenos de aireación y disipación de energía. La pendiente longitudinal máxima para este tipo de estructuras es de 67º.
El tipo de flujo varía dependiendo del caudal que circula por la estructura:
Cuando se trata de un caudal pequeño, el flujo corre de un escalón a otro como en una sucesión de pequeñas cascadas.
Cuando se presentan caudales altos, el flujo se desarrolla como una capa uniforme que se desplaza sobre las esquinas de los escalones, denominándose “flujo rasante”. Debajo de la capa principal se desarrollan unos flujos recirculantes (o remolinos) en las cavidades de los escalones, que son los que posibilitan la disipación de energía.
Flujo saltante Flujo rasante
Su rango de operación parte desde 1 metro desnivel y no tiene límite de altura.
La disipación máxima de energía ocurre con flujo saltante, ya que se produce un pequeño resalto en cada escalón, no obstante, esta condición requiere grandes tamaños de escalón. Para caudales superiores a 1 m3/s/m, la altura del escalón debe ser de al menos 1,9 metros, aunque se puede optar por aumentar el ancho de la estructura. 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 del terreno es similar a la pendiente de la bajante, el coste de la estructura es mínimo, en caso contrario no es recomendable su uso por los elevados costes de excavación que supone.
Pozos con bandejas
Son unas estructuras de disipación de energía formadas por una sola cámara dividida en dos partes. En una de las zonas se instalan unas láminas escalonadas y en la otra parte de la cámara se deja un conducto que posibilita las tareas de mantenimiento y permite airear el flujo.
Las gradas alternas conforman una serie de caídas libres en forma de cascada. El flujo interior de las cámaras de gradas se puede clasificar en cuatro tipos, similares a los flujos de cámaras en caída libre, dependiendo del caudal que pasa por la estructura y del lugar del impacto. Cuando el caudal es pequeño el flujo impacto en la bandeja más cercana al conducto de entrada, a medida que el caudal aumenta, el flujo va impactando más lejos, en dirección opuesta al conducto de entrada.
En este tipo de disipadores el fenómeno de entrampamiento de aire ocurre entre escalones. A medida que el caudal aumenta, este proceso se complica, por lo que es muy importante la construcción de la cámara lateral, dado que desde ella el flujo puede arrastrar el caudal de aire necesario.
Puede introducirse en el diseño una pantalla de impacto con objeto de direccionar la corriente hacia las plataformas inferiores, aunque esto induce a restringir el uso del disipador en función del número de Froude del flujo de aproximación.
Es un tipo de disipador que ha sido muy ensayado para su posible implantación en redes de saneamiento, por su geometría simple y su sencillez constructiva. No obstante hasta la fecha no se han obtenido resultados muy alentadores en cuanto a su eficiencia hidráulica y debe prevenirse sobre su uso.