informe perfil creager

7/25/2019 Informe Perfil Creager

1/24

Estudio y diseo de un azud vertedero tipo Creager por el mtodo de la Bureau of Reclamation.

1

TITULACIN DE INGENIERA CIVIL

ESTUDIO Y DISEO DE UNAZUD VERTEDERO TIPOCREAGER POR EL MTODODE LA BUREAU OFRECLAMATION.

Autor: Daniel Pineda Valdivieso.

Docente: M.Sc. Carmen Mireya Lapo Pauta.

Materia: Hidrulica I.

Fecha: 21/01/16.

Paralelo: A.

Oct-Feb. 2016

Loja-Ecuador


2/24


2

ContenidoPortada .............................................................................................................................. 1

1. Objetivos ................................................................................................................... 3

Objetivo General: ......................................................................................................... 3

Objetivos Especficos: .................................................................................................. 3

2. Introduccin .............................................................................................................. 4

3. Marco Terico ........................................................................................................... 5

3.1. Generalidades ....................................................................................................... 5

3.2. Clasificacin de los aliviaderos. ............................................................................ 6

3.3. Recomendaciones para el diseo estructural. ...................................................... 10

4. Metodologa ................................................................................................................ 10

4.1. Mtodo para el perfil de un aliviadero sin control con cresta de forma conopial.(Bureau Reclamation, 1987) ....................................................................................... 10

5. Resultados ................................................................................................................... 19

Mtodo de Comparacin WES. .................................................................................. 21

6. Anlisis de Resultados ................................................................................................ 23

7. Conclusiones. .............................................................................................................. 24

8. Bibliografa ................................................................................................................. 24
http://c/Users/Dell%20I7/Documents/INFORME%20PERFIL%20CREAGER%20DANIEL%20PINEDA%20HIDRA%C3%9ALICA%20I.docx%23_Toc440842062http://c/Users/Dell%20I7/Documents/INFORME%20PERFIL%20CREAGER%20DANIEL%20PINEDA%20HIDRA%C3%9ALICA%20I.docx%23_Toc440842062http://c/Users/Dell%20I7/Documents/INFORME%20PERFIL%20CREAGER%20DANIEL%20PINEDA%20HIDRA%C3%9ALICA%20I.docx%23_Toc440842062


3/24


3

1. Objetivos

Objetivo General:

Disear un azud-vertedero tipo Creager de acuerdo al mtodo elaborado por laBureau of Reclamation, como elemento necesario en una obra de captacin deagua o bocatoma de tipo lateral o convencional.

Objetivos Especficos:

Investigar el origen y desarrollo del mtodo de la Bureau of Reclamation con lafinalidad de conocer y comprender la base terica que lo respalda.

Elaborar una hoja electrnica de fcil interactuacin usuario programa para laoptimizacin del clculo y diseo.

Comparar los resultados del mtodo estudiado con otros existentes, para elaborar

una tabla de ventajas y desventajas que ofrece cada mtodo.


4/24


4

2. Introduccin

Los elementos naturales como son el aire y el agua, son indispensables para el serhumano. El aire se lo obtiene en todas partes y sin restriccin. El agua solo existe enalgunos lugares y su cantidad vara. El ingenio humano ha permitido que los hombres

puedan vivir lejos de los cauces naturales llevando el agua desde estos hacia donde lorequieren, gracias al avance tcnico de las obras hidrulicas, en este caso de transporte,riego o como tambin tratamiento del agua para abastecimiento humano.

Si deseamos utilizar el agua de cauces naturales, producidos por la escorrentasuperficial y topografa del terreno y una vez realizados los estudios hidrolgicos,geolgicos, topogrficos y ambientales, debemos realizar el conjunto hidrulico, dentrode este conjunto se encuentran los aliviaderos.

El perfil tipo Creager nace como una solucin a la necesidad de desfogar el aguacontrolando las presiones y velocidades de la misma y de generar una carga constantede diseo en una captacin convencional con rejilla lateral.


5/24


5

3. Marco Terico

3.1. GeneralidadesConjunto Hidrulico. Partes que lo componen.

Se define como Conjunto Hidrulico, al conjunto de obras que se construyen con el propsito de almacenar, evacuar y distribuir un cierto volumen de agua para satisfacerdeterminadas demandas de la zona donde se ubique. (Evio Brea, 2001-2005)

Fig 1. Conjunto Hidrulico.

Aliviaderos.

Los aliviaderos son esructuras hidrulicas que permiten desfogar las excedencias decarga de agua que no se desea aprovechar.

Las partes que lo componen, de manera general se pueden listar de la siguiente manera:

1. Canal de aproximacin.

2. Seccin de control.

3. Transicin.

4. Rpida o conducto de descarga.

5. Estructuras terminales o disipadoras de energa.

6. Canal de salida.


6/24


6

Fig 2. Esquema en planta y perfil de un aliviadero. (Evio Brea, 2001-2005)

3.2. Clasificacin de los aliviaderos.Segn (Bureau Reclamation, 1987), las condiciones del lugar donde se implantar laobra son factores fundamentales para la ubicacin, eleccin del tipo de aliviadero y suscomponentes.

La clasificacinsegn (Evio Brea, 2001-2005), es la siguiente:

Los aliviaderos de acuerdo a su disposicin en planta se clasifican en:

1. Aliviaderos frontales.

2. Aliviaderos laterales.

3. Aliviaderos curvos en planta.

- Aliviaderos mexicanos o de abanico.

- Aliviaderos semi-mexicanos o semi-abanico.

- Aliviaderos curvos propiamente dichos.

1. Aliviaderos frontales.


7/24


7

Son aquellos rectos en planta, cuyo vertimiento se realiza coaxial al conducto dedescarga; tienen como desventajas que pueden ocupar grandes extensiones en planta, locual traera como consecuencia en caso de construirse en una montaa, grandesvolmenes de excavacin.

Fig 3. Vista Planta de Aliviadero Frontal

2. Aliviaderos laterales.

Son aquellos cuyo vertimiento se realiza con cierto ngulo con respecto al conducto dedescarga. Al contrario del aliviadero frontal, en caso de que se vaya a colocar en unamontaa, puede ser ubicado de forma tal que bordee la ladera sin necesidad de excavarla montaa, ahorrndose as grandes volmenes de excavacin.

Fig 4. Vista Perfl de Aliviadero Lateral

3. Aliviaderos curvos en planta.

El vertimiento se realiza radialmente, existiendo una concentracin central del flujo enel conducto de descarga. Tienen la ventaja de que ocupan poca rea en planta - enrelacin con uno frontal - y presentan gran longitud vertedora.


8/24


8

Fig 5. Vista Planta de aliviadero curvo.

Segn su ubicacin.

1. Aliviaderos de cauce.

2. Aliviaderos de marginales o de laderas.

Aliviaderos de cauce:

Son aquellos que se ubican dentro del cuerpo de la presa, pueden ser superficiales o profundos. Los primeros tienen como ventajas que no producen debilitamiento en elcuerpo de la presa, las compuertas no existen y de existir, trabajan en condicionesfavorables; los segundos son conductos cerrados generalmente de seccin rectangular ocircular, donde el flujo puede circular a presin a todo lo largo del conducto o en untramo del mismo. Estos se utilizan en aquellos casos donde es necesario bajar

profundamente el nivel del embalse, ejemplo, en riego, evacuacin de los gastos deconstruccin, etc.

Aliviaderos de margen:

Son aquellos que se ubican fuera del cuerpo de la presa y se utilizan en presas de

materiales locales o de hormign, en caso de cierres estrechos. Ellos se ejecutan enforma de rpidas o de tneles sin carga, con carga a todo lo largo del aliviadero, o concarga parcialmente.

Segn el tipo de conduccin:

1. Aliviaderos con descarga libre.

2. Aliviaderos con descarga forzada.


9/24


9

Segn el tipo de construccin.

1. Aliviaderos superficiales.

2. Aliviaderos soterrados o de fondo.

Segn el tipo de vertimiento.

1. Vertedores automticos.

2. Vertedores regulados por compuertas.

Vertedores automticos:

Son aquellos en que el agua al sobrepasar su cresta vierten automticamente, es decir,no llevan ningn dispositivo para controlar el vertimiento.

Vertedores regulados por compuertas:

Una de las caractersticas fundamentales de este vertedor el hecho de que la cresta delcimacio no necesariamente coincide con el nivel de aguas normales, lo cual da origen ala existencia de dos tipos de vertimiento: regulado con carga hasta el nivel de aguasnormales y libre bajo la influencia de las pilas con carga hasta el nivel de aguasmximas que tiene lugar una vez que son izadas todas las compuertas.

Entre las ventajas que reporta el uso del aliviadero regulado por compuertas, encomparacin con uno automtico, se encuentran las siguientes:

Como la cresta del cimacio de un aliviadero regulado no alcanza la cota del nivelde aguas normales, pues precisamente, esa diferencia de cotas entre la cresta delcimacio y el nivel de aguas normales constituye el prisma de agua que se va aregular, se obtiene un perfil ms econmico que el que se tendra que usar en unaliviadero automtico.

El hecho de contar con un perfil con cresta ubicada por debajo de la cota delnivel de aguas normales, hace que la cota del nivel de aguas mximas disminuyaen comparacin con la que se obtendra si se colocara un vertedor automtico.De esta manera el rea de inundacin del embalse sera menor y como resultadose contara con ms terreno aprovechable para otras funciones.

Poder regular por debajo del nivel de aguas normales permite en un momentodeterminado, vaciar el embalse por el aliviadero hasta la cota de la cresta delcimacio, para una posible reparacin de la cortina.

Como desventajas del uso de un aliviadero regulado por compuertas se puedensealar:

Uso de elementos metlicos en el aliviadero. La necesidad de utilizar mecanismos de izaje, lo cual hace imprescindible el

uso del fluido elctrico u otro tipo de energa para la manipulacin de las


10/24


10

compuertas durante el perodo de explotacin, avenidas y la ejecucin demantenimiento peridico a dichos mecanismos.

La posible ocurrencia de vibraciones en las compuertas.

Segn el (Bureau Reclamation, 1987), las ventajas de la cresta de desborde sin controlson la eliminacin de la necesidad de constante mantenimiento por un operario,mientras que en las que existe una compuerta de regulacin, se utilizan si se deseacontrolar el flujo de almacenamiento o descarga.

Una cresta con compuerta de regulacin o mvil es requerida solo si no es posibleobtener un cimacio para satisfacer las capacidades del aliviadero.

3.3. Recomendaciones para el diseo estructural.

El diseo estructural se lo realiza una vez seleccionado el tipo de aliviadero a usar.Usualmente el material de construccin de un aliviadero no capaz de soportar lasgrandes velocidades de flujo, por lo tanto se debe incluir un revestimiento a lo largo dela direccin del agua que pasa sobre al aliviadero, que reduce la erosin y las prdidas

por friccin. Las especificaciones estructurales de diseo pueden diferir de acuerdo almaterial de construccin del aliviadero, debido a las caractersticas de permeabilidad,capacidad de carga y asentamiento. El anlisis de la estabilidad se detalla ms adelante.

4. Metodologa

El mtodo a emplear para el diseo del perfil de un aliviadero con cresta sin control esel de la Bureau of Reclamation.

4.1. Mtodo para el perfil de un aliviadero sin control con cresta deforma conopial. (Bureau Reclamation, 1987)

Para obtener la forma ptima de un vertedero en el cual se anulan las presiones sobre elmismo, se ha optado por seguir la forma que reproduce la lmina inferior del flujo deagua en cada libre sobre un vertedero de pared delgada. Adems permite controlar lacarga de velocidad de aproximacin.

El perfil est en funcin de:

La inclinacin del paramento. La carga de agua sobre la cresta.


11/24


11

Las diferentes formas de la cresta han sido ampliamente estudiadas experimentalmente por los laboratorios de Hidrulica del Bureau of Reclamation de los Estados Unidos.

Para la mayora de los casos, los resultados se pueden resumir como se ilustra en lasiguiente figura, y de acuerdo a las siguientes ecuaciones:

Fig. 6. Perfil modelo para aliviadero segn (Bureau Reclamation, 1987)

La porcin ro arriba se define con dos curvas circulares o una curva compuesta. La porcin ro abajo se define mediante:

Que naturalmente es una ecuacin exponencial, donde los factores k y n son constantesque dependen de:

La inclinacin del paramento

La velocidad de aproximacin del agua.

Los valores de k y n podemos obtenerlos, con la relacin Ha/Ho.


12/24


13/24


13

Condiciones para el Mtodo de aproximacin

La forma aproximada del perfil debe tener un paramento vertical y velocidad deaproximacin despreciable.

La altura P del paramento debe ser igual o mayor a la mitad de la carga dediseo.

Fig. 8. Perfil de la cresta definido mediante curvas compuestas


14/24


14

La fig. 7 nos permite disear de manera eficaz, una vez que se cumplan las condicionesdescritas anteriormente y nos escatiman el resolver la ecuacin exponencial.

Ecuacin de la descarga

La ecuacin del caudal de descarga para este tipo de perfil viene definidamatemticamente como:

C- coeficiente de descarga

L Longitud efectiva de direccin del agua.

H Altura total sobre la cresta del vertedero.

Coeficiente de Descarga.

El coeficiente de descarga C, est influenciado por diversos factores.

En vertederos de pared delgada si su altura es mayor a la quinta parte de la altura decarga, el coeficiente es casi constante de 1.80. En vertederos de pared gruesa es de 1.70

La siguiente tabla de coeficientes es vlida solo si He/Ho = 1, es decir cuando se formala corriente de lmina de agua ideal.

Fig. 9. Coeficiente de descarga para una relacin de napa ideal. (Bureau Reclamation, 1987)


15/24


15

Fig. 10. Coeficiente de descarga para una relacin de napa ideal. (Evio Brea, 2001-2005)

Para cargas diferentes a las de diseo el factor de contraccin vara de acuerdo al

siguiente baco:

Fig. 10. Coeficiente de descarga para diferentes cargas a la de diseo. (Bureau Reclamation,1987)

Correccin del coeficiente de descarga por inclinacin del paramento.

Fig. 10. Coeficiente de descarga por inclinacin del paramento (Bureau Reclamation, 1987)


16/24


16

Efecto del zampeado y calado aguas abajo:

Fig. 11. Relacin entre el nivel aguas abajo, zampeado y disminucin del coeficiente dedescarga y tipo de flujo (Bureau Reclamation, 1987)

Correccin debida al efecto del zampeado.

Fig. 12. Coeficiente por efecto del zampeado y calado aguas abajo. (Bureau Reclamation, 1987)


17/24


17

Correccin debida al grado de sumersin:

Fig. 12. Coeficiente por grado de sumersin. (Bureau Reclamation, 1987)

Una vez corregido el coeficiente, podemos aplicar la ecuacin para conocer la descarga.

Longitud Efectiva.

Si existiesen obstculos al flujo de agua sobre el vertedero como las pilas y estribos deun puente, debemos calcular la longitud de agua efectiva, mediante la siguienteexpresin:

L : longitud efectiva del vertimiento, m.L1: longitud neta, m, implcita dentro de la expresin de la longitud total y se calcula como:

n : nmero de pilas.K p: coeficiente de contraccin producida por las pilas. (Tabla 1)K e: coeficiente de contraccin producida por los estribos. (Tabla 1)H0 : carga total sobre el vertedort : ancho de pila


18/24


19/24


19

5. Resultados

La hoja de clculo la hemos realizado en Microsoft Excel por universalidad y el modelotipo de prueba se muestra a continuacin:

Ingresamos los datos de entrada, caudal de diseo (no menos del 75% del caudalde mxima crecida), el ancho del azud (por topografa o canal de entrada), lalongitud del paramento (en base a la altura del umbral hasta la reja en captacinconvencional) y el coeficiente de descarga C, asumido.

Los datos se guardan como se muestra:

Y obtenemos los siguientes resultados:

Resultados:Ho = 0.8949Ha = 0.0561He = 0.8388Pa/Ho 0.8940He/Ho 0.9373

Damos clic en el botn Corregir, para que automticamente por iteraciones,corregir el coeficiente de descarga C.


20/24


20

Con el nuevo coeficiente, obtenemos los verdaderos valores para Ho, Ha, He.

Ho = 1.4970Ha = 0.1644He = 1.3326Pa/Ho 0.4008Co 2.0894C2 0.9842

C corregido 2.0563 Una vez, ledos en los bacos o mediante las ecuaciones de los bacos

obtenemos los valores de k, n y R1, R2.

Ha/Ho = 0.063 Xc/Ho = 0.273 Xc 0.2428Yc/Ho= 0.112 Yc 0.0996

K = 0.513 R1/Ho= 0.514 R1 0.4572

n = 1.837 R2/Ho= 0.214 R2 0.1903

Y finalmente, obtenemos el grfico del perfil Creager:

-4.5

-4

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

Grfico del perfil Creager

Series1


21/24


21

Vista Isomtrica prototipo elaborada por el autor.

Mtodo de Comparacin WES.

Es un mtodo variante al del USBR, con diferentes consideraciones, en donde notomamos en cuenta la velocidad de aproximacin.

Con base en los datos del United States Bureau of Reclamation, el cuerpo de ingenierosde los Estados Unidos (U.S. Army Engineers Waterways Experiment Station) , se basaen la siguiente ecuacin:

Ingresamos los datos de entrada:


22/24


22

K= 2 Coefiente dependiente de lapendiente

n= 1.85 Coefiente dependiente de la pendienteL= 1.8 m Longitud de la cresta del vertderoQmax= 3.2 m3/seg Caudal Mximoh= 0.8 m Altura del dique

Y, obtenemos:

Hd= 0.97732671 m

h/Hd= 0.81855944

C0= 2.12690977

v= 1.81902097yc= 0.68553344vc= 2.59327651

TIPO DE FLUJO Flujo subcritico

Ha= 0.16864614 m/s

He= 1.14597285 m/s

Finalmente, aplicamos la ecuacin exponencial y nos queda:


23/24


23

6. Anlisis de ResultadosLos resultados alcanzados, utilizando el mtodo de la Bureau, como el mtodo WES,son bastante similares. La diferencia radica en las condiciones iniciales necesarias parala aplicacin de cada uno de los mtodos.

Adems, el Bureau nos permite disear de manera rpida y sencilla el perfil por elmtodo de aproximacin para un paramento vertical y nos permite si el proyecto lonecesita, calcular varias otras variables de entrada como pueden ser la reduccin de lalongitud efectiva, o la correccin del factor de descarga por sumersin y zampeado.

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4


24/24


7. Conclusiones.

Se estudi y detallo ampliamente el mtodo de la Bureau Reclamation y podemosconcluir que es un mtodo fiable y bastante utilizado para lograr un perfil con ptimascondiciones. Otra variante, sera utilizar el mtodo WES, con igualmente buenosresultados.

Los mtodos fueron desarrollados en hojas de clculo para en un futuro utilizar en elmbito profesional cuando se lo requiera.

Adems, como consecuencia del trabajo, hemos mejorado nuestra capacidad paradesarrollar software de clculo hidrulico utilizando el lenguaje de programacin VisualBasic.

8. Bibliografa

Bureau Reclamation. (1987). Design of Small Dams. Washington: Third Edition.

Evio Brea, R. G. (2001-2005). DISEO HIDRAULICO DE ALIVIADEROS PARA PRESAS. Havana.

MVOTMA. (2011). Manual de Diseo y Construccin de Pequeas Presas. Montevideo, Uruguay.