trabajo aliviaderos y transiciones

TRANSICIONES Y ALIVIADEROS LATERALES HIDRAULICA APLICADA

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL Página 1

ESTUDIO DE TRANSICIONES

La transición es una estructura hidráulica que sirve para unir dos tramos de diferente sección de un canal, eliminando la brusquedad del cambio de sección, a efecto de reducir al mínimo las pérdidas de carga y obtener así la mayor eficiencia hidráulica. La transición en un canal es una estructura diseñada para cambiar la forma o el área de la sección transversal del flujo. Esta estructura es el inicio de la obra y por tanto la entrada del flujo a la misma, razón por la cual es imprescindible que su funcionamiento sea el adecuado para no condicionar negativamente al resto de la estructura. Estudiar las características de la transición y su diseño hidráulico es un paso previo a los diseños destinados a mejorar su funcionamiento.

1. Marco teórico

En un canal abierto las transiciones tienen el objetivo de cambiar la forma o área de la sección transversal del flujo. Este cambio de forma o tamaño de sección transversal deberá proyectarse en un tramo corto de canal diseñado para que la transición de una corriente a otra se haga gradualmente.



Si la estructura funciona correctamente, recibe agua de un canal y la entrega al otro a las profundidades respectivas para las que esta calculados uno y otro. La obra debe estar diseñada para mantener líneas de corriente suave y casi paralelo, minimizando las ondas estacionarias. Un diseño con cambio de profundidades o ancho muy rápido, el flujo puede hacerse rápidamente variado, y pueden generarse ondas estacionarias. Para reducir las pérdidas de carga y la turbulencia, el perfil calculado de la superficie libre a través de la transición, deberá ser una curva continua y uniforme aproximadamente tangente a las curvas de la superficie libre en los canales de aguas arriba y aguas abajo.

2. Tipos de Transiciones

Existen dos tipos de estructuras de transición en un canal abierto, las contracciones y las expansiones. En las contracciones la sección de entrada es de mayores dimensiones que la sección de salida; caso contrario a las expansiones donde las mayores dimensiones se encuentran en la salida de la estructura. Ambos casos se pueden incluir dentro transiciones sorpresivas si las estructuras presentan cambio de dimensiones de la sección transversal ocurriendo en una distancia relativamente corta. Una estructura con esta característica inducirá un flujo rápidamente variado. En este caso particular, la transición de entrada al dique, por las características de las secciones de inicio (tolva) y fin (rectangular) de la misma se puede asimilar a una expansión. Por ello se profundiza el estudio en este tipo de transición en canal abierto.

CLASIFICACIÓN:

Según la US BUREAU OF RECLAMATION

TIPO DE CUADRANTE CILINDRICO: es una transición curvada según un cuarto

de cilindro.

Tipo en línea recta: las paredes son planas y en forman con el fondo

también planos ángulos diedros. Debido a su economía y eficiencia son

las de uso más difundido en canales pequeños y medianos. Por lo que

serán luego descritas en detalle.



Tipo alabeada corrientilínea: Es la más refinada y costosa de las transiciones. Las paredes son alabeadas según la configuración de las líneas de corriente.

Tipo alabeada recta: Es una simplificaci6n de la anterior. Las aristas superior e inferior de la pared alabeada son rectas

TIPO DE EXTREMOS CUADRADOS: La transición se reduce a un muro cabezal en el plano de la sección menor. Se usan solo en canales pequeños de escasa importancia.



3. Diseño de transiciones

Como una aplicación del concepto de energía específica vamos a estudiar el perfil de la superficie libre en un canal en el que hay un cambio en la sección transversal. Este cambio puede originarse en una pequeña grada de fondo, positiva o negativa, según que el fondo ascienda o descienda.



Criterios para hallar la LONGITUD DE TRANSICION: a) CRITERIOS DE HINDS:

La longitud queda dada por la formula

La longitud de la transición se obtiene de acuerdo al criterio de J.Hinds, que consiste en considerar que el ángulo que debe formar la intercesión de la superficie del agua y la pared en el principio y fin de transición con el eje de la estructura en 22°30. b) LA COMISON NACIONAL DE IRRIGACION MEXICANA:

Según experiencias obtenidas desde la antigua Comisión Nacional de Irrigación, dicho ángulo se considera:

α=11° c) USBR:

Según la UNITED STATES BUREAU OF RECLAMATION, considera dicho ángulo:

α=12°30 d) OTROS INVESTIGADORES

Recomiendan α=12°30 Para que el coeficiente “k” de la perdida de Carga por transición sea mínima:

( ) e) USANDO PLANTILLA:

En algunos casos se cumple.



B = plantilla de canal mayor b = plantilla de canal menor

ALIVIADEROS

1.- INTRODUCCION

El aliviadero debe tener una capacidad de desagüe suficiente para las crecidas del rio,

incluso la mayor que pueda producirse, de acuerdo con los criterios vigentes, no

lleguen a causar daño en la presa como consecuencia de sobrepasar el agua el nivel de

coronación. La captación del embalse, en su tramo superior hasta alcanzar la

coronación de la presa, tiene influencia decisiva en ello. Si este volumen de embalse es

pequeño en comparación con el volumen de aporte la crecida, puede afirmarse que

apenas ejercerá efectos de laminación y el aliviadero debe ser capaz de desaguar un

caudal similar al máximo de la crecida.

Por el contrario, siendo el volumen de embalse suficientemente grande, si se deja un

adecuado resguardo hasta la coronación, puede acumularse temporalmente una gran

parte del volumen de la crecida, reduciendo sensiblemente el caudal el caudal punta

de la salida del embalse, por lo que se requerirá una capacidad de desagüe del

aliviadero mucho más reducida.

En el pasado, teniendo compuertas la mayoría de los aliviaderos, era frecuente cuando

llegaba la época de crecidas, mantener el nivel de embalse bastante más bajo que el

normal y tratar de laminar los caudales máximos. Hoy en día en la mayoría de los

casos, el valle del rio agua abajo de la presa tiene bastantes núcleos urbanos y hay que

dar prioridad a que en ellos las crecidas no produzcan daños. Pero simultáneamente

está el hecho de que cada día es mayor el valor del agua, y por lo tanto se debe evitar

vértela al río siempre que sea posible retenerla en el embalse.



2.- DISEÑO HIDRAULICO.

Para el diseño de un aliviadero se deben considerar los siguientes aspectos:

Selección de la avenida del proyecto: comprende consideraciones generales y

hidrogramas de la avenida del proyecto.

Relación del almacenamiento de sobrecarga a la capacidad del vertedor

Estudios de variación de niveles

Selección del tamaño y tipo del aliviadero

Un aliviadero como el mostrado en la Figura A. puede dividirse en tres partes o zonas

Figura A. Vertedero de excesos

La cresta del vertedero de excesos se diseña de tal manera que la superficie inferior de

la vena líquida coincida con la forma de un vertedero de pared delgada, como se

muestra en la Figura A (b). La presión sobre el vertedero será entonces hidrostática y

podemos utilizar la ecuación del vertedero para estimar el caudal. Para un vertedero

equivalente,

= 0 así que Cd = 0.611, sustituyendo Cd = 0.611 en la ecuación tenemos:

q = 3.33 H3/2



Experimentos realizados muestran que sobre elevación de la cresta del vertedero

hasta el punto más elevado de la vena líquida es 0.11H, puede entonces escribirse en

términos de la cabeza sobre la cresta del aliviadero HD como:

HD = H – 0.11H = 0.89 H ó

Sustituyendo el valor de H en la ecuación, se obtiene:

q = 3.97 HD3/2

La cara del aliviadero. La cara inclinada del aliviadero (rápida) es normalmente de 45°

con la horizontal. El interés del diseñador es conocer la velocidad alcanzada en la base

o pie del aliviadero. El cálculo de ésta velocidad es difícil debido al carácter complicado

del flujo descendente ya que existen tanto aceleración y el desarrollo de una capa

limite como se muestra en la Figura B, la inclinación extrema de pendiente introduce

más complicaciones, presentándose el fenómeno de atrapamiento de aire (auto

aireación o aguas blancas) o inflamiento del flujo. Actualmente se está de acuerdo que

el punto de inicio del atrapamiento de aire comienza en el punto C, donde la capa

limite en crecimiento se encuentra con la superficie del agua. La mezcla resultante de

aire – agua, conteniendo una gran proporción de aire, continua acelerándose hasta

que el flujo uniforme ocurre, o la base del aliviadero es alcanzado.

Figura B. Flujo sobre la cara del aliviadero



Se ha realizado mucho trabajo experimental para determinar la velocidad del flujo en

el pie del aliviadero. Los resultados obtenidos por el cuerpo de ingenieros de los

Estados Unidos de América son presentados en la Figura C desde el cual la velocidad se

puede determinar; la “velocidad teórica” utilizada en la Figura está definida por:

Donde:

z, y, H son mostrados en la Figura

Figura C. Velocidad en el pie del aliviadero

El pie del aliviadero: Cuando el flujo alcanza el final de la cara inclinada, la excesiva

energía cinética debe ser disipada para evitar erosión y el balance convertirlo en

energía de presión. Entonces los disipadores de energía juegan un papel importante en

estos sitios terminales de los aliviaderos o rebosaderos. Los disipadores de energía

son utilizados también con otros tipos de estructuras que serán discutidos en una

sección aparte.



3.- LA FUNCION DEL ALIVIADERO

Los aliviaderos son necesarios para descargar el excedente de agua para que este no

dañe la presa, la central eléctrica ni la ribera del río delante de la presa. El tipo de

aliviadero más común es el derrame. Este sistema consiste en que una zona de la parte

superior es más baja. Para permitir el aprovechamiento máximo de la capacidad de

almacenamiento, estas están partes más bajas cerradas con unas compuertas móviles.

En algunas presas, los excedentes de agua son tan grandes que hay aliviaderos en todo

el ancho de la presa, de forma que la estructura es una sucesión de pilares que sujetan

compuertas levadizas. Otro tipo de aliviadero es el salto de agua, un canal de hormigón

ancho, con mucha pendiente, que se construye en la base de algunas presas de altura

moderada.

El aliviadero es un regulador del caudal del canal. Adicionalmente está combinado con

compuertas de control que provee una manera de variar el caudal. Para un esquema

de PCH, las compuertas pueden ser reemplazadas por una estructura de reja y troncos

que retengan el caudal o por un cloque tipo puente.

Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tienen como misión liberar parte

del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared

principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie.

La misión de los aliviaderos es la de liberar, si es preciso, grandes cantidades de agua o

atender necesidades de riego. Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al

caer desde gran altura, los aliviaderos se diseñan para que la mayoría del líquido se

pierda en una cuenca que se encuentra a pie de presa, llamada de amortiguación.

Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas, de

acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según la demanda de la situación.



4.- CAUDAL DE AVENIDA

Se denomina crecida o caudal extraordinario al caudal excesivamente alto en un río.

Los fenómenos de las avenidas, al igual que las precipitaciones, son aleatorios con

ciclos básicamente anuales.

Otra definición de avenida o crecida, según la Directriz Básica de Planificación de

Protección Civil ante el riesgo de inundación, es la siguiente: un aumento inusual del

caudal de agua de un cauce que puede o no, producir desbordamientos o

inundaciones.

Las crecidas son debidas a factores como:

5.- EFECTO REGULADOR DEL EMBALSE

Efecto regulador: traslación y amortiguamiento

Si la tasa de rama ascendente es grande disipación rápida de primera parte de

la crecida mayor retardo en el peak (CRESTA).

Magnitud del peak: almacenamiento en el cauce por unidad de altura de agua,

aumenta con el nivel de agua mayores peak se amortiguan más que los

menores.

Pendiente del cauce: a mayor i hay mayor v y menor h almacenamiento

es menor.



Nivel de aguas abajo: si éste está decreciendo al iniciarse la programación de crecidas

desde agua arriba una parte de la Creta de concentración se empleara en

mantener un flujo permanente y efecto de propagación será menos evidente.

Longitud del tramo de río: como almacenamiento varían su longitud a mayor L

hay mayor amortiguamiento.

Longitud del peak: a mayor longitud de zona del peak (hidrograma más plano),

entonces menor efecto de amortiguamiento.

6.- CAPACIDAD DE DESCARGA DE LA ESTRUCTURA.

La descarga sobre una cresta de cimacio sin controles se obtiene de:

Donde:

Q = descarga

C = un coeficiente de descarga variable

L = longitud efectiva de la cresta

He = carga total sobre la cresta, incluyendo la carga correspondiente a la

velocidad de llegada, ha

Hay varios factores que influyen en el coeficiente de descarga, estos son:

1) La profundidad de llegada

2) La relación de la forma real de la Creta a la de la lámina ideal

3) La pendiente del paramento aguas arriba

4) La interferencia del lavadero aguas abajo

5) El tirante de la corriente aguas abajo

23

eCLHQ



El efecto de la profundidad de llegada, es un factor importante, que afecta

considerablemente al coeficiente de descarga. Para alturas de vertedero menores de

aproximadamente un quinto de la carga, el coeficiente de la cresta disminuye.

El efecto de la profundidad de la vena aguas abajo del vertedero, también en gran

parte disminuyendo la descarga. Cuando esta profundidad es grande, afecta la

descarga y se dice que el vertedero esta ahogado.

Cuando el vertedero esta ahogado y el régimen de la aproximación es subcrítico, el

flujo se comporta prácticamente como al subir un escalón; esto es, debe producirse

una disminución en el nivel de agua. Esto se demuestra de la siguiente manera:

Perfil bidimensional del canal:

Figura D. Gráfico de la altura de agua “y” vs. Energía especifica “E”.



Como ΔE < Δy entonces el nivel de agua disminuye.

Cuando el número de Froude tiende a cero, o sea, que estamos en la zona alta de la

rama subcrítica de la curva, la pendiente de esta se hace aproximadamente igual a la

de 45º, por lo tanto ΔE y Δy tienen a ser iguales.

Debido a esto, el nivel del agua permanecerá constante al pasar sobre el vertedero.

7.- COMPONENTES DE LA ESTRUCTURA

En general, casi todos los aliviaderos constan de las siguientes componentes o partes:

► La estructura de control.

► Canal de descarga.

► Estructura terminal.

► Rápida.

► Pozo Disipador.

► Canal de llegada y de descarga



8.- TIPOS DE ALIVIADEROS

► De descarga libre.

► De Cimacio.

► Con canales laterales.

► Con canal de descarga.

► De conducto y de túnel.

► De pozo o embudo o Morning Glory.

► De alcantarilla.

► De sifón.

9.- ALIVIADERO LATERAL.

Aliviadero lateral, en margen izquierda de labio fijo, canal de 87 metros de longitud y

3.5km de ancho.

Figura 27. Aliviadero de Canal Lateral.



a. Generalidades

Estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del

canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que podrían causar

serios daños, por lo tanto, su ubicación se recomienda en todos aquellos lugares

donde exista este peligro.

Los cuales de exceso a eliminarse, se originan algunas veces por fallas del operador

o por afluencias, que durante las lluvias el canal recibe de las quebradas, estos

excesos debe descargar con un mínimo de obras de arte, buscándose en lo posible

cauces naturales para evitar obras adicionales, aunque esto último depende

siempre de la conjugación de diferentes aspectos locales (topografía, ubicación

del vertedero, etc.)

b. Criterios de Diseño

i. El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel caudal

que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel

máximo de su caja hidráulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal

considerado como de máxima avenida.

ii. El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente de caudal, siempre quedará un excedente que corresponde teóricamente a unos 10 cm encima del tirante normal.

iii. La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y el fondo del

canal, corresponde al valor Yn.

iv. Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de fórmulas, a

continuación se describe la fórmula de Forchheiner.



Figura 28. Detalle del Canal Lateral del Aliviadero.

Figura 29. Longitud del Canal Lateral del Aliviadero.

Después de atravesar la coronación continua con un canal hasta su contacto con las

rocas, aguas abajo del muro.

Figura 30. Canal Lateral del Aliviadero.



Figura 31. Contacto con las Rocas.



El flujo del canal, deberá ser siempre subcrítico, entonces:

La fórmula 4,21 da buena aproximación cuando se cumple:

v. Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar

diferentes valores, según la forma que adopte la cresta.

Forma µ

a)

b)

c)

d)

Anchos de cantos rectangulares

Ancho de cantos redondeados

Afilado con aeración necesaria

En forma de techo con corona

redondeada

0.49-0.51

0.5-0.65

0.64

0.79

iv. El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se está eliminando por la ventana

o escotadura del canal, cruza un camino, frecuentemente se utilizan

cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del



vertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c ó d.

vii. Los aliviaderos laterales pueden descargar a través de un vertedero con

colchón al pie (desniveles pequeños) mediante una alcantarilla con una

pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes).

Ejercicio 1

Un canal trapezoidal de rugosidad 0.014 con taludes 1: 1 plantilla 1 m y pendiente

1 o/oo, recibe en épocas de crecidas un caudal de 9 m3/s., el canal ha sido

construido para 4 m3/s, pero puede admitir un caudal de 6 m3/s. Calcular la

longitud del aliviadero para eliminar el exceso de agua.

SOLUCION

1. Cálculo de los tirantes



2. Cálculo de h

3. Caudal a evaluar

4. Cálculo de L

Para µ = 0.5 y aplicando ecuación:

Ejercicio 2

Resolver el ejercicio anterior empleando la fórmula de Weisbach

h = se considera un 60% del borde libre, como un criterio práctico de diseño y según

el problema anterior se tiene:

Q = 3 m3/s

µ = 0.50

h = 0.6 (1.71 – 1.17) = 0.324 m

Luego:



En la Fig. 4.9 se aprecia una aplicación práctica de este diseño:

Nota: Comparando los ejercicios anteriores se puede concluir que WEISBACH

da vertederos muchos más cortos que Forchheiner, razón por la cual

recomendamos el uso de la fórmula de Weisbach, además ésta ha sido utilizada

con buenos resultados en el Departamento de Lambayeque.



Ejercicio 3

A la altura del km 15+790 de un canal principal se plantea la necesidad de eliminar 9

m3/s proveniente de los excesos de lluvia y con la finalidad de prevenir desbordes

del canal, se desea proyectar un aliviadero, si el canal presenta un borde libre de

0.9 m, se pide: dimensionar hidráulicamente el aliviadero.

SOLUCION

La solución al problema se presenta en las Figs. 4.10. a, b y c, donde debido a la

situación topográfica se ha proyectado un aliviadero con alcantarilla.



1) Longitud del Aliviad ero

Como criterio práctico de diseño asumimos que un 60% del borde libre sería el

valor de h en la fórmula de Weisbach y tomando µ = 0.62 como promedio, se

tiene:

El caudal de 9 m3/seg entra por el aliviadero de 12,50 m de longitud y cae a una

rampa con una inclinación mínima de 5%.

2) Cálculo de H2

El valor H2 se estima ≥ 1.5 Yc, siendo Yc el que ocurre en la sección 2 y si

asumimos en 2 un ancho de rampa b2 = 2.0 se tendrá:

Entonces:

H’2 = 1.91 m

El valor de la cota en 2, será: 97.59

3) Cálculo de H1

El valor de la cota en 1, será: 99.23 En 1 el ancho de la rampa es: 60% de b2; b1 = 1.2 m

4) Pendiente de la rampa

La rampa deberá tener una pendiente ≥ 5%



El caudal que se está eliminando pasa por el punto 2 y cae a una poza que va

conectada a una alcantarilla.

5) Dimensionam iento de la alcantarilla

Es necesario remarcar que por seguridad, se debe considerar una carga mínima de

1.5 Va2/2g encima de la alcantarilla hasta el Punto 1, con lo cual se garantiza la

sumergencia y sobre todo, hay más confianza de que no habrá desborde por la

escotadura o aliviadero en el caso imprevisto de un mayor caudal.

Asumiendo una alcantarilla de 1.5 x 1.5, se tiene:

A = 2.25 m2

Va = 4 m/seg

Con estos datos asumidos se prosigue el cálculo

La altura de energía respecto al fondo de la alcantarilla será:



H2 = 99.50 – 95.506 = 3.994 m

Con ayuda del Plano Topográfico, se establece aproximadamente la cota de entrega

de la alcantarilla y se hace un balance de energía entre este Punto y el Punto 2.

ESQUEMA PRELIMINAR



Reemplazando valores en (A) se obtiene:

Resulta una velocidad ligeramente superior a la de 4 m/seg. asumida debido a las

pérdidas de carga que son necesarias vencer, siendo necesario proyectar al final de

la alcantarilla, un amortiguador del tipo de impacto que garantice una entrega con

flujo lento, evitándose las erosiones y según la Fig. 4.11 corresponde a un

amortiguador de W = 4.0 m.



BIBLIOGRAFIA Y LINKOGRAFIA.

MANUAL: CRITERIOS DE DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA

FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS MULTISECTORIALES Y DE

AFIANZAMIENTO HIDRICO.

NUEVAS HERRAMIENTAS EN EL DISEÑO HIDRAULICO – ING. MARTIN HIDALGO

IMÁGENES DE CURSO DE HIDRAULICA – ING. MORALES UCHOFEN NICOLAS

http://www.casadellibro.com/libro-aliviaderos-y-desagues/2900000975067

ftp://ftp.fao.org/FI/CDrom/FAO_Training/FAO_Training/General/x6708s/x6708s11.htm

trabajo aliviaderos y transiciones

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