vórtices, rápidos y otros elementos de disipación de
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Vórtices, rápidos y otros elementos de disipación de energía en redes de saneamiento. Criterios de diseño y
construcción Ignacio Maestro Saavedra
Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos
Jefe de Área de Gabinete de Dirección Técnica de la Confederación Hidrográfica del Miño-Sil
José Piñeiro Aneiros
Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos
Jefe de Unidad de Servicios de dirección de proyectos de obras y para la Dirección Técnica de la Confederación Hidrográfica del Miño-Sil. Proyfe S.L.
Introducción
Las redes de saneamiento deben cumplir unos estrictos requisitos hidráulicos, en particular en lo que respecta a las velocidades admisibles. Por un lado se debe garantizar que el agua residual discurra con unas velocidades mínimas que permitan un desagüe adecuado y sin acumulación de sedimentos en los colectores, y por otro, que dichas velocidades no sobrepasen unos valores determinados que generan problemas de erosión y degradación , tanto en las propias estructuras que forman la red como en las conducciones.
Sin embargo, en una red de saneamiento unitaria es frecuente drenar zonas de pendientes relativamente importantes, como suele ocurrir en casi todas las cuencas de la vertiente Cantábrica. Estas pendientes son, en general, inadmisibles para ser asimiladas como pendientes de las conducciones que forman la red de saneamiento, ya que darían lugar a velocidades demasiado elevadas en el sistema. Y si bien es cierto que en diámetros de conducción pequeños se puede realizar un trazado con un perfil longitudinal escalonado aprovechando la construcción de pequeños resaltos en los pozos de registro, y constituyendo una solución no demasiado problemática para caudales reducidos, a medida que los caudales de diseño y los desniveles a salvar ascienden, la disipación de energía en zonas puntuales pasa convertirse en un problema de cierta relevancia como se verá a lo largo de este artículo.
En la bibliografía y experiencia acumuladas se recogen varias tipologías de disipación de la energía generada en desniveles, Sin embargo, estas referencias no pertenecen en su gran mayoría al campo del saneamiento, cuyas limitaciones y especificaciones hidráulicas son, en algunos casos, muy particulares debido al tipo de fluido que se maneja, agua residual y al régimen de caudales, tan variable, que existe en las redes de saneamiento unitarias. Tanto es así, que actualmente no existe un compendio aplicado lo suficientemente claro de las limitaciones y utilidades específicas de cada una de las tipologías conocidas, basándose la elección entre una u otra en experiencias análogas llevadas a cabo anteriormente.
El encadenamiento de estas analogías lleva a pensar que, en ocasiones, se construyen importantes disipadores de energía que no cuentan con una base experimental sólida y con unos principios hidráulicos de funcionamiento que los avalen de forma indiscutible, lo que no quiere decir que no sean aptos, sino que no han sido optimizados ni existe una constancia de su rendimiento y eficacia reales frente a otras tipologías existentes.
Un ejemplo claro de esta realidad está en las actuaciones que la Confederación Hidrográfica del Norte (actualmente Confederación Hidrográfica del Miño-Sil), ha desarrollado en las grandes ciudades gallegas, y de forma muy especial, en la renovación de todo el sistema integral de saneamiento de Lugo; esta ciudad, cuya ubicación sobre el promontorio que domina la confluencia de los ríos Miño y Fervedoira,
provoca la existencia de un gran numero de desniveles en su topografía, que a su vez han obligado al diseño y empleo de diferentes elementos disipadores de energía, con el objetivo de lograr construir una red general de saneamiento hidráulicamente eficiente, en la que se resolviesen los tradicionales problemas que ocasiona el no tener en cuenta este hecho.
Ejemplo de la habitual ausencia de una estructura de disipación de energía correctamente diseñada para salvar un fuerte desnivel existente en una red de saneamiento
La Mejora del saneamiento de Lugo es una actuación declarada de interés general de Estado por la Ley 22/95 y cuya financiación corre en un 85 % a cargo de la Confederación Hidrográfica del del Miño-Sil, a través del Fondo de Cohesión de la Unión Europea, mientras que el 15% restante es aportado por Xunta de Galicia. Este hecho ha posibilitado la ejecución de cinco grandes actuaciones tras una inversión total de 103 millones de euros:
Acondicionamiento y ampliación de los colectores de las cuencas de los ríos Rato, Chanca y Fervedoira (finalizada en julio de 2004)
Acondicionamiento de los colectores generales del río Chanca (finalizada en julio de 2004) Colector general del río Miño en Lugo.Tramo N-VI. (finalizada en abril de 2008) Colector general del río Miño en Lugo. Tramo N-VI – E.D.A.R. (finalizada en abril de 2008) Nueva Estación Depuradora de Aguas Residuales de Lugo. (en ejecución)
Esquema de las actuaciones de Mejora de Saneamiento de Lugo
Ello ha supuesto la construcción de 24.5 km. de colectores, 17 tanques-aliviaderos de tormenta, y 378 pozos de registro, de los cuales, 153 incluyen algún tipo de resalto, y 104, es decir un 27.5 %, incluyen algún tipo de configuración específica para la disipación de energía.
No obstante, si bien el diseño de algunos estos elementos, especialmente los más complicados, se han elaborado y construido a partir de algún método extraído de la escasa bibliografía existente al respecto, en su mayoría han sido diseñados de una forma casi "experimental" o "empírica" a partir de las referencias de otras tipologías construidas por la Confederación Hidrográfica del Norte en otras ciudades del norte peninsular y de la propia observación del comportamiento del agua residual a su paso por las estructuras construidas en las primeras fases de esta actuación.
Como consecuencia de ello y del propio interés por ir mejorando funcionalmente estos diseños, la nueva red general de saneamiento de Lugo posee un muestrario bastante amplio de soluciones para la disipación de energía que se pueden construir para salvar desniveles de diferente magnitud, desde un simple resalto de 30 cm hasta alturas de 7 metros, y que nos va a permitir ofrecer en este artículo una idea bastante aproximada del "estado del arte" en esta materia.
Tipologías de estructuras de disipación de energía
Planteamiento general
El objetivo funcional de todas las tipologías de disipadores de energía a instalar en una red de saneamiento está en asegurar que el agua residual que discurre por el colector, y que tiene que salvar el obstáculo que para ella supone la existencia de un desnivel más o menos fuerte en ese colector, lo consigue de una forma hidráulicamente controlada y eficiente, disipando su energía sin causar ningún daño estructural en la propia red, y garantizando su adecuada circulación.
Evidentemente, el uso de una u otra tipología, debería venir condicionado por su mayor eficiencia para un determinado caudal de diseño y magnitud del desnivel a salvar; si bien, tal y como se señaló en el apartado anterior, no existe ninguna norma o análisis técnico al respecto y únicamente el "sentido común o técnico" que pone el ingeniero que se enfrenta a la decisión de optar por una u otra tipología rige su decisión; Resulta oportuno mencionar en este punto que una vez decidida la tipología a emplear, tenemos a nuestra disposición más información sobre cómo diseñar esa estructura, aunque ésta resulte en ocasiones muy teórica y muchas veces basada en estudios realizados para agua no residual.
Vista esta realidad, a continuación se enumeran una serie de diversas tipologías construidas por la Confederación Miño-Sil en sus obras.
Pozos de resalto simple
Corresponde con la situación más básica y sencilla del problema planteado, un simple salto en la rasante o "correaguas" del colector, a la entrada de un pozo de registro, y sin ningún tipo de solución especial.
Planta y alzado de un pozo de resalto simple
Evidentemente, se trata de una solución que no es recomendable aplicar a saltos mayores de medio metro de altura, siendo su valor óptimo el de 30 cm.
Pozos con rampas o rápidos
Consiste básicamente en salvar el resalto existente mediante una rampa a la que se le incorpora un “murete de rotura”, que en situación de aguas bajas, en la cual se pretende que el agua baje deslizándose por la rampa, permite el paso de la misma por dejado del muro; pero cuando aumenta el caudal, hace que el agua rompa contra él, disipando así su exceso de energía.
Foto de un pozo con rampa
Lógicamente, es una tipología de pozo que sólo se suele emplear en diámetros grandes (de 800 mm a 2000 mm), y para saltos de 1-1,5 metros.
Planta y secciones de un pozo con rampa
Pozos tipo “embudo”
Este tipo de pozo supone una evolución del resalto simple. Consiste en un pozo de registro en el que el agua, tras entrar a una primera cámara, impacta con un pequeño murete que genera una primera retención del agua residual la cual sufrirá una evacuación lenta por un colector vertical de menor diámetro dispuesto sobre la solera de la misma. Esta evacuación retardada generará una lámina de agua que ayudará a disipar parte de la energía del caudal entrante sin que exista un impacto directo sobre la estructura del pozo de registro, excepto para grandes caudales cuando el murete de retención se vea rebasado.
La caída del agua al nivel inferior a través del colector vertical se ve acompañada de un perfil curvo en su desembocadura que facilita el encuentro del flujo con la cuna del pozo de registro.
Foto de un pozo tipo”embudo”
Es una tipología que en la práctica suele emplearse en colectores de diámetros menores de 600 mm, y alturas de resalto algo mayores de 1 m. Su mayor ventaja está en que no es una tipología excesivamente compleja y que ocupa relativamente poco espacio.
Planta y secciones de un pozo tipo “embudo”
Pozos con rampas escalonadas
Consiste básicamente en salvar desnivel a base de una sucesión de resaltos simples, formando un perfil escalonado, de forma que el agua residual adquiera el flujo denominado como “skimming flow” (en lugar del denominado “nappe flow”), cuya característica consiste en que la superficie libre del agua es paralela a la línea de aristas de la escalera, sin aparición de turbulencias. Con este flujo, en la escalera se producen unos vórtices que rellenan el hueco del escalón y soportan el flujo, logrando la disipación de gran cantidad de energía.
No obstante, para se produzca este tipo de flujo suelen necesitarse pendientes muy fuertes y cierta longitud de escalera para garantizar el calado de establecimiento del flujo emulsionado.
Tipos de flujo que se puede formar en una rampa escalonada: “Nappe Flow” (izquierda) o “Skimming flow” (derecha)
Fotos, planta y alzado de un pozo con rampa escalonada
Planta y secciones de un pozo con rampa escalonada
Se trata de una solución, que si bien está muy extendida en redes de drenaje de infraestructuras y en los aliviaderos de las presas, en las redes de saneamiento presenta la gran desventaja de que ocupa demasiado espacio en planta, especialmente si el desnivel a salvar es excesivo, lo cual suele ser un aspecto muy limitante en obras urbanas como las de saneamiento.
Por esa razón suele ser una solución que únicamente se emplea de forma habitual para salvar desniveles en torno a un metro o dos de altura
Pozos tipo vórtice
Se trata de una estructura diseñada con el objetivo de lograr que se produzca un flujo en vórtice controlado con anterioridad al desnivel a salvar.
En definitiva, se trata de transportar agua como un flujo en torbellino de forma vertical o muy próximo a la vertical. Esto requiere que el flujo entre en el vórtice por la parte superior y caiga en forma de torbellino a la parte inferior del pozo. El vórtice aplica un movimiento angular al flujo que entra en el tubo de bajante, generando un chorro hueco con un núcleo de aire en el interior de la bajante como se muestra en la figura
El área de la columna de aire decrece y después crece a lo largo de la bajante, formando de ese modo una garganta. A medida que baja por el tubo la componente vertical de la velocidad aumenta, el torbellino se atenúa y la dirección del flujo se aproxima gradualmente a la vertical. De todos modos el flujo continúa pegado a la pared de la bajante, aun para pequeños caudales con poco componente tangencial de la velocidad.
Esquema del flujo en torbellino que se genera en un pozo tipo vórtice
Algunas características del flujo en torbellino dentro de tubo, lo hacen sumamente apropiado para la utilización de este tipo de estructuras en pozos destinados a la disipación de energía en redes de saneamiento, ya que este tipo de flujo, en especial a lo largo de la bajante, puede provocar una considerable pérdida de energía (Jeanpierre y Ladual, 1966; Jain y Kennedy, 1983). Además, de que entra menos aire en el flujo en espiral que en la caída libre y el aire entrante tiende a ser empujado hacia el núcleo de aire por el gradiente negativo de presiones producido por la rotación del fluido ( Kleinschroth,1980, Jain y Kennedy 1983), fomentando la ventilación natural de la red, con los beneficios adicionales que este fenómeno colateral reporta para evitar corrosiones en las conducciones.
Las dos variables que controlan el diseño de los vórtices son: calado del flujo a la entrada y diámetro de la bajante, que permita un mínimo de área hueca en el flujo.
Para lograr que se produzca este fenómeno, se requiere una estructura similar a la del siguiente esquema: 1) una parte superior de entrada donde se fuerza al agua a generar el flujo en torbellino, y que determina la tipología del pozo, según sea su configuración; 2) una bajante vertical formada por una tubería, de longitud igual al desnivel existente, y por la que el agua discurre pegada a las paredes, disipando parte de la energía que posee a la entrada; y 3) un cuenco de recepción del agua que cae por el vórtice, en el que, en ocasiones se incluye un sistema a modo de paso de aguas bajas, para generar un cuenco de amortiguación con la propia agua residual.
Planos de un pozo tipo vórtice (izquierda) y fotografías de la entrada por al parte superior del agua (derecha y
Tal y como se puede ver en la figura adjunta, existen muchas tipologías de vórtices, en función de la
arriba) y de la caída del agua en la parte inferior (derecha y abajo)
forma en que esta configurada la entrada del flujo por la parte superior: circular(a), "scroll" (b), espiral (c), tangencial (d) y sifón (e).
Tipologias de vórtices, en función de la configuración de su entrada
Sin embargo, las tres más comunes, empleadas en la nueva red de saneamiento general de Lugo, son: la espiral (en la que las paredes de la toma se van cerrando hacia la bajante y se peraltan al fondo), la tangencial (en la que las paredes de la toma son rectas y generan una aproximación excéntrica. El fondo de la toma está peraltado) y la tipo "scroll" (en la que las paredes de la toma se van cerrando hacia la bajante y se produce un flujo horizontal); y cuyas particularidades se mencionan a continuación.
Frente a los anteriores, presenta la gran ventaja de que se puede emplear para cualquier desnivel, independientemente de su magnitud, sin que su ocupación en planta se vea incrementada por ello. Por
Diversas fases de montaje del encofrado de la parte superior de un pozo vórtice.
Vórtice espiral
piral nace de intentar asimilar la estructura del pozo de disipación de energía a la ejante a la forma teórica del flujo en torbellino mencionado anteriormente: en
otro lado, su principal desventaja está en su elevado coste, debido a la necesidad de personal cualificado para su construcción, tal y como se puede desprender de las siguientes fotografías
La configuración esforma más semconsecuencia las dos paredes del canal de entrada van tomando una forma en espiral, al tiempo que el fondo de la del vórtice está peraltado. Se trata de una configuración compleja de diseñar y, más aún a la hora de construirla, por lo que solamente un rendimiento notablemente superior a las otras podría justificar su utilización.
Fotos de un vórtice espiral: Pozo de registro PR-2 del Colector Secundario de Montirón. “Mejora de Saneamiento de Lugo”
Vórtice tipo “Scroll”
Simplificando la tipología en espiral e intentando mantener la forma de “torbellino”, nace la tipología “scroll”, que se caracteriza por mantener únicamente la pared exterior de la toma con un trazado en espiral, mientras que la interior desaparece al entrar en el vórtice; y a su vez posee un fondo plano.
Con esta descripción es fácil entender que se trata de una configuración más sencilla que la espiral, aunque similar, y por esa razón es la más ampliamente utilizada en el saneamiento.
Fotos de un vórtice “scroll”: Pozo de registro PR-3 del Colector Secundario de Montirón (en construcción) y Pozo Vórtice de Sagrado Corazón. “Mejora de Saneamiento de Lugo”
Vórtice tangencial
Dando un paso más en intención de encontrar una tipología más simple y compacta, que facilitase su construcción y abaratase el coste de este tipo de estructuras, aparece la denominada como configuración tangencial.
entrada se estrecha y gana pendiente en dirección a la bajante de manera que dirige el flujo de forma tangencial hacia la bajante, eliminando la parte helicoidal previa a la misma.
la simplificación de la configuración anterior, con la clara
En ella, el canal de
Fotos de un vórtice tangencial: Pozo de registro PR-1 del Colector Secundario de Montirón. “Mejora de Saneamiento de Lugo”
Dim
Introducción
ara disipar abordar su
diseño, independientemente de que estos estudios no suelen estar pensados específicamente para aguas
No obstante, y dado que el resto de tipologías definidas en el apartado anterior tienen un diseño más
ensionamiento y construcción de pozos tipo vórtice
Tal y como se comentó en la introducción anterior, una vez elegida una determinada solución pla energía del agua en el resalto, en algunos casos si existe una cierta bibliografía sobre cómo
residuales.
empírico, en cuanto que suelen basarse más en las costumbres adquiridas en su construcción, se ha optado por centrar este apartado en el diseño de pozos tipo vórtice.
Dimensionamiento de un vórtice tipo espiral
Fuentes bibliográficas empleadas para el dimensionamiento de este tipo de vórtices
s seguido la publicación “Energy Dissipators. .L. y Hager, W.H. (1995) y más concretamente
el capítulo 9, titulado “Vortex drops” de los mismos autores.
o de Lugo”, en la que se construyeron tres vórtices en línea, cada uno de una tipología diferente, para salvar el fuerte desnivel existente.
QD= 1,17 m3/s.
Para el dimensionamiento de este tipo de vórtice hemoIAHR Hydraulics structures design manual” de Vischer, D
Ejemplo de cálculo
A modo de ejemplo se muestra el cálculo del pozo PR-2 del colector secundario de Montirón, perteneciente a una de las obras del la “Mejora del saneamient
El caudal de diseño es:
Dado que el régimen, parece claro que es rápido (Fr>1), este extremo lo comprobaremos posteriormente, se debe calcular el diámetro de la bajante como (Kellenberg, 1988):
52
25.1Q
D DS 0,8430 m
1
g
Dado que este valor no es ejecutable, se toma como valor: Ds= 0,85 m
.
. Y por lo tanto R= DS/2 = 0,425 m.
La tubería de entrada en el vórtice es de diámetro 0,6 m, tiene una pendiente de 0,08 m/m y un coeficiente de Manning de 0,01; por lo qu a formula de Manning se obtiene un calado normal: yn(tub)= 0,306 m.
riterio se ha diseñado un canal de aproximación de las siguientes características:
.
m do part e d de
Espesor inicial del muro guía interior: s1 = 0,2 m
vó m
e aplicando l
Con el fin de que no haya un cambio brusco de régimen a la entrada en el canal de aproximación al vórtice, se fija como parámetro de diseño que le calado normal de la tubería de entrada y el del canal de aproximación sea aproximadamente iguales.
Con este c
- Ancho del canal: b = 0,7 m.
- Pendiente de la solera del canal: S = 0,08 m.
- Coef. de Manning: n = 0,013
- Calado normal en el canal: yn(canal) = 0,269 m
- Número de Froude: F = 3,82
Los siguientes valores se han to a i n o un diseño constructivo del vórtice:
- Ancho final del canal del vórtice: c = 0,6 m
-
- Espesor final del muro guía interior: s = 0,1 m
- Pendiente longitudinal del canal del rtice: Soi = 0,1 m
Esquema de los parámetros de diseño de la entrada de flujo de un vórtice espiral
A partir de estos datos se calcula:
1sRba 1,325 m.
2
R1
csRa1,225 m
11e Ra 0,1 m
2
2R 2
csR 0,775 m
22e RcsR 0,35 m
2
R 3
bsRa 0,575 m
0,05 m
sR4R 0,525 m
Debe de comprobarse que los valores anteriores están dentro de los siguientes rangos:
sRacsR 3 1,125≤1,325≤1,375 OK
RbR 28.0 0,34≤0,7≤0,85 OK
RcR 28.0 0,34≤0,6≤0,85 OK
Ahora, se debe calcular la máxima altura de la ola y el punto en donde esta se produce. Para ello Hager (1990) dedujo que:
21
1
2
1
31
2
1
75
2
121.115.0
R
h
F
SR
bhFF
R
h
m
oim
Donde todos los datos son conocidos; obteniéndose:
hm= 1,74 m y αm= 134º
Planos constructivos del pozo PR-2 del C.S. Montirón (tipo espiral)
Dimensionamiento de un vórtice tipo “scroll”
Fuentes bibliográficas empleadas para el dimensionamiento de este tipo de vórtices
Para el dimensionamiento de este tipo de vórtice se han seguido las siguientes publicaciones:“Swirling Flor Problems at Intakes. IAHR Hydraulics structures design manual 1” de Knauss, J.. (1987) y más concretamente el capítulo 7, titulado “Vortex-flow intakes” de los Jain, S.C. y Ettema, R..; y “Energy Dissipators. IAHR Hydraulics structures design manual” de Vischer, D.L. y Hager, W.H. (1995) y más concretamente el capítulo 9, titulado “Vortex drops” de los mismos autores.
Debido a que ambas publicaciones, parecen seguir un razonamiento muy distinto, se ha comprobado que ambas publicaciones se pueden complementar.
Ejemplo de cálculo
A modo de ejemplo se muestra el cálculo del pozo PR-3 del colector secundario de Montirón, perteneciente a una de las obras del la “Mejora del saneamiento de Lugo”.
El caudal de diseño es: QD= 1,17 m3/s.
El ancho del canal de entrada es: b= 0,8m.
Se debe calcular el radio de la bajante como (Vischer et al, 1995):
61
*20
* 2
min g
QbR D 0,421 m
Dado que este valor no es ejecutable, se toma como valor: R= 0,425m. Y por lo tanto D= 2*R = 0,85m.
Se deben de introducir, ahora, los valores de:
s: espesor del muro guía = 0,05 m.
∆R: radio del acuerdo de la embocadura de caída = 0,1m. Este valor debe estar comprendido entre 0.1 y 0.2 D (Jain y Ettema, 1987).
C: Distancia del borde de la embocadura a la pared del canal de aproximación = 0,05 m. Este valor debe ser mayor de 0.15*D-∆R= 0,0275 m. (Jain y Ettema, 1987).
Con todos estos datos se calcula a, que es la distancia entre el eje del canal de aproximación y el eje de la bajante:
2
bscRRa 1,025 m.
La relación óptima entre a y D es tal que: 1≤a/D≤1.25 (Jain y Ettema, 1987). En este caso esta relación es: a/D = 1,206 , luego se cumple la condición.
Debemos comprobar que:
b
D
b
a65.05.0 (Jain y Ettema, 1987); en este caso; 0,781 > 0,691 luego la condición se cumple.
Hechas estas comprobaciones se pueden ya calcular la excentricidad y los radios del vórtice:
7
sbe 0,121 m
ecRRR4 0,696 m
eRR 43 0,818 m
eRR 342 1,061 m
eRR 541 1,304 m
Esquema de los parámetros de diseño de la entrada de flujo de un vórtice tipo “scroll”
Calculando para distintos valores de λ el caudal desaguado por el vórtice siguiendo los siguientes pasos (Jain y Ettema, 1987), siendo λ la relación entre el diámetro del núcleo de aire de la bajante y el diámetro de dicha bajante:
RHgDCQ
g
vyH
Cb
ay
C
CC
C
e
e
24
2
2
11
1
2
3
95.0
2
2
0
2223
22
021
Obteniéndose:
0,45 0,5 0,55 0,6 0,7 0,75C : 0,5 0,45 0,4 0,35 0,25 0,2
C o: 0,845 0,723 0,613 0,512 0,334 0,255/D: 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12
ye/D: 1,70 1,46 1,23 1,03 0,67 0,51
Calado ye 1,45 1,24 1,05 0,88 0,57 0,44
Velocidad v: 1,39 1,37 1,33 1,29 1,18 1,11
Energía específica H: 1,54 1,33 1,14 0,96 0,64 0,50
Caudal desaguado: 1,611 1,353 1,119 0,906 0,541 0,389
Por lo tanto se cumple que para Qd= 1,17 m3/s el valor de λ es mayor de 0.5.
Planos constructivos del pozo PR-3 del C.S. Montirón (tipo scroll)
Dimensionamiento de un vórtice tipo tangencial
Fuentes bibliográficas empleadas para el dimensionamiento de este tipo de vórtices
Para el dimensionamiento de este tipo de vórtices se ha seguido: “Swirling Flow Problems at Intakes. IAHR Hydraulics structures design manual 1” de Knauss, J.. (1987) y más concretamente el capítulo 7, titulado “Vortex-flow intakes” de los Jain, S.C. y Ettema, R..; y Jain, S.C. (1984) "Tangencial Vortex-Inlet". ASCE. J. Hydraul. Engeneer 110 (12).
Ejemplo de cálculo
A modo de ejemplo se muestra el cálculo del pozo PR-1 del “Colector Secundario de Montirón”, perteneciente a una de las obras de la “Mejora del saneamiento de Lugo”.
El caudal de diseño es: QD= 1,17 m3/s.
El ancho del canal de entrada es: B= 0,60 m. y el ancho del canal antes de la bajante es: e= 0,30 m. Estos dos últimos datos no son fijos y forman parte del diseño hidráulico del vórtice.
Se debe calcular el diámetro de la bajante como:
51
2
min gQ
D D 0,674436 m
Dado que este valor no es ejecutable, se toma como valor: D= 0,70 m. Y por lo tanto a= D/2 = 0.35 m.
Esquema de los parámetros de diseño de la entrada de flujo de un vórtice tangencial
Se debe de dimensionar la estructura con el fin de garantizar que, al menos, un 25% del área de la bajante, para el caudal máximo, está ocupada por el aire. Esto supone que:
aba
b 5.025.0
2
2
En este caso se ha adoptado b=0.175 m.
El ángulo β que define la pendiente de la solera del canal de la transición, viene dada por la expresión:
3
1
463
23
cos***
*
2
1
ag
eQ
de donde despejando se obtiene: β= 9.374068 grados o lo que es lo mismo una pendiente de 0,17 m/m.
Según Jain(1984), la energía en la unión entre el estrechamiento y la bajante es:
3
2
3
12
cos2
3
g
e
Q
E j =1,083924 m.c.a.
y la energía en el canal de aproximación se puede calcular como:
2
2
··2 yg
B
Q
yEa
El calado y en el canal de aproximación se calcula mediante la fórmula de manning, resultando en esta caso de0,313 m. Operando se obtiene que Ea =2,290712 m.c.a.
Luego si se tiene que Ea = Ej – z; despejando se obtiene que z = 1,21 m., esto a su vez implica que, con el ángulo β calculado, la longitud del estrechamiento, desde B hasta e, es L = 7,33 m.
(Nota: Esta comprobación fue introducida con posterioridad a la construcción del pozo, por ello en los planos y en la realidad se ejecutó con una L=2,5 metros)
Hechos los cálculos mediante diferencias finitas se obtienen los siguientes resultados:
Calado en la entrada del estrechamiento: y1= 0,313 metros
Velocidad en la entrada del estrechamiento: V1= 6,229 m/s
Calado al final del estrechamiento: y2= 0,558 metros
Velocidad al final del estrechamiento: V2= 6,963 m/s
Planos constructivos del pozo PR-1 del C.S. Montirón (tipo tangencial)
Conclusión
Como conclusión a todo lo expuesto queda únicamente señalar que, si bien la bibliografía y experiencia acumuladas recogen varias tipologías estructurales para la disipación de la energía generada en desniveles, estas referencias, en su gran mayoría, no pertenecen al campo del saneamiento, cuyas limitaciones y especificaciones hidráulicas son, en algunos casos, muy particulares debido al tipo de fluido que se maneja, agua residual. No existe, en consecuencia, un compendio aplicado suficientemente claro de las limitaciones y utilidades específicas de cada una de las tipologías expuestas, basándose habitualmente su diseño, en muchos casos, en experiencias análogas.
El encadenamiento de estas analogías lleva a que a veces se construyan algunos disipadores importantes que no cuentan con una base experimental y con unos principios hidráulicos de funcionamiento que los avalen, lo que no quiere decir que no sean aptos, sino que no han sido optimizados ni existe una constancia de su rendimiento y eficacia reales.
En consecuencia, y como un objetivo futuro, debiéramos plantearnos el estudio detallado de aquellas tipologías más frecuentemente empleadas, sometiéndolas a los estudios de campo y laboratorio necesarios para extraer unas conclusiones certeras que nos permitan avalar el rango de aplicación de cada una de ellas y avanzar en la optimización de su diseño.