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ESCUELA POLITCNICA

NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERA CIVIL Y AMBIENTAL

ANLISIS EXPERIMENTAL DE LA DISIPACIN DE ENERGA ENCIMACIOS CON PERFIL LISO Y ESCALONADO

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIN DEL TTULO DE INGENIERO CIVIL

DIANA MARCELA MOLINA [email protected]

JUAN CARLOS GUEVARA [email protected]

DIRECTOR: PROF. ING. CIRO GALO [email protected]

Quito, Septiembre 2010

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DECLARACIN

Nosotros, Diana Marcela Molina Tufio, Juan Carlos Guevara Sanguano,

declaramos que el trabajo aqu descrito es de nuestra autora; que no ha sidopreviamente presentado para ningn grado o calificacin profesional; y, que

hemos consultado las referencias bibliogrficas que se incluyen en este

documento.

La Escuela Politcnica Nacional, puede hacer uso de los derechos

correspondientes a este trabajo, segn lo establecido por la Ley de Propiedad

Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.

_________________________ __________________________

Diana Marcela Molina Tufio Juan Carlos Guevara Sanguano

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II

CERTIFICACIN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Diana Marcela Molina Tufioy Juan Carlos Guevara Sanguano, bajo mi supervisin.

______________________________Prof. Ing. Ciro Galo Menndez

DIRECTOR DE PROYECTO

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III

RESUMEN

La presente investigacin est relacionada con los resultados experimentales

obtenidos en un Cimacio tipo Creager con fondo liso y escalonado, con el fin deevaluar la disipacin de energa para un rango de descarga entre 20 y 180 l/s,

mediante el uso de un canal de laboratorio. Para las pruebas, fueron diseados y

construidos dos clsicos perfiles Creager de 1 m de ancho y de 0,57m de alto.

El primer vertedero tiene un perfil liso y el segundo vertedero posee un perfil

escalonado con 14 escalones, ambos vertederos poseen una pendiente en la

parte baja de 0.58:1(h:v).

Los dos vertederos fueron probados con y sin pilas. Adems, con

ensanchamientos de las pilas con relacin de ancho de vano be/bo = 0,5,

proporcin que fue probada para el vertedero 1. Para el proceso de prueba los

dos vertederos fueron montados sobre un canal de inclinacin variable con una

seccin transversal rectangular de 25m de largo, 0,8m de alto y 1.0m de ancho.

Para el rango de caudales probados en el vertedero escalonado se obtuvo solo

rgimen de flujo rasante con excepcin del primer caudal en el que se observ un

flujo en transicin.

Las cargas hidrulicas sobre el vertedero, la profundidad de agua y la velocidad

del flujo fueron medidas para cada descarga con el fin de calcular la energa

remanente, en cortes transversales en el extremo aguas abajo del vertedero.

Los resultados del procesamiento de datos mostraban que para el vertedero 1 sin

pilas, el porcentaje de la energa que se disip disminuy del 42.8% al 22% y con

tres pilas del 71% al 16%, para Z/Yc entre 15.3 y 3.5 y entre 15,3 a 4.1

respectivamente; para el vertedero 1 con ensanchamientos de pilas el porcentaje

de energa disipada vara de 78.1% a 24% para Z/Yc entre 15 a 4.2, donde Yc es

el calado crtico de cada descarga y Z la altura del vertedero.

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IV

Para el vertedero 2 sin pilas la energa disipada vara del 94.7% al 68.7% y con

tres pilas del 94.4% a 72.5%, para Z/Yc entre 16.3 y 4.1 y entre 16.2 a 4.5

respectivamente.

Como conclusin de los resultados experimentales, se observ que las tasas ms

altas de disipacin de energa de flujo se obtuvieron para el vertedero con fondo

escalonado con y sin pilas.

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V

ABSTRACT

The present work is related with the experimental results obtained on an ogee-

crest spillway with smooth and stepped bottom, in order to evaluate the energy

dissipation for a discharge range between 20 and 180 l/s, using a laboratory

channel. For testing, two classical WES Creager profile for spillway weir of 1-m

width and 0.57-m high were designed and built . Spillway 1 had a smooth bottom

profile and spillway 2 had a stepped bottom profile with 14 steps, both spillway

with a downstream face inclination of 0.58:1(h:v). Spillway 1 and 2 were tested

with and no- piers. Besides, flaring pier gate with b/B=0.5 ratio were tested for

spillway 1 as well.

For testing process both spillways were assembled on a 25-m long, 0.8-m high,

1.0-m width rectangular cross section tilting channel. Skimming flow regimens

were obtained during the tests for the discharge range. Hydraulic heads over the

weir, flow velocity and water depth at cross sections on the end downstream of the

spillway- chutes were measured for each discharge in order to compute the

remaining energy.

The results of data processing showed that for spillway 1 with no-pier, the

percentage of energy dissipated decreased from 42.8% to 22% and with three

piers from 71% to 16%, for z/yc between 15.4 to 4.0 in both case; for the spillway

1 with flaring gate piers the percentage of energy dissipated varied from 78.1% to

24% for z/yc between 15 to 4.2, where yc is the critical depth for each discharge

and z is the spillway high. For spillway 2 with no-piers the energy dissipated variedfrom 94.7% to 68.7% and with three piers from 94.4% to 72.5%, in both case for

z/yc from 16.3 to 4.2. As conclusion of the experimental results, it was observed

that the highest rates of flow energy dissipation were obtained for spillway with

stepped bottom with and no-piers.

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VI

PRESENTACIN

El avance de nuevos materiales y tcnicas de construccin, permiten a los

ingenieros hoy en da realizar obras hidrulicas de mayor envergadura como son

en este caso las presas. Estas a su vez deben poseer ciertas caractersticas para

su serviciabilidad.

En el presente proyecto de titulacin se realizarn ensayos en modelos de

Cimacios tipo Creager, aadiendo varias configuraciones a su perfil, modelos que

sern probados en un canal de laboratorio del Centro de Investigaciones y

Estudios en Recursos Hdricos (CIERHI). Al final de los cuales se obtendrn lasprdidas de energa por friccin y turbulencia en cada uno de los cimacios a

probar.

Esta tesis se encuentra dividida en 8 captulos donde se desarrolla por completo

el diseo, construccin, montaje, pruebas realizadas, metodologa del proceso en

el laboratorio, procesamientos de los datos obtenidos del laboratorio y una

presentacin de los resultados logrados en cada una de las diferentesconfiguraciones de perfil que fueron sometidos los cimacios; parte que fue

desarrollada en los primeros seis captulos de la siguiente forma: una primera

parte formada por los antecedentes, los objetivos del proyecto de titulacin y la

infraestructura disponible para la realizacin de los ensayos desarrollada en los

tres captulos iniciales, en el captulo cuatro se desarrolla todo lo referente a un

Cimacio con perfil liso sin pilas y a un Cimacio de perfil liso con pilas, en el

captulo cinco adems de las pilas del captulo anterior se colocan unosensanchamientos de las pilas denominados en la bibliografa como flaring gate

piers, para luego desarrollar la parte del Cimacio con perfil escalonado sin pilas y

con pilas en el captulo seis.

Para finalizar se desarrolla un captulo de comparacin de resultados entre todos

los vertederos para llegar a concluir cual de todas las configuraciones result ms

ptima en la disipacin de la energa.

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VII

NOMENCLATURA UTILIZADA

A: rea mojada de la seccin (m2)

a: Cotangente del ngulo de inclinacin del vertedero

b : Ancho de la seccin (m)

C: Coeficiente de descarga (m1/2/s)

dc (yc) : Calado crtico (m)

d0: Calado del flujo uniforme perpendicular al flujo en los

escalones. (m)

E: Energa total (m)

e: Espesor de la tabla triplex colocada al pie del cimacio (m)

Fr1: Nmero de Froude correspondiente a la seccin de control 1.

f : Factor de friccin de Darcy Weisbach para flujo no aireado.

g: Aceleracin de la gravedad (m/s2)

H: Carga total sobre la cresta del vertedero (m)

Hmx (yo): Mxima carga disponible aguas arriba (m)

Hdam (P): Altura del vertedero (m)

Kp: Coeficiente de contraccin por pilas

Ka: Coeficiente de contraccin por estribo

L: Longitud total neta de la cresta (m)

Le: Longitud efectiva de cresta (m)

RHL : Longitud del resalto Hidrulico (m)

N: Nmero de pilas

P: Desnivel entre la cresta del cimacio y el fondo del canal (m)

p/: Carga de presin (m)

PT: Punto de tangencia

P1: Carga piezomtrica medida en la toma 1

Q: Caudal de descarga (m3/s)

q: Calado unitario que pasa por la seccin (m2/s)

R: Radio de enlace (m)

Rh: Es el radio hidrulico de la seccin (m)

V2/2g: Carga de velocidad (m)

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VIII

X, Y: Coordenadas del sistema cartesiano

Yo: Calados aguas arriba (m)

Y1: Calados aguas abajo (m)

yc: Calado crtico (m)

Yp: Calado de los picos formados en los cimacios con pilas (m)

ya: Calado en el escaln donde comienza la aireacin (m)

y : Calado de la seccin (m)

RHY1 : Calado inicial del resalto hidrulico (m)

RHY2 : Segundo calado conjugado o calado final del resalto hidrulico

Z: Desnivel a vencer (m)

z: Carga de posicin (m)

E: Prdida de energa producida en la estructura

Ec (%): Prdida de energa aplicando la ecuacin experimental

H: Prdida de energa aplicando ecuacin de Chanson.

: ngulo de inclinacin del vertedero

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IX

GLOSARIO

Calado.-altura que alcanza la superficie del agua sobre el fondo.

Calinas.- Conjunto de corchos enlazados que pueden utilizarse como boya o

baliza.

Cavitacin.-fenmeno que se produce por la formacin de burbujas de vapor en

la parte posterior de un cuerpo que se desplaza en el seno de un lquido.

Cimacio.- Aliviadero con seccin en forma de S

Erosin.-desgaste producido en un cuerpo por el roce con otro.

Gavin.- cestn relleno con tierra o piedras, usado en obras de defensa y

construcciones hidrulicas.

Limnmetro.-Consiste en un flutuador que sigue las variaciones del nivel de la

superficie del agua y cuyo movimiento es transmitido a un dispositivo de lectura o

de registro.

Paramento.- cualquiera de las dos caras de una pared.

Piezmetro.- instrumento que sirve para medir el grado de compresibilidad de los

lquidos.

Pivote.- punto de apoyo.Remanente.- residuo de una cosa.

Remanso.- detencin o suspensin de la corriente de agua.

Sistema de control de PLC.- sistemas de control automatizados mediante

programacin para realizar una determinada tarea de tipo mecnica.

Socavacin.- remocin del material de fondo de un ro producido por el arrastre

de material.

Sujecin.- inclinacin del paramento de un muro o terreno.Talud.- inclinacin del paramento de un muro o terreno.

Vano.- parte de la cresta por donde pasa el caudal.

Vrtices.- torbellino remolino. Centro de un cicln.

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X

CONTENIDO

RESUMENIII

ABSTRACT...IV

PRESENTACIN.VI

NOMENCLATURA UTILIZADA ...VII

GLOSARIO...IX

1. ANTECEDENTES .......................................................... ........................................................... ....... 1

2. OBJETIVOS DEL PROYECTO DE TITULACIN ................................................... ................. 3

2.1. OBJETIVOGENERAL .................................................................................................................. 3

2.2. OBJETIVOSESPECFICOS .......................................................................................................... 3

3. INFRAESTRUCTURA DISPONIBLE PARA LOS ENSAYOS EXPERIMENTALES ............ 4

3.1. INSTALACIONES Y DESCRIPCINDELLABORATORIO .................................................... 4

3.1.1. SISTEMA DE RECIRCULACIN DE FLUJOS Y CANAL HIDRODINMICO ................. 4

3.2. MQUINASYHERRAMIENTAS ............................................................ .................................... 6

4. ANLISIS EXPERIMENTAL DEL FLUJO EN CIMACIOS TIPO CREAGER ..................... 9

4.1. INTRODUCCINSOBRELOSCIMACIOSTIPOCREAGERDEPERFILLISO ...................... 9

4.1.1. DISEO, CONSTRUCCIN Y MONTAJE DE LAS ESTRUCTURAS .............................. 10

4.1.1.1. Diseo .................................................. ........................................................... ............... 10

4.1.1.2. Construccin ............................................................ ...................................................... 16

4.1.1.3. Montaje .......................................................... ........................................................... ..... 18

4.1.2. PLAN DE PRUEBAS EN CIMACIOS LISOS ........................................................ ............... 19

4.1.3. METODOLOGA DEL PROCESO EXPERIMENTAL EN EL LABORATORIO ............... 19

4.1.4. PROCESAMIENTO Y ANLISIS DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES .......... 25

4.1.4.1. Presentacin de Resultados ......................................................... ................................... 334.1.5. CONCLUSIONES ................................................... ........................................................... ..... 36

4.2. ANLISISEXPERIMENTALDEFLUJOSENCIMACIOSLISOSCONPILAS ..................... 37

4.2.1. INTRODUCCIN SOBRE CIMACIOS LISOS CON PILAS ............................................... 37

4.2.2. DISEO, CONSTRUCCIN Y MONTAJE DE LAS ESTRUCTURAS. ............................. 37

4.2.2.1. Diseo .................................................. ........................................................... ............... 37

4.2.2.2. Construccin ............................................................ ...................................................... 41

4.2.2.3. Montaje .......................................................... ........................................................... ..... 43

4.2.3. PLAN DE PRUEBAS EN CIMACIOS LISOS CON PILAS ................................................. 44

4.2.4. METODOLOGA DEL PROCESO EXPERIMENTAL EN EL LABORATORIO ............... 45

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XI

4.2.5. PROCESAMIENTO Y ANLISIS DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES ........... 50

4.2.5.1. Presentacin de Resultados ......................................................... ................................... 55

4.2.6. CONCLUSIONES ................................................... ........................................................... ..... 58

5. ANLISIS EXPERIMENTAL DE FLUJOS EN CIMACIOS LISOS CON PILAS YESTRECHAMIENTOS ENTRE PILAS ...................................................... ............... 59

5.1. DESCRIPCINBIBLIOGRFICADEESTUDIOSEXPERIMENTALESREALIZADOSEN

CIMACIOSDENOMINADOSFLARINGGATEPIERS ........................................................ 59

5.2. DISEO,CONSTRUCCINYMONTAJEDELOSESTRECHAMIENTOS ........................... 62

5.2.1. Diseo .................................................. ........................................................... ......................... 62

5.2.2. Construccin .................................................. ........................................................... ............... 64

5.2.3. Montaje .......................................................... ........................................................... ............... 66

5.3. PLAN DE PRUEBAS EN CIMACIOS LISOS CON PILAS Y ESTRECHAMIENTOS ENTRE PILAS... 675.4. METODOLOGADELPROCESOEXPERIMENTALENELLABORATORIO. ..................... 68

5.5. PROCESAMIENTOYANLISISDELOSRESULTADOSEXPERIMENTALES .................. 74

5.5.1. PRESENTACIN DE RESULTADOS ......................................................... ......................... 80

5.5.1.1. Comparacin de resultados de la disipacin de energa entre los vertederos lisos ......... 83

5.6. CONCLUSIONES. ....................................................... ........................................................... ..... 84

6. ANLISIS EXPERIMENTAL DE FLUJOS EN CIMACIOS ESCALONADOS ................. 86

6.1. ANLISISEXPERIMENTALDEFLUJOSENCIMACIOSESCALONADOSSINPILAS ..... 86

6.1.1. BREVE DESCRIPCIN DE ESTUDIOS REALIZADOS SOBRE LA DISIPACIN DEENERGA. ..................................................... ........................................................... ............... 89

6.1.2. DISEO, CONSTRUCCIN Y MONTAJE DE LAS ESTRUCTURAS. ............................ 91

6.1.2.1. Diseo .................................................. ........................................................... ............... 91

6.1.2.2. Construccin ............................................................ ...................................................... 93

6.1.2.3. Montaje .......................................................... ........................................................... ..... 97

6.1.3. PLAN DE PRUEBAS EN CIMACIOS ESCALONADOS SIN PILAS ................................. 99

6.1.4. METODOLOGA DEL PROCESO EXPERIMENTAL EN EL LABORATORIO. .............. 99

6.1.5. PROCESAMIENTO Y ANLISIS DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES ......... 104

6.1.5.1. Presentacin de resultados ...................................................................................................... 1116.1.6. CONCLUSIONES. ............................................................ .................................................... 117

6.2. ANLISISEXPERIMENTALDEFLUJOSENCIMACIOSESCALONADOSCONPILAS . 118

6.2.1. DISEO, CONSTRUCCIN Y MONTAJE DE LAS PILAS. ........................................... 118

6.2.1.1. Montaje ...................................................................................................................................... 118

6.2.2. PLAN DE PRUEBAS EN CIMACIOS ESCALONADOS CON PILAS ............................. 119

6.2.3. METODOLOGA DEL PROCESO EXPERIMENTAL EN EL LABORATORIO. ........... 119

6.2.4. PROCESAMIENTO Y ANLISIS DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES. ........ 123

6.2.4.1.

Presentacin de resultados ...................................................................................................... 128

6.2.5. CONCLUSIONES. ............................................................ .................................................... 135

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XII

7. ANLISIS COMPARATIVO DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS................................ 136

7.1. COMPARACINDERESULTADOSDEDISIPACINDEENERGAENLASDIFERENTES

CONFIGURACIONESDELPERFILDELCIMACIOTIPOCREAGER ................................. 136

7.2. COMPARACIN DE LA LONGITUD DE RESALTO HIDRULICO. ............................................. 1397.3. COMPARACINDELCOEFICIENTEDEDESCARGA ..................................................... ... 141

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. .................................................. ....................... 142

8.1. CONCLUSIONES......................................................................................................................... 142

8.2. RECOMENDACIONES................................................................................................................. 145

9. ANEXOS........................................................................................................................................ 146

10. BIBLIOGRAFA. ......................................................................................................................... 152

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XIII

LISTADO DE FIGURAS

FIGURA 1. EJEMPLO DE CIMACIO TIPO CREAGER...................................................... ............... 10

FIGURA 2. ECUACIONES DE CLCULO DEL CUADRANTE DE AGUAS ARRIBA Y DE

AGUAS ABAJO, PARA EL SISTEMA COORDENADO MOSTRADO..................... 12

FIGURA 3. PERFIL DEL CIMACIO LISO......................................................................................... 13

FIGURA 4. DISEO DE UN CIMACIO LISO.................................................................................. 14

FIGURA 5. CURVA DE DESCARGA DEL VERTEDERO TRIANGULAR ESTNDAR DE

900. ............................................................................................................................... 20

FIGURA 6. VISTA EN PLANTA DEL REA DE MEDICIN EN EL CANAL-CIMACIO

LISO. ........................................................................................................................... 21

FIGURA 7. VISTA LATERAL DEL REA DE MEDICIN EN EL CANAL-CIMACIO LISO.... 22

FIGURA 8. CORTE TRANSVERSAL DE LA SECCIN DEL CANAL-CIMACIO LISO............ 22

FIGURA 9. COEFICIENTE DE DESCARGA POR PILAS......................................................... ..... 32

FIGURA 10. E VS. YC/H CON EC. DE BERNOULLI CIMACIO LISO..................................... 35

FIGURA 11. E VS. Z/YC CON EC. DE BERNOULLI CIMACIO LISO...................................... 35

FIGURA 12. TIPOS DE FORMA DE PILA........................................................................................ 38

FIGURA 13. PARMETROS DE DISEO DE LA PILA TIPO 3..................................................... 38

FIGURA 14. COORDENADAS DEL PUNTO DE TANGENCIA PT................................................ 39

FIGURA 15. DISEO DE LA PILA........................................................ ............................................ 40

FIGURA 16. VISTA LATERAL DE LA PILA........................................................... ......................... 41

FIGURA 17. VISTA EN PLANTA DEL REA DE MEDICIN EN EL CANAL-CIMACIO LISO

CON PILAS..................................................... ........................................................... ..... 46

FIGURA 18. VISTA LATERAL DEL REA DE MEDICIN EN EL CANAL-CIMACIO LISO

CON PILAS..................................................... ........................................................... ..... 47

FIGURA 19. CORTE TRANSVERSAL DE LA SECCIN DEL CANAL-CIMACIO LISO CON

PILAS.......................................................................................................................... 47

FIGURA 20. E VS. YC/H CON EC. DE BERNOULLI CIMACIO LISO CON PILAS................ 57

FIGURA 21. E VS. Z/YC CON EC. DE BERNOULLI CIMACIO LISO CON PILAS................ 57

FIGURA 22. VISTA LONGITUDINAL Y EN PLANTA DE UN JET TIPO HENDIDURA............. 60

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XIV

FIGURA 23. ESQUEMA DE ESTRUCTURAS DE DISIPACIN- PROYECTO

HIDROELCTRICO YANTAN-CHINA........................................................ ............... 61

FIGURA 24. FORMA Y DIMENSIONES DE LOS ESTRECHAMIENTOS..................................... 63

FIGURA 25. FORMA DE INSTALACIN DE LOS ESTRECHAMIENTOS................................... 66

FIGURA 26. VISTA EN PLANTA DEL REA DE MEDICIN EN EL CANAL-C. LISO CON

PILAS Y ESTRECHAMIENTOS................................................................................... 70

FIGURA 27. VISTA LATERAL DEL REA DE MEDICIN EN EL CANAL-C. LISO CON PILAS

Y ESTRECHAMIENTOS............................................................................................... 70

FIGURA 28. CORTE TRANSVERSAL DEL CANAL-C. LISO CON PILAS Y

ESTRECHAMIENTOS................................................................................................... 71

FIGURA 29. E VS. YC/H CON EC. DE BERNOULLI C. CON PILAS YESTRECHAMIENTOS............................................................................................... 82

FIGURA 30. E VS. Z/YC CON EC. DE BERNOULLI C. CON PILAS Y ESTRECHAMIENTOS

......................................................................................................................................... 83

FIGURA 31. COMPARACIN DE RESULTADOSE VS. Z/YC CON EC. DE BERNOULLI

CIMACIOS LISOS.................................................... ...................................................... 84

FIGURA 32. FLUJO RASANTE......................................................................................................... 88

FIGURA 33. REGIONES DEL PATRN DE FLUJO EN RGIMEN RASANTE............................ 89FIGURA 34. PERFIL DEL CIMACIO ESCALONADO...................................................... ............... 92

FIGURA 35. VISTA EN PLANTA DEL REA DE MEDICIN EN EL CANAL-CIMACIO

ESCALONADO............................................................................................................ 100

FIGURA 36. VISTA LATERAL DEL REA DE MEDICIN EN EL CANAL-CIMACIO

ESCALONADO............................................................................................................ 101

FIGURA 37. CORTE TRANSVERSAL DEL CANAL-CIMACIO ESCALONADO...................... 102

FIGURA 38. ILUSTRACIN DE LOS CALADOS MEDIDOS-CIMACIO ESCALONADO......... 105

FIGURA 39. E VS. YC/H CON EC. DE BERNOULLI CIMACIO ESCALONADO................. 114

FIGURA 40. E VS. Z/YC CON EC. DE BERNOULLI CIMACIO ESCALONADO................. 114

FIGURA 41. E VS. YC/H CON EC. DE CHANSON CIMACIO ESCALONADO.................... 115

FIGURA 42. E VS. Z/YC CON EC. DE CHANSON CIMACIO ESCALONADO..................... 115

FIGURA 43. E VS. Z/YC CON EC. DE CHANSON Y EC. DE BERNOULLI CIMACIO

ESCALONADO............................................................................................................ 116

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XV

FIGURA 44. VISTA EN PLANTA DEL REA DE MEDICIN. CIMACIO ESCALONADO CON

PILAS............................................................................................................................ 120

FIGURA 45. VISTA LATERAL DEL REA DE MEDICIN. CIMACIO ESCALONADO CON

PILAS........................................................................................................................ 120FIGURA 46. E VS. YC/H CON EC. DE BERNOULLI CIMACIO ESCALONADO CON PILAS

....................................................................................................................................... 131

FIGURA 47. E VS. Z/YC CON EC. DE BERNOULLI CIMACIO ESCALONADO CON PILAS

....................................................................................................................................... 131

FIGURA 48. E VS. YC/H CON EC. DE CHANSON CIMACIO ESCALONADO CON PILAS132

FIGURA 49. E VS. Z/YC CON EC. DE CHANSON CIMACIO ESCALONADO CON PILAS132

FIGURA 50. COMPARACIN DE PRDIDA DE ENERGA ENTRE EC DE BERNOULLI Y EC.

DE CHANSON. C. ESCALONADO CON PILAS.................................................... ... 133

FIGURA 51. COMPARACIN DE PRDIDA DE ENERGA ENTRE EC DE BERNOULLI Y EC.

DE CHANSON. C. ESCALONADO CON Y SIN PILAS........................................... 134

FIGURA 52. CURVAS COMPARATIVAS DE PRDIDA DE ENERGA E VS. YC/H-EC

BERNOULLI................................................... ........................................................... ... 136

FIGURA 53. CURVAS COMPARATIVAS DE PRDIDA DE ENERGA E VS. Z/YC-EC

BERNOULLI................................................... ........................................................... ... 137FIGURA 54. CURVAS COMPARATIVAS DE PRDIDA DE ENERGA E VS. YC/H-EC

BERNOULLI, EC EXPERIMENTAL Y EC CHANSON............................................ 138

FIGURA 55. CURVAS COMPARATIVAS DE PRDIDA DE ENERGA E VS. Z/YC-EC

BERNOULLI, EC EXPERIMENTAL Y EC CHANSON............................................ 138

FIGURA 56. CURVAS COMPARATIVAS DEL COEFICIENTE DE DESCARGA VS Z/YC...... 141

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XVI

LISTADO DE FOTOGRAFAS

FOTOGRAFA 1. CANAL HIDRODINMICO- CIERHI................................................... ................. 5

FOTOGRAFA 2. TANQUE DE CARGA Y VERTEDERO TRIANGULAR DEL CANAL

HIDRODINMICO CIERHI......................................................................................... 6

FOTOGRAFA 3. PERFIL DEL CIMACIO EN MADERA (MOLDE).............................................. 17

FOTOGRAFA 4. CIMACIO TIPO CRECER DE PERFIL LISO.................................................. ..... 18

FOTOGRAFA 5. VERTEDERO INSTALADO EN EL CANAL....................................................... 18

FOTOGRAFA 6. TOMA FRONTAL DEL CIMACIO LISO........................................................ ..... 24

FOTOGRAFA 7. TOMA LATERAL DEL FLUJO SOBRE EL CIMACIO LISO............................. 23

FOTOGRAFA 8. TOMA LATERAL DEL RESALTO HIDRULICO-CIMACIO LISO................ 24

FOTOGRAFA 9. CONSTRUCCIN DE LA PILA PASO 1............................................................. 42

FOTOGRAFA 10. CONSTRUCCIN DE LA PILA PASO 2........................................................... 42

FOTOGRAFA 11. PILA CONSTRUIDA........................................................................................... 43

FOTOGRAFA 12. PILAS MONTADAS VISTA FRONTAL............................................................ 44

FOTOGRAFA 13. PILAS MONTADAS VISTA POSTERIOR.................................................... ..... 44

FOTOGRAFA 14. TOMA FRONTAL DEL CIMACIO LISO CON PILAS...................................... 49

FOTOGRAFA 15. TOMA LATERAL DEL FLUJO SOBRE EL CIMACIO LISO CON PILAS..... 48

FOTOGRAFA 16. TOMA LATERAL DEL RESALTO HIDRULICO- CIMACIO LISO CON

PILAS.................................................................................................. 49

FOTOGRAFA 17. CONSTRUCCIN DE ESTRECHAMIENTOS - PASO 1.................................. 64

FOTOGRAFA 18. CONSTRUCCIN DE ESTRECHAMIENTOS - PASO 2.................................. 65

FOTOGRAFA 19. CONSTRUCCIN DE ESTRECHAMIENTOS PASO 3................................. 65

FOTOGRAFA 20. TOMA FRONTAL DE LOS ESTRECHAMIENTOS INSTALADOS................ 67

FOTOGRAFA 21. TOMA POSTERIOR DE LOS ESTRECHAMIENTOS INSTALADOS............. 67

FOTOGRAFA 22. TOMA FRONTAL C. CON PILAS Y ESTRECHAMIENTOS Q = 40 L/S..... 72

FOTOGRAFA 23. TOMA FRONTAL C. CON PILAS Y ESTRECHAMIENTOS Q = 100 L/S.. 72

FOTOGRAFA 24. TOMA LATERAL C. CON PILAS Y ESTRECHAMIENTOS Q = 100 L/S... 73

FOTOGRAFA 25. TOMA LATERAL C. CON PILAS Y ESTRECHAMIENTOS Q = 80 L/S..... 73

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18/174

XVII

FOTOGRAFA 26. TOMA FRONTAL RESALTO SUMERGIDO C. CON PILAS Y

ESTRECHAMIENTOS Q = 100 L/S............................................................................ 73

FOTOGRAFA 27. CONSTRUCCIN CIMACIO ESCALONADO PASO 1............................... 94



FOTOGRAFA 30. CONSTRUCCIN CIMACIO ESCALONADO CRESTA DEL CIMACIO.... 95

FOTOGRAFA 31. CONSTRUCCIN CIMACIO ESCALONADO CRESTA DEL CIMACIO

COLOCADA. .................................................................................................. 96

FOTOGRAFA 32. CONSTRUCCIN CIMACIO ESCALONADO.................................................. 96

FOTOGRAFA 33. ESTRUCTURA DE SOPORTE PARA EL LIMNMETRO................................ 97

FOTOGRAFA 34. INSTALACIN DEL CIMACIO ESCALONADO CON PERNOS.................... 97

FOTOGRAFA 35. COLOCACIN DE LOS ESCALONES DE ACRLICO EN EL CIMACIO

ESCALONADO. ................................................................................................. 98

FOTOGRAFA 36. CIMACIO ESCALONADO INSTALADO..................................................... ..... 98

FOTOGRAFA 37. PIEZMETROS................................................................................................... 98

FOTOGRAFA 38. TOMA FRONTAL-CIMACIO ESCALONADO Q=20L/S............................... 103

FOTOGRAFA 39. TOMA FRONTAL-CIMACIO ESCALONADO Q=100L/S.............................. 103FOTOGRAFA 40. TOMA LATERAL-CIMACIO ESCALONADO Q=140L/S.............................. 103

FOTOGRAFA 41. TOMA LATERAL-RECIRCULACIN DEL FLUJO EN GRADAS-CIMACIO

ESCALONADO ................................................................................................ 104

FOTOGRAFA 42. TOMA FRONTAL CIMACIO ESCALONADO CON PILAS.......................... 118

FOTOGRAFA 43. TOMA POSTERIOR CIMACIO ESCALONADO CON PILAS....................... 119

FOTOGRAFA 44. TOMA FRONTAL. CIMACIO ESCALONADO CON PILAS Q = 20L/S....... 121

FOTOGRAFA 45. TOMA FRONTAL. CIMACIO ESCALONADO CON PILAS Q = 140L/S..... 122

FOTOGRAFA 46. TOMA LATERAL. CIMACIO ESCALONADO CON PILAS......................... 122

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19/174

XVIII

LISTADO DE TABLAS

TABLA 1. COORDENADAS DEL CIMACIO................................................................................... 13TABLA 2. DATOS TOMADOS EN EL LABORATORIO-C. LISO SIN PILAS.............................. 23

TABLA 3. SERIE DE CAUDALES A SER ENSAYADOS- CIMACIO LISO.................................. 28

TABLA 4. DATOS REALES DE CALADOS Y RESALTO HIDRULICO-CIMACIO LISO........ 33

TABLA 5. CLCULOS EN LA SECCIN 1 DEL CIMACIO LISO................................................. 33

TABLA 6. PRDIDA DE ENERGA EN CIMACIO LISO CON EC. DE BERNOULLI.................. 34

TABLA 7. CALADO CRTICO, RELACIN YC/H Y Z/YC CIMACIO LISO............................. 34

TABLA 8. PARMETROS DEL RESALTO HIDRULICO-CIMACIO LISO................................ 34

TABLA 9. VALORES DEL COEFICIENTE DE DESCARGA- CIMACIO LISO............................. 34

TABLA 10. DATOS DE LABORATORIO-CIMACIO LISO CON PILAS......................................... 48

TABLA 11. SERIE DE CAUDALES A SER ENSAYADOS-CIMACIO LISO CON PILAS.............. 51

TABLA 12. DATOS REALES DE CALADOS Y RESALTO HIDRULICO CIMACIO LISO CON

PILAS.............................................................................................................................. 55

TABLA 13. CLCULOS EN LA SECCIN 1 DEL CIMACIO LISO CON PILAS............................ 55TABLA 14. PRDIDA DE ENERGA EN CIMACIO LISO CON PILAS - EC. DE BERNOULLI... 55

TABLA 15. CALADO CRTICO, RELACIN YC/H Y Z/YC CIMACIO LISO CON PILAS........ 56

TABLA 16. PARMETROS DEL RESALTO HIDRULICO-CIMACIO LISO CON PILAS........... 56

TABLA 17. VALORES DEL COEFICIENTE DE DESCARGA- CIMACIO LISO CON PILAS....... 56

TABLA 18. DATOS DE LABORATORIO CIMACIO LISO CON PILAS Y ESTRECHAMIENTOS

......................................................................................................................................... 71

TABLA 19. SERIE DE CAUDALES MEDIDOS-C. CON PILAS Y ESTRECHAMIENTOS............ 76

TABLA 20. DATOS REALES DE CALADOS-C. CON PILAS Y ESTRECHAMIENTOS................ 80

TABLA 21. CLCULOS EN LA SECCIN 1 - C. CON PILAS Y ESTRECHAMIENTOS.............. 81

TABLA 22. PRDIDA DE ENERGA ENTRE SECCIN 0 Y 1 (FIGURA 27)- C. CON PILAS Y


TABLA 23. CALADO CRTICO, RELACIN YC/H Y Z/YC C. CON PILAS Y


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20/174

XIX

TABLA 24. PRDIDA DE ENERGA ENTRE SECCIN 0 Y 2 (FIGURA 27)-C. CON PILAS Y


TABLA 25. PRDIDA DE ENERGA ENTRE SECCIN 0 Y 3 (FIGURA ..)-C. CON PILAS Y

ESTRECHAMIENTOS................................................................................................... 82TABLA 26. VALORES DEL COEFICIENTE DE DESCARGA- C. CON PILAS Y


TABLA 27. COMPARACIN DE RESULTADOS- CIMACIOS LISOS............................................ 83

TABLA 28. DIMENSIONES DE LOS ESCALONES DESDE ARRIBA HACIA ABAJO DEL

CIMACIO........................................................................................................................ 93

TABLA 29. DATOS TOMADOS EN EL LABORATOTIO-CIMACIO ESCALONADO................. 102

TABLA 30. SERIE DE CAUDALES A ENSAYAR-CIMACIO ESCALONADO............................. 107

TABLA 31. DATOS REALES DE CALADOS-CIMACIO ESCALONADO..................................... 111

TABLA 32. CLCULOS EN LA SECCIN 1 CIMACIO ESCALONADO................................... 111

TABLA 33. PRDIDA DE ENERGA ENTRE SECCIN 0 Y 1-ECUACIN DE BERNOULLI

CIMACIO ESCALONADO.......................................................................................... 112

TABLA 34. CALADO CRTICO Y RELACIN YC/H CIMACIO ESCALONADO................. 112

TABLA 35. RADIO HIDRULICO SECCIN 1- CIMACIO ESCALONADO.............................. 112

TABLA 36. PRDIDA DE ENERGA-ECUACIN DE CHANSON-C. ESCALONADO............... 112

TABLA 37. VALORES DEL COEFICIENTE DE DESCARGA- CIMACIO ESCALONADO......... 113

TABLA 38. VALORES DE LA LONGITUD DEL RESALTO HIDRULICO- CIMACIO

ESCALONADO............................................................................................................ 113

TABLA 39. COMPARACIN DE RESULTADOS. C. ESCALONADOS SIN PILAS..................... 116

TABLA 40. DATOS DE LABORATORIO. CIMACIO ESCALONADO CON PILAS..................... 121

TABLA 41. SERIE DE CAUDALES A ENSAYARSE. CIMACIO ESCALONADO CON PILAS.. 124TABLA 42. DATOS REALES DE CALADOS -CIMACIO ESCALONADO CON PILAS.............. 128

TABLA 43. DATOS REALES DE CALADOS CONTINUACIN-CIMACIO ESCALONADO CON

PILAS............................................................................................................................ 128

TABLA 44. CLCULOS EN LA SECCIN 1 CIMACIO ESCALONADO CON PILAS............. 129

TABLA 45. PRDIDA DE ENERGA ENTRE SECCIN 0 Y 1-ECUACIN DE BERNOULLI

CIMACIO ESCALONADO CON PILAS........................................................ ............. 129

TABLA 46. CALADO CRTICO Y RELACIN YC/H CIMACIO ESCALONADO CON PILAS....................................................................................................................................... 129

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XX

TABLA 47. RADIO HIDRULICO SECCIN 1- CIMACIO ESCALONADO CON PILAS........ 129

TABLA 48. PRDIDA DE ENERGA-ECUACIN DE CHANSON-C. ESCALONADO CON PILAS

....................................................................................................................................... 130

TABLA 49. VALORES DEL COEFICIENTE DE DESCARGA- CIMACIO ESCALONADO CON

PILAS............................................................................................................................ 130

TABLA 50. LONGITUDES DEL RESALTO HIDRULICO CALCULADOS. C. ESCALONADO

CON PILAS..................................................... ........................................................... ... 130

TABLA 51. COMPARACIN DE RESULTADOS. C. ESCALONADOS CON PILAS................... 133

TABLA 52. COMPARACIN DE RESULTADOS. C. ESCALONADOS CON Y SIN PILAS....... 134

TABLA 53. PRDIDA DE ENERGA EN TODOS LOS CIMACIOS-EC DE BERNOULLI ........... 137

TABLA 54. COMPARACIN DE LA LONGITUD DEL RESALTO HIDRULICO-FRMULA DE

PAVLOSKI................................................................................................................... 139

TABLA 55. % DE DISMINUCIN EN LA LONGITUD DEL RESALTO HIDRULICO-FRMULA

DE PAVLOSKI............................................................................................................. 139

TABLA 56. COMPARACIN DE LA LONGITUD DEL RESALTO HIDRULICO-FRMULA DE

BAKHMETEV-MAZTKE............................................................................................ 140

TABLA 57. % DE DISMINUCIN EN LA LONGITUD DEL RESALTO HIDRULICO-FRMULA

DE BAKHMETEV-MAZTKE...................................................................................... 140TABLA 58. VALORES DEL COEFICIENTE DE DESCARGA PARA TODOS LOS CASOS Y

CAUDALES.................................................................................................................. 141

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CAPTULO 1

1.ANTECEDENTES

Los cimacios han resultado una solucin satisfactoria cuando necesitamos de una

estructura para controlar y regular los derrames de un vaso almacenador

(embalse), o para regular el caudal que vierte sobre el mismo, es as, que se han

convertido, al pasar de los aos en parte de las denominadas obras de

excedencias en proyectos hidrulicos; tales como: tomas de agua, represas

hidroelctricas, etc.

Las obras de excedencias pueden variar debido al tipo de topografa, y por lo

tanto, la estructura de control puede ser de varias formas que dependern mucho

del factor econmico tambin, es as que pueden ser libres o controladas por

compuertas.

Las superficies de las obras de excedencias deben ser resistentes a la erosinpara soportar las velocidades del agua.

La obra de excedencias debe tener la capacidad hidrulica suficiente y su

descarga estar localizada de tal suerte que no dae ni el talud aguas debajo de la

cortina, ni el desfogue de la casa de mquinas ni cualquier otra estructura

adyacente.1

Es por esta razn que en el presente proyecto se analizar la disipacin deenerga al pie del cimacio con diferentes configuraciones en su perfil a fin de

establecer la ms eficiente en trminos hidrulicos y de esta manera, asegurar la

proteccin de las estructuras aguas abajo, adems de reducir la denominada

estructura terminal que tiene por funcin disipar un alto porcentaje de la energa

que posee el agua al llegar a ella, como son: los cuencos amortiguadores o las

cubetas disipadoras.

1Manual de Diseo de Obras Civiles; Comisin Federal de Electricidad, Mxico

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2

Se ha escogido el cimacio tipo Creager para el anlisis del presente proyecto,

ensayndolo con y sin pilas y estrechamientos entre pilas, adems de modificar

su perfil con escalones.

Estudios de SORENSEN en 1985 sugieren que el diseo de canales

escalonados para la disipacin de energa, fue una nueva tcnica debido a la

introduccin de nuevos materiales de construccin como gaviones esforzados,

pero el autor demuestra que el diseo de los canales escalonados se ha conocido

desde la antigedad. Presas y vertederos de exceso escalonados fueron

construidos mucho antes en el medio oriente, luego esta tcnica de construccin

fue difundida por el mediterrneo en tiempos del Imperio Romano.2

En los vertederos escalonados se presenta tres tipos de flujo: Flujo de escaln en

escaln (Nappe Flow), un flujo en transicin y un flujo rasante (Skimming Flow), y

cada uno de estos flujos tiene un tipo de disipacin de energa diferente.

Para caudales bajos se presenta el primer tipo de flujo (Nappe Flow), y para

caudales altos el segundo tipo de flujo (Skimming Flow) y siempre se presenta un

flujo en transicin entre estos dos flujos.

2H. CHANSON; Hydraulic Design of Stepped Cascades, Channels, Weirs and Spillways

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3

CAPTULO2

2.OBJETIVOS DEL PROYECTO DE TITULACIN

2.1.OBJETIVO GENERAL

Disear, construir y ensayar cimacios con diferentes configuraciones en su perfil

a objeto de comparar las prdidas de energa por friccin y turbulencia

producidas a travs de tales modificaciones y establecer la ms eficiente en

trminos hidrulicos.

2.2.OBJETIVOS ESPECFICOS

Determinar la disipacin de energa en un cimacio con perfil liso, con y sin

pilas y estrechamientos entre pilas flaring gate piers.

Determinar la disipacin de energa en un cimacio con perfil escalonado,con y sin pilas

Calcular y comparar la longitud del Resalto Hidrulico aguas abajo al pie

del cimacio.

Obtener curvas comparativas que relacionen la prdida de energa con la

carga sobre el cimacio y el calado crtico para los caudales ensayados.

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4

CAPTULO 3

3.INFRAESTRUCTURA DISPONIBLE PARA LOS

ENSAYOS EXPERIMENTALES

En la presente investigacin se construyeron modelos, de ciertos materiales, para

lo cual se requiere de cierta infraestructura para su construccin y montaje as

como para las pruebas a realizarse en los mismos.

3.1.INSTALACIONES Y DESCRIPCIN DEL

LABORATORIO

El Centro de Investigaciones y Estudios en Recursos Hdricos (CIERHI), es un

centro especializado en temas de planificacin de recursos hdricos, diseo,

verificacin y optimizacin de estructuras hidrulicas y en investigaciones y

estudios de proyectos de infraestructura hidrulica en general.

Dicho laboratorio se encuentra ubicado en el Campus Politcnico Jos Rubn

Orellana de la Escuela Politcnica Nacional con una superficie de 1200 m2

distribuido de la siguiente manera: Un taller que consta de todas las mquinas y

herramientas para la construccin y montaje de los modelos, bodegas, una sala

donde se encuentra el canal hidrodinmico, adems de la red de tuberas y

accesorios que alimentan dicho canal, una sala de computo desde donde se

manipula las caractersticas electromecnicas del canal, un cuarto de bombeoque consta de 4 bombas de impulsin con una capacidad de 200 l/s cada una con

una carga de 9.0m de columna de agua y una potencia de 60 HP.

3.1.1. SISTEMA DE RECIRCULACIN DE FLUJOS Y CANAL

HIDRODINMICO

Para realizar la recirculacin de flujos el laboratorio cuenta con una cisterna de

almacenamiento de agua, que tambin funciona como cmara de succin, conuna capacidad de 260 m3., de los cuales 160 m3. estn destinados para la

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5

recirculacin de flujos, un tanque de carga de 2x2metros de seccin por 9 metros

de altura, un tanque de carga para el canal hidrodinmico que contiene en su

interior un vertedero triangular estndar de 900 (Fotografa N 2) y mediante la

utilizacin de la curva de descarga de dicho vertedero y de un piezmetro que

mide la carga sobre el vertedero, se logra regular el caudal de entrada al canal.

Un sistema de conduccin compuesto por tres tuberas de 300 mm. de dimetro

en PVC con varias tomas para distribuir el flujo, una de las cuales est dirigida al

canal hidrodinmico que tiene 25 metros de longitud con una seccin rectangular

de 1metro de ancho por 0.80 metros de alto (Fotografa N 1), cuya pendiente

puede ser modificada electromecnicamente desde 0% a 4% mediante un

sistema de control de PLC interconectado a una computadora en la sala decomputo, que, adems, permite manipular la apertura de la compuerta de

descarga que posee el canal y se encuentra al final del mismo. 3

Este sistema de elevacin posee cinco pares de apoyos que contienen tornillos

de potencia en sus bases, pivotes y sistemas de transmisin y ejes motrices

unidos mediante ruedas calinas y cadenas accionadas por el motor reductor

principal.

Fotografa 1. Canal Hidrodinmico- CIERHI

3Fuente: Garcia Alex, Becerra Edison. Estudio comparativo de la disipacin de energa y distribucin depresiones del flujo en rpidas escalonadas

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6

Fotografa 2. Tanque de carga y vertedero triangular del canal hidrodinmico CIERHI

3.2.MQUINAS Y HERRAMIENTAS

SIERRA CIRCULAR

La sierra circular es una mquina para aserrar longitudinal o

transversalmente maderas, y tambin para seccionarlas. Dotada de un

motor elctrico que hace girar a gran velocidad una hoja circular."4

CALADORAEs un tipo de sierra utilizada para cortar curvas arbitrarias, como

diseos de plantilla u otras formas, en una pieza de madera,

enchapado, aglomerado, vidrio sinttico, cartn, poliestireno,

fibrocemento, etc.5

ESCUADRA

La escuadra de carpintero es un clsico insustituible pues con ella sepuede comprobar el escuadrado de un mueble (o de un ensamble) y

adems sirve para trazar lneas perpendiculares o a 45 respecto al

canto de un tablero.6

4

http://es.wikipedia.org/wiki/Sierra_circular5http://es.wikipedia.org/wiki/Sierra_de_vaivn6http://www.bricotodo.com/medir.htm

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7

MARTILLO

Herramienta para golpear, compuesta de una cabeza, por lo comn de

hierro y un mango7

PISTOLA PARA SILICON

La silicona: Es un polmero inodoro e incoloro hecho principalmente de

silicio que guarda elasticidad despus de aplicarlo y se utiliza para

pegar o sellar.8La pistola se usa para colocar este polmero de manera

sencilla.

FORMN

Los formones son diseados para realizar cortes, muescas, rebajes y

trabajos artesanos artsticos de sobre relieve en madera. Se trabaja con

fuerza de manos o mediante la utilizacin de una maza de madera para

golpear la cabeza del formn.9

SIERRA MANUAL

Se denomina sierra manual a una herramienta manual de corte queest compuesta de dos elementos diferenciados. De una parte est el

arco o soporte donde se fija mediante tornillos tensores la hoja de sierra

y la otra parte es la hoja de sierra que proporciona el corte.10

TALADRO

Los taladros son instrumentos que se utilizan para llevar a cabo la

operacin de taladrar, esta operacin tienen como objetivo producir

agujeros de forma cilndrica en una pieza determinada.11

SIERRA DE CINTA

La sierra de cinta o serrucho de banda es una sierra de pedal o

elctrica, que tiene una tira metlica dentada, larga, estrecha y flexible.

7http://www.wordreference.com/definicion/martillo8http://bricolaje.euroresidentes.es/doku.php?id=silicona9

http://es.wikipedia.org/wiki/Formn10http://es.wikipedia.org/wiki/Sierra_manual11http://www.abcpedia.com/construccion/taladros.html

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8

La tira se desplaza sobre dos ruedas que se encuentran en el mismo

plano vertical con un espacio entre ellas.12

CEPILLADORA

CANTEADORA

12http://es.wikipedia.org/wiki/Sierra_de_cinta

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9

CAPTULO 4

4.ANLISIS EXPERIMENTAL DEL FLUJO EN CIMACIOSTIPO CREAGER

4.1.INTRODUCCIN SOBRE LOS CIMACIOS TIPO

CREAGER DE PERFIL LISO

Este tipo de vertedero es el ms usado sobretodo en presas de concreto de

suficiente longitud de corona.

La forma usual de la pared vertedora, consiste de una cara vertical o inclinada del

paramento de aguas arriba y est constituido por una cresta de control curva, la

cresta tiene esta forma con el fin de que la superficie del agua no produzca vacos

al escurrir, provocando el fenmeno de cavitacin, para esto, debe tener

aproximadamente la forma de la superficie inferior de la lmina vertiente de un

vertedor de cresta delgada.

La superficie curva descrita contina en una rpida de alta pendiente tangente a

ella y relativamente corta donde el flujo tiene un rgimen supercrtico, esta

tangente se une con una superficie curva contraria a la de la cresta, la cual debe

llegar tangente a la plantilla de un tanque amortiguador a un canal de descarga

que ya no es parte del vertedor sino un canal de conduccin, o a un salto de

esqu.13 Como se muestra en la figura 1

13Fuente: Manual de Diseo de Obras Civiles; Comisin Federal de Electricidad, Mxico

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10

Figura 1. Ejemplo de cimacio tipo Creager

Fuente: Notas de clase. Hidrulica Aplicada. Ing. Marcelo Hidalgo

4.1.1. DISEO, CONSTRUCCIN Y MONTAJE DE LAS ESTRUCTURAS

4.1.1.1. Diseo

El diseo de este tipo de estructuras toma como base la ecuacin general para

vertedores, cuando son con cresta libre o con pilas para compuertas, con la

condicin de que stas no estn trabajando, es decir, para que una vez superado

el nivel mximo de embalse, el agua vierta por la superficie del mismo.

La frmula general de los vertederos es la siguiente:

23

HCLQ e= Ec. 4.1

Donde:

Q: Caudal de descarga, en m3/s

C: Coeficiente de descarga, en m1/2

/sLe: Longitud efectiva de cresta, en metros

H: Carga total sobre la cresta, en metros

La longitud de cresta es por donde escurre el caudal del vertedero, para todos los

casos la longitud efectiva de cresta viene dada por la frmula:

HKNKLLape

+=

2 Ec. 4.2

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11

Donde:

Le: Longitud efectiva de la cresta, en metros

L: Longitud total neta de la cresta, en metros

N: Nmero de pilas

Kp: Coeficiente de contraccin por pilas

Ka: Coeficiente de contraccin por estribo

H: Carga total sobre la cresta del vertedero, en metros

Para el presente modelo se asumieron los siguientes datos:

Q= 200 l/s (caudal mximo que pasa por el canal hidrodinmico)

C= 2 m1/2/sLe= 1 m.

Kp= 0

Ka= 0

Se asume el valor del coeficiente de descarga (C) igual a 2, la deduccin de este

coeficiente se muestra en el anexo 1.

Con estos datos se obtuvo la carga de diseo (Hd) sobre el vertedero, despejando

de la ecuacin 4.1:

32

==

eCL

QHdH Ec. 4.3

mHdH 2154,012

2,0 32

=

==

Para establecer el perfil se usaron las recomendaciones del U.S. Army Corps of

Engineers, que considera factores como son: la velocidad de llegada, la

inclinacin del talud aguas arriba y la relacin P/Hd.

Siendo P el desnivel entre la cresta del cimacio y el fondo del canal y Hd la carga

de diseo.

El presente modelo cae en el caso I, el cual posee un talud vertical, una relacin

P/Hd 1 y velocidad de llegada despreciable.

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12

Se asume un eje de coordenadas X-Y; y, el perfil del cuadrante aguas abajo tiene

la ecuacin:

YHdX = 85,085,1 2 Ec. 4.4

Donde:

X, Y: son coordenadas del sistema cartesiano que se muestra en la figura 2

Hd: carga de diseo del cimacio, en m.

Para el perfil del cuadrante aguas arriba del cimacio, se uso la ecuacin 4.5.

( )( ) 625,0375,0

85,0

85,1

27,04315,0126,027,0

724,0 HdXHdHdHd

HdXY ++

+= Ec. 4.5

Figura 2. Ecuaciones de clculo del cuadrante de aguas arriba y de aguas abajo, parael sistema coordenado mostrado.

Fuente: Manual de Diseo de Obras Civiles; Comisin Federal de Electricidad, Mxico

Se di valores a la abscisa X cada centmetro y se calcul el valor de la ordenada

con las ecuaciones 4.4 y 4.5 segn corresponde, a continuacin se presenta la

tabla 1, que muestra las coordenadas del vertedero.

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X (m) Y (m)-0.058 0.026-0.05 0.015-0.04 0.009

-0.03 0.005-0.02 0.002-0.01 0.000

0 0.0000.01 0.0000.02 0.0010.03 0.0030.04 0.0050.05 0.0070.06 0.0100.07 0.013

0.08 0.0170.09 0.0210.1 0.0260.11 0.0310.12 0.0360.13 0.0420.14 0.049

X (m) Y (m)0.15 0.0550.16 0.0620.17 0.069

0.18 0.0770.19 0.0850.2 0.0940.21 0.1030.22 0.1120.23 0.1220.24 0.1320.25 0.1420.26 0.1530.27 0.1640.28 0.175

0.29 0.1870.3 0.1990.31 0.2110.32 0.2240.33 0.2370.34 0.2510.35 0.264

X (m) Y (m)0.36 0.2780.37 0.2930.38 0.308

0.39 0.3230.4 0.3380.41 0.3540.42 0.3700.43 0.3870.44 0.4040.45 0.4210.46 0.4380.47 0.4560.48 0.4740.49 0.493

0.5 0.5110.51 0.5300.52 0.5500.53 0.5700.54 0.5900.55 0.610Tabla 1. Coordena

das del cimacio

El perfil del cimacio se muestra en la figura 3

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.2 0 0.2 0.4 0.6

Figura 3. Perfil del Cimacio Liso

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14

Una vez obtenidas estas coordenadas, se fij la geometra del vertedero en

funcin de las dimensiones del canal (1 m. x 0,80 m.); es as que se asumi una

altura de seguridad de 3 centmetros para que el flujo no se desborde y para

alcanzar la carga de diseo de 21,54 cm., se tiene entonces que la altura del

vertedero (P) es igual a: 55,46cm.

-5

Q = 200 lt/s Hd = 21.54 cm

-5.58

CIMACIO CREAGER CONPERFIL LISO

P

R

e

H=

Hd

Seccin 0 Seccin 1

Z

Perfil del Cimacio Liso

Figura 4. Diseo de un Cimacio liso

Para unir el perfil del vertedero con el canal, se utiliza una curva circular contraria

a la de la cresta, cuyo radio se calcul con la siguiente expresin:

[ ] [ ]646,3/4,6110 ++= HHVR 14 Ec.4.6

Donde:R: Radio de enlace, en pies

V1: Velocidad al pie del cimacio, en pies/s

H: Carga sobre el vertedero, en pies

Para determinar este radio de enlace, se obtuvo la velocidad al pie del cimacio de

la siguiente manera:

14Hidrulica de canales abiertos, Ven Te Chow, Julio 1982, pp. 360.Nota: Dicha ecuacin es aplicable solo para unidades inglesas.

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36/174

15

Se calcul el calado contrado al pie de la estructura con la siguiente expresin:59.3

1061.0

=

k

h

k

d Ec. 4.7

Donde:

d = altura del vertedero (Z), en metros. (figura 4)

k = calado crtico, en metros.

h1= calado contrado, en metros.

Esta expresin se aplica solamente si 40 0,13

A.

:

/ 0,13,

H

B( + ) < 10 ,

E. G

:

D:

H

(. *)

(1921)

+

+

+

=

22

55,01

0041,0045,06075,0

wh

h

B

b

hB

bB

mwm

mbm

mhm

13,120,0

00,250,0

60,010,0

( )

+

+

+

+

+=

22

22

5,01

6,11000

3615,3037,0578,0

wh

h

B

b

h

Bb

B

b

lateralesnescontraccio

decasoelenw

h

mw

Bb

mh

1

30,0

3,0

80,0025,0

1

30,0

80,0025,0

w

h

wm

mhm

=

B

b

101616,0

5,0

)2(2

.

30,0

30,0

60,0075,0

b

h

hBb

wh

wm

bm

mhm

+=

g

Vhh

24,1'

20

( )

+=

whB

QV0

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168/174

147

(1929)

(. *)

.

E

,

.

0=

= 2

.

= 0

.

F

(. *)

+

=

23

20

23

20

2211,01623,0

ghV

ghV

bhn

hb

mwm

mbm

mhm

3

50,160,000,340,2

50,018,0

( )whB

QV

+

=0

23

0011,01

0011,00813,06035,0

+

++=

hw

h

1

06,0

30,0

80,001,0

w

h

mw

mb

mhm

Frmulas experimentales para determinar el coeficiente de gasto aplicable a la

ecuacin general de gasto para vertederos rectangulares con contracciones

laterales o sin ellas.

Para el caso de vertederos sin contracciones se debe considerar b = B en las

frmulas.

a* J. Smetana: Hydraulika; Ceskoslovenska Akademie, VD; Praga (1957)

b* J. Koeny: Hydraulik; Springer Verlag,Viena (1953)

c* A. Lencastre: Manuel dhydraulique gnrale; Eyrolles, Pars (1961)

Se muestra el clculo del coeficiente :

Hegly Hegly

C = m = 1,87B = b = 1 mh = 0,2154 m

w = 0,5543 m

= = = = 0,6332

Clculo de el coeficiente de gasto Clculo del Coeficiente C

+

+

+

=

22

55,01

0041,0045,06075,0

wh

h

B

b

hB

bB

gmC 23

2==

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148

Sociedad de Ingenieros y Arquitectos Sociedad de Ingenieros y ArquitectosSuizos (Frmula SIAS) Suizos (Frmula SIAS)

B = b = 1 mh = 0,2154 m C = m = 1,90w = 0,5543 mh / w = 0,3886h / b = 0,2154

= = = = 0,6420

Hamilton - Smith Hamilton - Smith

B = b = 1 mh = 0,2154 mw = 0,5543 m

h w/2 = 0,2772b (B-2h)= 0,5692, = 0,2154 C = m = 1,64

= = = = 0,5544


( )

+

+

+

+

+=

22

22

5,01

6,11000

3615,3037,0578,0

wh

h

B

b

h

Bb

B

b

=

B

b

101616,0

gmC 23

2==

gmC 23

2==

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149

Francis Francis

n = 0 en vertederos sin contracciones laterales

B = b = 1 m

h = 0,2154 m

Q = 0,2 m/s

w = 0,5543 m

n = 0V0= 0,2598 m/s

3h = 0,6462

Rehbock Rehbock

h/w 1

h = 0,2154 m

w = 0,5543 m

h/w = 0,3886 C = m = 1,89

= = = = 0,6408

n = 2 en vertederos con contracciones

No

cumple

con los

limites


+

=

23

20

23

20

2211,01623,0

gh

V

gh

V

b

hn

( )whBQ

V+

=0

23

0011,01

0011,00813,06035,0

+

++=

hw

h

hb

mwm

mbm

mhm

3

50,160,0

00,340,2

50,018,0

gmC 23

2==

gmC 23

2==

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150

Anexo 2. Valores de la curva de descarga del vertedero triangular

estndar de 900

CARGA CAUDAL CARGA CAUDAL

m l/s - 90 m l/s - 900.050 0.803 0.100 4.4200.051 0.843 0.101 4.5300.052 0.884 0.102 4.6410.053 0.926 0.103 4.7540.054 0.970 0.104 4.8690.055 1.015 0.105 4.9850.056 1.061 0.106 5.1030.057 1.108 0.107 5.2220.058 1.156 0.108 5.3440.059 1.206 0.109 5.467

0.060 1.257 0.110 5.5920.061 1.309 0.111 5.719

0.062 1.362 0.112 5.8470.063 1.417 0.113 5.9770.064 1.473 0.114 6.1080.065 1.530 0.115 6.2420.066 1.588 0.116 6.3770.067 1.648 0.117 6.5140.068 1.710 0.118 6.6530.069 1.772 0.119 6.793

0.070 1.836 0.120 6.9350.071 1.901 0.121 7.0790.072 1.967 0.122 7.2240.073 2.035 0.123 7.3720.074 2.105 0.124 7.5220.075 2.176 0.125 7.6730.076 2.248 0.126 7.8270.077 2.322 0.127 7.9820.078 2.397 0.128 8.1390.079 2.473 0.129 8.298

0.080 2.551 0.130 8.4580.081 2.630 0.131 8.6210.082 2.710 0.132 8.7850.083 2.792 0.133 8.9510.084 2.876 0.134 9.1190.085 2.961 0.135 9.2890.086 3.048 0.136 9.461

0.087 3.136 0.137 9.6340.088 3.225 0.138 9.8100.089 3.316 0.139 9.987

0.090 3.409 0.140 10.1670.091 3.503 0.141 10.3480.092 3.598 0.142 10.5320.093 3.696 0.143 10.7170.094 3.795 0.144 10.9040.095 3.895 0.145 11.0930.096 3.997 0.146 11.2840.097 4.101 0.147 11.4760.098 4.206 0.148 11.6710.099 4.312 0.149 11.867

CARGA CAUDAL CARGA CAUDAL

m l/s - 90 m l/s - 900.150 12.066 0.200 24.7190.151 12.267 0.201 25.2080.152 12.471 0.202 25.3390.153 12.676 0.203 25.6520.154 12.883 0.204 25.9690.155 13.093 0.205 26.2880.156 13.304 0.206 26.6100.157 13.517 0.207 26.9340.158 13.732 0.208 27.2610.159 13.950 0.209 27.590

0.160 14.169 0.210 27.9210.161 14.391 0.211 28.254

0.162 14.614 0.212 28.5880.163 14.840 0.213 28.9240.164 15.067 0.214 29.2640.165 15.297 0.215 29.6070.166 15.529 0.216 29.9530.167 15.763 0.217 30.3010.168 15.999 0.218 30.6510.169 16.237 0.219 31.004

0.170 16.477 0.220 31.3590.171 16.719 0.221 31.7170.172 16.964 0.222 32.0770.173 17.210 0.223 32.4390.174 17.459 0.224 32.8030.175 17.709 0.225 33.1680.176 17.963 0.226 33.5350.177 18.219 0.227 33.9070.178 18.478 0.228 34.2820.179 18.378 0.229 34.659

0.180 19.001 0.230 35.0390.181 19.265 0.231 35.4210.182 19.531 0.232 35.8060.183 19.800 0.233 36.1390.184 20.071 0.234 36.5820.185 20.345 0.235 36.9740.186 20.621 0.236 37.369

0.187 20.899 0.237 37.7660.188 21.180 0.238 38.1660.189 21.463 0.239 38.568

0.190 21.748 0.240 38.9730.191 22.034 0.241 39.3800.192 22.322 0.242 39.7900.193 22.612 0.243 40.2020.194 22.906 0.244 40.6170.195 23.203 0.245 41.0340.196 23.501 0.246 41.4540.197 23.802 0.247 41.8770.198 24.106 0.248 42.3020.199 24.411 0.249 42.730

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172/174

151

Los dems anexos se presentan en el CD adjunto de anexos.

Anexo 3. Procesamiento de datos Cimacio liso

Anexo 4. Procesamiento de datos de Cimacio liso con pilas

Anexo 5. Procesamiento de datos Cimacio liso con pilas y

estrechamientos

Anexo 6. Procesamiento de datos Cimacio escalonado

Anexo 7. Procesamiento de datos Cimacio escalonado con pilas

Anexo 8. Comparacin de resultados

Anexo 9. Vista Lateral, Vista en Planta y Corte Transversal del Cimacio

Liso sin pilas.


Liso con pilas.


Liso con pilas y estrechamientos.


Escalonado.


Escalonado con pilas.

Nota: Los Anexos 9, 10, 11, 12 y 13 se presentan tambin en planos.

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152

10. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

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Documents

CD-3150