6.5 Tabla de aforo. En la practica estos factores limitan el valor máximo de HI a 1,OO m. La anchura

Transcripción

1 I Un caudal dado puede ser regulado por un vertedero estrecho que descarga con una carga alta o con uno ancho por el que pasa una corriente poco profunda. La combinación óptima de carga y anchura depende de diversos factores, como son los siguientes: 1. Del gasto total del vertedero, en m'/s. 2. De la anchura del canal de Ilegada, principal o secundario, en el cas0 de un dispositivo instalado en el mismo cauce, y de la anchura del canal, aguas abajo del vertedero, cuando éste funciona como una toma. 3. De la profundidad del agua en el canal de entrada, principal o secundario. 4. De la perdida de carga disponible en el vertedero. 5. De limitaciones constructivas, tales como la disposición de las guías, del mecanismo de elevación de las compuertas y del peso de la compuerta. 6. De si el vertedero se mueve por detrás de una compuerta de fondo o de-un salto en el canal. 7. De la precisión de medida deseada. 8. Del número de vertederos que se necesitan y del deseo de normalizar sus dimensiones. En la practica estos factores limitan el valor máximo de HI a 1,OO m. La anchura - del vertedero, b,, varia de 0,30 m hasta 4 m, correspondiendo las mayores anchuras a los valores mas altos de Hlmax. Generalmente el diseño se basa en la elección de la altura de carga, Hl, que dará una precisión razonable y en la subsiguiente elección de la anchura más adecuada para el caudal del proyecto. La tabla de aforo que se da en el Apartado 6.5 es válida para la carga energética máxima, Hlmax, siendo ésta igual a la longitud de la coronación. El proyectista necesita entonces, solamente, seleccionar la tabla apropiada, que le da una anchura razonable (ver el Apartado 4.3). Para un vertedero móvil, que suministra agua a una gran finca o a un grupo de fíncas pequeñas, generalmente se utiliza un limite superior de HI de, aproximadamente, 0,50 m. Para hacer minima la longitud de la coronación móvil, ésta debe ser,pues, L = 0,50 m y la anchura del borde redondeado de la parte aguas arriba, de 0,2HI,,, = 0,lO. Las demás dimensiones de este dispositivo de derivación se muestran en la Figura Con una anchura de b, = 0,30 m, que.es la minima en la practica, el vertedero de la Figura 6.10 puede medir y regular caudales de entre 5 y 170 litros/s, siendo sus dimensiones lo suficientemente reducidas como para dar servicio a pequeiías unidades de riego (terciarias). Con frecuencia, resulta más práctico utilizar una anchura menor que b, = 1,50m, ya que puede utilizarse un mecanismo de compuertas central para mover el vertedero, al tiempo que el sistema de guias puede ser relativamente sencillo (ver las Figuras 6.11 y 6.12 o el Apartado 6.6). Si la anchura supera 1,50 m, deberán utilizarse engranajes de elevación a ambos lados del vertedero para evitar que la compuerta se acodale en las guías. 6.5 Tabla de aforo El nivel del agua más arriba de una toma móvil permanecerá casi constante, o fluctuará con el del canal del que se hace la derivación, en función del tipo de dispositivo y 162

2 soporte superior/ L 10ox5ox8 volante y eje ocultos m v) estacion de aforo I soporte de compuerta LlOOx50x5 astidor de las guías orificios para el pasador de b.loqueo f compuerta- 'i defondo h.i, junta de cierre- Figura 6. IO Dimensiones de uso más frecuente de una obra de derivación, con vertedero móvil. de SU procedimiento de manejo. Por tanto, la profundidad del agua, y,, en el canal de aproximación, puede variar, mientras que el caudal derivado y, por tanto, h,, son los mismos. La variación resultante en la velocidad de aproximación, v,, es mayor si la carga aguas arriba, h,, es grande en relación con la profundidad del agua, y,, tal como ocurre con el vertedero del tipo adosado en un salto de agua. La aparición de valores diferentes de v, (y, por tanto, de v12/2g) para el mismo valor de hl, da lugar a errores algo superiores en la medida del caudal (ver el Apartado 7.4.4). Si el nivel del agua en el canal de abastecimiento continuo oscila más de, aproximadamente, 0,15HI,,,, se deberá utilizar un vertedero de doble compuerta, o bien una de las alternativas del fondo para un vertedero de compuerta montada en un salto. En cualquiera de los dos casos debe utilizarse la tabla de aforo del vertedero de doble compuerta (ver la Figura 6.5). Sin embargo, muchos sistemas de canales de riego operan de forma que el nivel del agua en los canales principal y secundarios se mantenga dentro de unos límites estrechos, por medio de dispositivos de control mbviles. En estas condiciones de manejo, la profundidad del agua, yi, en el canal de aproximación, permanece bastante constante. AI deducir la tabla de aforo (Tabla 6.1) se han supuesto estas condiciones y se han utilizado: Para el tipo de compuerta doble (Figura 6. IO), y, 2Hl,,, -i- 0,05m (6.1) 163

3 ~~ Tabla 6.1 Tablas de aforo, pare vertederos móviles, en unidades mbtricas L - 0,50 m 0,3 m < b, < 2.0 m L m L m 0.5 m < b, < 3.0 m 1.0 m < b, < 4.0 m hl hl hl (31s p:r metro p:r metro (d/s p9,r metro ( m) de anchura) ( m) de anchura) ( m) de anchura) Con salto Doble Con salto Doble Con Salto Doble en solera campuerts en solera compuerte en eolera mmpuerta ,018 0, ,052 0, ,024 0,031 0,038 0,045 0,053 0,024 0,031 0,038 0, , ,031 0,037 0,045 0,053 0,030 0,037 0,045 0, ,068 0,087 0,106 0,127 0, ,106 0,127 0, ,062 0,070 0,079 0, , ,079 0,088 0,098 0, ,069 0,078 0,088 0,097 0,061 0,069 0,078 0, , ,223 0,250 0,278 0,172 0,197 0,222 0,249 0, ,142 0,154 0,108 0,119 0,130 0,141 0,152 0, ,107 0,118 0,129 0,140 0,151 0,107 0,117 0,128 0,139 0, ,307 0, ,400 0,433 0,305 0,334 0,364 0,396 0, , ,192 0,205 0,218 0,164 0,176 0,188 0,201 0, ,163 0,175 0,187 0, ,162 0,174 0,186 0,198 0, ,467 0,503 0,539 0,576 0,614 0, ,530 0, ,232 0, ,277 0,292 0,227 0, , ,226 0,240 0,253 0, ,224 0, , ,640 0,678 0, , , ,308 0,324 0,341 0,358 0, ,328 0,344 0, ,35 0,297 0,312 0,327 0,343 0,359 0,293 0,307 0, ,866 0, ,008 1,057 0,839 0,882 0,925 0, ,394 0, ,451 0, , , , ,391 0,408 0,425 0,443 0, ,400 0,416 0, , ,269 1,326 1,060 1,106 1,153 1,202 1, , ,558 0,578 0,461 0,479 0,497 0, ,4Za 0, ,479 0, , ,467 0, ,611 0, ,444 1,505 1,569 1,634 1,301 1,352 1, , ,554 0, , ,677 0, ,650 0,689 0, , , , ,64 0, ,914 0,967 1, ,857 0,901 0,947 0,993 1, AH m 0,11 m 0.20 m 0.17 m 0,26 m 0,22 m a Cambio en el incremento de carga. 164

4 Para el tipo de compuerta montada en un salto (Figura 6.5), y1 1,33H,max (6.2) Si el valor de y1 es diferente de los valores anteriores, puede deducirse una tabla de aforo adecuada ajustando el cambio de la velocidad de aproximación por el método expuesto en el Apartado 7.4.7, o interpolando entre las cargas tabuladas. Se dan tres series de tablas: para L = 0,50 m, 0,75 m y 1,OO m. Para reducir al mínimo el tamaño del vertedero se ha utilizado, como límite superior, Hl/L < 1,O. Al pie de la Tabla 6.1 se da la pérdida de carga necesaria, AH, en el vertedero móvil. Estos valores pueden ser utilizados si el vertedero tiene un tramo corto de canal rectangular en SU salida, tal como el del ejemplo de la Figura Si se utiliza un canal de cola más ancho deberán calcularse las pérdidas de carga por el método que se explica en el Apartado 7.5 o estimarlas en 0,4H,,,, para el cas0 más desfavorable (ver la Tabla 7.5). 6.6 Disposicion de las guias Según se mencionó en el Apartado 6.4, la disposición de las guías en los vertederos con anchura de entre 0,30 y 1,50 m puede ser bastante sencilla; las compuertas, con sus correspondientes soportes de suspensión y perfiles, se mueven por dentro de estrechas acanaladuras con cierre hidráulico del tipo metal contra metal. Las filtraciones de agua por los bordes horizontales se impiden utilizando juntas de goma. El sistema de guías y juntas de cierre terminales, que pueden usarse en el tipo de vertedero que se muestra en la Figura 6.10, se dan en la Figura SegÚn se muestra, los perfiles de las guías van enrasados con los cajeros del canal de aproximación. También las pletinas de elevación, de 8 x 50 mm, encajan perfectamente en las guías de 10 mm de anchura. Por tanto, la anchura del vertedero es la misma que la del canal de aproximación. La coronación del vertedero se mueve, entre las paredes de hormigón o fábrica de ladrillo, con una holgura de unos 5 mm, lo que apenas tiene una influencia apreciable en la exactitud de la medida del caudal. SegÚn se expusó en el Apartado 6.2.1, el movimiento de las compuertas superior y de fondo se restringe para reducir al mínimo las pérdidas accidentales o las salidas furtivas de agua. Para est0 se suelda una pletina de 8 x 60 mm en el ángulo superior de la compuerta alta. Esta pletina encaja en la guía correspondiente y termina 0,20 m por debajo de la esquina superior del bastidor (la compuerta de fondo está cerrada). Un pasador de cierricon candado encaja en un orificio (10 x 40 mm) que atraviesa la estructura, justamente por encima de esta pletina. Si el pasador se retira, la compuerta de fondo puede abrirse 0,20 m, lo cual permite que fluya menos agua a través de esta abertura que sobre el vertedero, con lo que se evitan despilfarros. En los verrederos con compuerta de fondo, la compuerta vertical se coloca, generalmente, de forma que aproximadamente la mitad de la coronación del vertedero quede aguas arriba del plano de la compuerta, con el fin de reducir al mínimo el par de empuje giratorio sobre esta compuerta, cerca de las guías. Sin embargo, los vertederos que se mueven detrás de un salto tienen, frecuentemente, la compuerta vertical unida al borde redondeado que presenta en la parte de aguas arriba SU coronación (ver la Figura 6.5), de manera que se necesita dar una robustez algo mayor a las guías de 165

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7 Figura 6.13 Sección de un sistema de guias para compuertas de entre 1,SO y 4,OO m de anchura (dimensiones en milimetros) de la carga hidráulica máxima, bajo la que tendrá que funcionar, del tipo de canal en el que se instale (a nivel de finca o a nivel de zona), de la velocidad del desplazamiento de la compuerta y del método de manejo. Existen en el mercado diversos mecanismos que cubren las necesidades de múltiples aplicaciones. En el Apartado se describen algunos dispositivos que pueden utilizarse en vertederos de anchura menor de 1,50 m. EI mecanismo elevador de la compuerta debe superar un conjunto de fuerzas para mover cualquier vertedero desplazable. Estas fuerzas incluyen el peso del vertedero y de la compuerta o compuertas, el peso del soporte y del eje, la resistencia por el rozamiento debido a la presión hidráulica ejercida contra la compuerta o compuertas y el peso del agua sobre la coronación del vertedero. Para determinar la fuerza de elevación necesaria para mover un vertedero se utiliza la ecuación siguiente: F = ftb, + W + pghib,l (6.3) en donde: F = Fuerza elevadora necesaria (N) f = Coeficiente de rozamiento (adimensional) b, = Anchura del vertedero (m) W = Peso del vertedero móvil (y compuertas) más el de las pletinas de sujeción, el del soporte y el del vástago (N) g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s ) p = Densidad del agua (kg/m3) hl = Carga sobre la coronación del vertedero (m), aproximadamente igual al calado aguas arriba T = Superficie del triángulo sombreado o trapezoide de la Figura 6.14 (kg/s2) 168

8 A I todas las compuertas deben elevarse para el arrastre de sedimentos B D Figura 6.14 Ejemplos de presión hidráulica ejercida sobre vertederos móviles. En la Figura 6.14 se muestra la presión hidráulica, ejercida sobre las compuertas y el vertedero, en cuatro posiciones extremas de este Último. La Figura 6.14A, ilustra la posición para la que F llega a ser máxima con un vertedero de doble compuerta. Esto se debe a que T = 0,5pgy12 y a que todas las compuertas y el vertedero deben levantarse para facilitar el arrastre de sedimentos. En la Figura 6.14D la fuerza, F, alcanza un valor maximo para el vertedero de compuerta tras un salto, debido a que el valor de T 2: 0,4pghI2 (para pi = 0,33H,,,,) y a que todos los demás términos de la Ecuación 6.3 tienen un valor maximo. En la Ecuación 6.3 se utilizan dos coeficientes de rozamiento diferentes. El primer0 es para iniciar el movimiento de las compuertas partiendo de SU posición de cierre, y SU valor, con un criterio conservador, se ha determinado que puede ser, aproximadamente, f = 0,6. Una vez que la compuerta se ha levantado un poco, este coeficiente, inicialmente alto, se reduce hasta, aproximadamente, f = 0,3. Estos valores aproximados varian según el tiempo transcurrido desde la Última apertura de la compuerta, según que ésta se halle mas o menos cubierta por sedimentos de limo o arena y según que las superficies de contact0 estén bien lubrificadas o secas Tipos de mecanismos para la elevación de compuertas Una vez determinada la fuerza, F, el paso siguiente es elegir una combinación del mecanismo de elevación y del correspondiente vástago. Tanto el engranaje con piñón como el gato de elevación son muy apropiados, cuando las fuerzas a vencer son pequeñas. La ventaja de estos mecanismos de bajo coste es que pueden ser soldados el uno al otro en la mayoría de los talleres mecánicos. Mecanismo de piñón y cremallera Este mecanismo fué desarrollado por Fullerformt (1 977) para disponer de un disposit Los nombres comerciales o de empresas se dan solo para ayudar al lector, sin que ésto signifique una aprobación o un tratamiento de preferencia hacia la compañía citada o hacia sus productos. 169

9 VISTA FRONTAL (dimensiones en mm) (el perfil frontal L 1 O0 x 50 x 6 y la manivela nose ven) : w 1 - SECCION SOBRE LA MANWELA perfil L 150 x 50 x,orificiade 15 mm solda DETALLES DE LA TERMINACION DE LA MANIVELA Figura 6. I5 Mecanismo elevador de piñón y cremallera. tivo de bajo coste, para el ajuste exacto de compuertas pequeñas. Para un verteder0 de 0,30 m de anchura no se presentarán problemas si se construye de acero de alta resistencia, con las dimensiones que aparecen en la Figura Si la manivela tiene un radio de longitud 6 veces la del piñón y se le aplica una fuerza manual de 120 N ( N 12 kgf), este mecanismo puede producir una fuerza de elevación, F, de aproximadamente 700 N (68 kgf). 170

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11 VISTA SUPERIOR DEL FRENO SECCION A-A VISTA FRONTAL to de giro alternativo 6.7 o la 6.8 VISTA SUPERIOR DEL BRAZO DE PALANCA(todos los elementos en un solo plano) 2 A *-so+ (dimensiones en mm) Figura 6.17 Mecanismo elevador de gato. 172

12 Ï l I t-"+"i I 7 I diametro del volante en mm diametro lvueltas del lfuerza de elevacion, dimensiones en mm - lel husillo volante para en N, para un en mm mover la com- esfuerzo sobre el puerta 25 mm volante de 120 N A 8 C E F *) 1 N = 0,0981 Kg fuerza 2, ,s O0 1 O0 1 O Figura 6.18 Dimensiones deun volante (adaptado de la ARMCO Steel Corporation, 1977) Husillo con volante Para vertederos que se suben y bajan regularmente y requieren una fuerza de elevación mayor de 750 N (73 kgf) se recomienda el empleo de un husillo con volante. Esto supone, en la práctica, que deben equiparse con husillo y volante los vertederos que tienen una longitud de coronación de L = 0,50 m (que son, por lo general, los más utilizados) y cuya anchura sea mayor que la minima, b, = 0,30 m. Existen en el mercado muchas clases de volantes manuales con tuercas de elevación, de hierro fundido o de bronce. Se recomiendan especialmente las tuercas de bronce, en vez de las de fundición, por SU alta resistencia a la corrosión, SU mis larga duración y SU mayor eficiencia.. 173

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14 como el que se muestra en la Figura 6.8, la carga aguas arriba referida al resalto y, por tanto, el caudal que fluye sobre el vertedero, permanecen constantes. 6.8 Ejemplo de diseño para la construccion de una obra de derivacion Según se explicó en el Capítulo 4, la solera y los cajeros de las obras de medición pueden construirse de ladrillo, de hormigón armado o con una combinación de ambos materiales. Como se puede ver en la Figura 6.4, la mamposteria de piedra natural da buenos resultados. La elección del material de construcción debe basarse tanto en SU disponibilidad como en la de la mano de obra, pues de ambos depende el coste de construcción de la obra. Desde el punto de vista hidraulico no existe preferencia alguna por ningún material de construcción especifico. El vertedero de coronación móvil es especialmente adecuado para regular y medir el caudal derivado de un canal de riego principal o secundario. En el ejemplo de la Figura 6.21 se utilizó hormigón armado, por ser el material de construcción mas corriente. Esta obra aloja un vertedero de tamaño normalizado (L = 0,50 m), situado en un salto. Sin embargo, si se rebajase la solera del canal de aproximación, podría instalarse un vertedero con compuerta de fondo. VISTA FRONTAL SECCION A-A Figura 6.20 Detalle del angulo superior del bastidor de un vertedero de doble compuerta (ver la Figura 6. I I). 175

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