INFORME COORDINACIÓN DE HIDRÁULICA. SUBCOORDINACIÓN DE OBRAS Y EQUIPOS HIDRÁULICOS. Jefe del Proyecto: M.I. Juan Antonio López Orozco

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1 ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DEL VERTEDOR DE LA PRESA DE ALMACENAMIENTO TURUACHI, MUNICIPIO DE GUADALUPE Y CALVO, EN EL ESTADO DE CHIHUAHUA HC INFORME COORDINACIÓN DE HIDRÁULICA. SUBCOORDINACIÓN DE OBRAS Y EQUIPOS HIDRÁULICOS Jefe del Proyecto: M.I. Juan Antonio López Orozco Participantes: Dra. Maria Joselina Clemencia Espinoza Ayala M.I. Jose Alfredo Gonzalez Verdugo M.I. Victor Hugo Mireles Vazquez M.I. Cecia Millan Barrera Jiutepec, Morelos, Noviembre de

2 TABLA DE CONTENIDO 1 INTRODUCCIÓN Antecedentes Caracteristicas de la Obra de Excedencias Objetivo del estudio REVISIÓN TEORICA DEL FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DEL VERTEDOR... 7 Los fundamentos teóricos presentados a continuación servirán básicamente para dos cosas: la primera para revisar el diseño teórico del vertedor y la segunda; para analizar y comparar los resultados experimentales con los obtenidos teóricamente. Se presenta el análisis teórico del funcionamiento hidráulico de la obra de excedencias para el gasto máximo de descarga del vertedor, Q = 1295 m 3 /s Descripcion de la estructura Estructura de control (cimacio) Canal de llamada Canal de descarga Alternativa Alternativa Alternativa Alternativa Conclusión DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MODELO Escala del modelo físico Diseño del módulo experimental Modulo de Mamposteria Alimentacion del modelo Topografia del modelo Estructura de aforo del flujo y piezómetros Módulo en acrílico (canal colector y canal de descarga) Implementación del modelo físico Módulo de mampostería RESULTADOS EXPERIMENTALES Cuando se termino el proceso constructivo del modelo físico, se realizaron las pruebas del funcionamiento general y detección de anomalías Pruebas de funcionamiento

3 4.2 Calibración del cimacio-coeficiente de descarga Funcionamiento general del vertedor y canal de descarga CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA

4 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Antecedentes El proyecto de la presa Turuachi esta ubicada en el Municipio de Guadalupe y Calvo estado de Chihuahua, se ubica geográficamente en las coordenadas de latitud N y de longitud W a una altura promedio de 2120 m sobre el nivel del mar y se llega por la carretera estatal No. 24, que va de la ciudad de Hidalgo del parral a la población de Guadalupe y Calvo. En la Figura 1.1 se muestra el sitio de localización. Figura 1.1. Localización del proyecto TURUACHI El objetivo general del presente proyecto tiene la finalidad de utilizar los escurrimientos del Río Turuachi para integrarlos al riego de 205 hectareas y suministrar agua para uso domestico y municipal para una población de 3,350 habitantes. 4

5 1.2 Caracteristicas de la Obra de Excedencias La presa es de materiales graduados en sus taludes, con las siguientes características: Tabla 1.1. Dimensiones de la cortina de materiales graduados. Altura máxima (sobre el lecho del río) 28.9 m Longitud por eje de la cortina 225 m Ancho de la corona 10 m Ancho de base m Talud exterior 2:1 Aguas arriba y aguas abajo 2:1 Elevación de la corona msnm El vertedor está proyectado sobre la margen derecha, del tipo de canal frontal, de cresta libre con longitud de 61.0 m, en el cual transitará una avenida igual a 1,295 m 3 /s, correspondiente a un periodo de retorno de 10,000 años. La obra de toma contará con un gasto de diseño igual a m 3 /s, con diámetro de 30 pulgadas. La capacidad de conservación de 6.3 Mm 3 y la capacidad de azolves es de Mm 3. Se presentan los datos generales de la Obra de excedencias. Tabla 1.2. Caracteristicas de la Obra de Excedencias. Corriente Aprovechada Río Turuachi unidades Elevación del NAME m Elevación del NAMO m Elevación de la cresta vertedor (NAMO) m Elevación de la Corona m Bordo 1.31 m Longitud de la cresta vertedora 61 m Carga de diseño del cimacio 4.61 m Gasto de Diseño del vertedor 1295 m 3 /s 5

6 1.3 Objetivo del estudio Es común que los diseños de estructuras hidráulicas, por ejemplo los vertedores, compuertas, se realicen tomando como base formulaciones teóricas en donde se consideran coeficientes empíricos los cuales se obtienen de experimentos en laboratorio, y son recomendados en la literatura técnica y científica. Sin embargo como cada obra tiene sus características geométricas especiales no es posible que coincidan precisamente las hipótesis y coeficientes empíricos propuestos y el funcionamiento hidráulico real difiere del teórico, es por esto que regularmente no es posible predecir con exactitud cómo funcionará una obra. Por esta razón siempre se recomienda revisar el diseño de una obra con un modelo a escala. Dicho modelo se construye a escala (modelo físico), en el modelo físico se hace pasar un gasto equivalente al que se tendría en la estructura o gasto de diseño. Al observar el funcionamiento hidráulico y con la medición de las velocidades y tirantes que se presentan, es posible mejorar el diseño de la estructura para que funcione de manera adecuada y segura. El objetivo del presente estudio es evaluar el funcionamiento hidráulico del vertedor para diferentes gastos, incluido el de diseño, mediante la modelación física de la estructura y de ser necesario, dar las recomendaciones pertinentes para lograr un correcto funcionamiento que pudiera incluso, llevar a modificar el diseño teórico original de la obra hidráulica. En el capítulo 2 se abordan los fundamentos teóricos de los vertedores de cimacio, comentándose los aspectos más importantes a considerar en el diseño de estas estructuras. Asimismo se hace una revisión del diseño del vertedor de la Presa Turuachi. En el capítulo 3 se presenta el diseño y construcción del modelo, iniciando con la selección de la escala, el proceso constructivo, desde los muros de contención, tanque de alimentación, topografía, vertedor y canal de descarga. En el capítulo 4 se describe el proceso de calibración y capacidad de descarga del cimacio, algunos ensayos preliminares y definición de la geometría definitiva del canal colector y del canal de descarga. Posteriormente se muestra el comportamiento hidráulico del vertedor para diferentes gastos de descarga. Finalmente en el capítulo 5, se presentan las conclusiones más relevantes derivadas del presente estudio. 6

7 2 REVISIÓN TEORICA DEL FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DEL VERTEDOR Los fundamentos teóricos presentados a continuación servirán básicamente para dos cosas: la primera para revisar el diseño teórico del vertedor y la segunda; para analizar y comparar los resultados experimentales con los obtenidos teóricamente. Se presenta el análisis teórico del funcionamiento hidráulico de la obra de excedencias para el gasto máximo de descarga del vertedor, Q = 1295 m 3 /s. 2.1 Descripcion de la estructura La obra de excedencias está comprendida por un vertedor de cresta recta, y un canal de descarga en donde cada una de estas secciones tiene un comportamiento hidráulico específico de acuerdo con sus características: 1.- Vertedor de cresta recta: El cimacio deberá ser recto en planta y perpendicular al eje del canal de descarga. El cimacio tendrá la forma de un perfil tipo Creager. El canal de descarga tendrá una pendiente mayor a la crítica; su plantilla inicia del pie del cimacio a la cota necesaria para que el escurrimiento sea libre 2.- Canal de Descarga o Rápida: A partir de la pendiente más pronunciada. En este se tiene régimen Supercrítico. Flujo gradualmente variado (S2 So>>Sc, yc>y>yn ) 2.2 Estructura de control (cimacio) Características del Cimacio La descarga sobre la cresta de un cimacio se calcula con la ecuación: Donde: Q, gasto de descarga L, longitud efectiva de la cresta Ho, carga de diseño De acuerdo con esta ecuación y con los datos del proyecto: Q = 1295 m 3 /s, L= 61 m y Ho=4.61 m, el coeficiente de descarga sería: C = 2.18 Existen una serie de factores que influyen sobre el coeficiente de descarga, los principales son: 7

8 a) Profundidad de llegada b) Efecto de cargas diferentes a la de proyecto c) Pendiente del paramento aguas arriba d) Efecto de ahogamiento e) Efecto del nivel del piso aguas abajo La carga sobre el vertedor es: Considerando el efecto de la profundidad de llegada, en este caso la relación entre la profundidad de acceso, P y la carga de diseño, Ho: Para relaciones de P/Ho <1 la velocidad de llegada es considerable. Para diseñar el perfil del cimacio se utilizara el criterio de la USACE. Figura 2.1. Criterio de diseño de cimacios según el USACE, para P H 0 1, 8

9 Primero se hará el cálculo para el cuadrante aguas abajo usando la ecuación: Para conocer la longitud del cimacio, de la cresta hacia aguas abajo, es necesario definir el punto de tangencia, PT entre el cimacio y la rápida. En este caso por cuestión de topografía. El limite será cuando y=9.98 y x= 14 Con estos datos es posible obtener el perfil del cimacio. En la Tabla 2.1 se presenta el cálculo del sector aguas abajo de la cresta. Tabla 2.1. Calculo del cimacio aguas debajo de la cresta. x(m) y(msnm) x(m) y(msnm) x(m) y(msnm) x(m) y(msnm) x(m) y(msnm) x(m) y(msnm) x(m) y(msnm) x(m) y(msnm) x(m) y(msnm) x(m) y(msnm) x(m) y(msnm) x(m) y(msnm) x(m) y(msnm)

10 Elevación (m.snm) La sección del cuadrante aguas arriba se calcula con la siguiente ecuación: ( ) ( ) Pero antes es necesario determinar el punto de tangencia de la curva con el paramento aguas arriba, para ello basta calcular los valores de (x,y) señalados en la Figura 2.1: ( ) ( ) En la Tabla 2.2 se presenta el cálculo del cimacio en el cuadrante aguas arriba según criterio del USACE Tabla 2.2. Calculo del cimacio aguas arriba de la cresta. X (m) Y (msnm) X (m) Y (msnm) Distancia (m) Figura 2.2. Perfil del cimacio en el cuadrante aguas abajo. USACE. 10

11 Elevación (msnm) Canal de llamada Distancia (m) Figura 2.3. Perfil del cimacio en el cuadrante aguas arriba. USACE. El vertedor tiene su cresta a la elevación de msnm, con nivel de acceso a la msnm. Debe evacuar un gasto máximo de 1295 m3/s con una longitud de cresta L = m y coeficiente de descarga Cd = Se propone un canal de sección rectangular donde el ancho es de 61 m y un tirante máximo de 4.98 m, con pendiente de S= (ver Figura 2.4). Figura 2.4 Dimensiones del canal de llamada. 11

12 2.4 Canal de descarga En un primer cálculo del perfil para las condiciones originales del proyecto y de acuerdo con los criterios de diseño de vertedores de cresta recta, se propone que el ancho de la base en el canal de descarga de 61 m, de sección rectangular y pendiente longitudinal de para el tramo de la estación a y un ancho base de 61 m, taludes 0.5:1 y pendiente longitudinal 0.09 para el tramo hasta llegar al cauce principal. A continuación se determina el perfil del flujo a lo largo del canal de descarga para la propuesta original. Figura 2.5. Configuración del vertedor y los puntos a representar en la propuesta original El gasto unitario es: 12

13 La carga de velocidad ( ) ( ) El tirante crítico Yc es: ( ) Aplicando la ecuación de la energía entre la sección próxima a la cresta del cimacio y el pie del vertedor, y considerando como perdidas por cortante sobre el cimacio. Se tiene: Sabemos que: ( ) Esto es lo mismo que: ( ) ( ) ( ( ) ) 13

14 ( ( )( ) ( ) ) ( ) ( ) La velocidad en la sección 1 será: Y la carga de velocidad y la energía en la sección 1 ( ) El número de Froude en 1 es: ( ) 14

15 El tirante conjugado mayor es: ( ) ( ( ) ) El número de Froude en 2 es: ( ) Y la velocidad, carga velocidad y energía en la sección 2 serán: ( ) ( ) La pérdida de energía en el resalto es: El tirante normal en el canal aguas abajo del vertedor para que el resalto no se corra debe valer: 15

16 Puesto que Yc > Yn, y que Y2 Yn. Se concluye que entre la sección 2 y 3 se presenta un perfil S2, en el que Yc > y > Yn. La teoría establece que esto sucede frecuentemente a la entrada de un canal de gran pendiente, lo cual es el caso, y que se corrobora con lo obtenido en la modelación numérica. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( ) ) De acuerdo con el USBR de la Figura 2.6. ( ) 16

17 Figura 2.6. Longitud del salto hidráulico en canales rectangulares horizontales, con base en resultados de USBR. En la Figura 2.7 se muestra el perfil y la geometría que va tener el canal de salida en el diseño original. Figura 2.7. Configuración del canal de salida para el vertedor original. Se modela la propuesta original del vertedor Turuachi, esto sirve como diagnóstico del funcionamiento hidráulico de la obra. 17

18 La modelación matemática se realiza en el programa FLOW-3D considerando un gasto de diseño correspondiente al NAME que circulará por el vertedor de 1295 m 3 /s, a este gasto corresponde un tirante aguas arriba, h= 9.18 m. Este dato fue usado como frontera a la entrada del modelo, la frontera aguas abajo es una frontera simple que considera que el flujo sale del dominio sin causar perturbaciones aguas arriba. En la geometría de la obra hidráulica la altura máxima del cimacio se encuentra a a este corresponde el nivel ( msnm), sobre ésta se impone el tirante del gasto de diseño igual a 4.61 m ( msnmn). La pendiente del canal proyectada es de s= Los tirantes circulantes en función del tiempo con los que se alimentó el modelo se muestran en la Tabla 2.3. En esta prueba se hizo entrar la totalidad del flujo en el tiempo t=100 s y dejar 50 segundos para que se estabilizara el flujo. Antes de que concluyera el tiempo se simulación, ésta se detuvo debido a que a partir de t=103 s, el canal se desbordó. Tabla 2.3.Cargas hidráulicas sobre el cimacio en función del tiempo. Tiempo, s Carga h, en m

19 La visualización de los resultados muestra que hasta el tiempo t=94 s el comportamiento en la obra de excedencias contiene muy bien el caudal, aunque se nota que por efecto de las fuerzas centrífugas el flujo sufre una elevación en la curva de salida del canal, véase Figura 2.8 y Figura 2.9. Figura 2.8. Vista en planta y en corte transversal de los contronos de velocidad en t=94 s. Figura 2.9. Vista en planta en corte transversal de los contornos de velocidad en t= s, el flujo se empieza a desbordar por a parte externa de la curva de salida. A continuación se presenta un corte x-z de los contornos de velocidad sobre el cimacio. Cabe señalar que el software maneja coordenadas rectangulares, por ello es que los contornos de flujo presentados no son perfectamente perpendiculares al cimacio. 19

20 Figura Corte x-z de los contronos de velocidad sobre el cimacio (m/s). Figura Número de Froude en un corte x-z del cimacio. Se tomó un punto al pie del cimacio para comparar con los valores teóricos con los numéricos, los valores se muestran en la Tabla 2.4 y Tabla 2.5 siguiente. Valores del tirante hidráulico (hyfd), número de Froude (froude) y velocidad promedio en un punto al pie del cimacio para fines de comparación. Tabla 2.4. Valores del tirante hidráulico (m), número de Froude y velocidad promedio (m/s) en un punto al pie del cimació para fines de comparación. x (m) y (m) z (m) hyfd(m) froude u (m/s) v (m/s) w (m/s) v prom (m/s)

21 Comparación de valores teóricos y numéricos de algunos parámetros hidráulicos en el punto 2. Tabla 2.5. Comparación de valores teóricos y numéricos de algunos parámetros hidráulicos en el punto 1. Valores teóricos Valores Numéricos Tirante, m Velocidad, m/s No. Froude Se corrobora que los datos arrojados por el modelo y los cálculos teóricos son del mismo orden. Debido que la propuesta original tuvo un funcionamiento hidráulico apropiado se procedio a realizar 4 altenativas para una posible solución, para la elección de la configuración correcta para un buen funcionamiento Alternativa 1 Una vez verificado que se produce un tirante supercrítico al pie del cimacio se propone un tanque al pie del cimacio. La alternativa 1 considera un tanque rectangular con profundidad y =nivel al pie del cimacio tirante conjugado mayor= 7.4 m m = 0.71 m, el umbral de salida es igual a la profundidad del tanque, C=6.69 m. Pendiente del canal de salida s= Figura Alternativa 1. 21

22 El tanque cumple su función ya que provoca un cambio de régimen en el flujo (ver Figura 2.13), sin embargo, se produce una sobreelevación del tirante hidráulico a la salida de éste, provocando que el flujo se derrame ahora, por los lados (ver Figura 2.14). Figura Vista general de los contornos de velocidad (m/s) en el canal en t=95 s. Figura Vista general de los contornos de velocidad (m/s) en el canal en t=115 s. 22

23 Tabla 2.6. Caracteristicas de la obra de excedencias. Obra de excedencias para la alternativa 1 Estructuras: vertedor de cresta recta Tanque amortiguador al pie del cimacio Canal de salida Altura Longitud Ancho Vertedor de cresta recta 9.98 ( msnm) m 61 m Tanque amortiguador al pie del cimacio profundidad del tanque 6.69 m ( msnm) umbral de salida 6.69 m longitud del tanque 33 m Canal de salida pendiente profundidad de escalon 0.8 m radio de la curva 50 m Coeficiente de rugosidad en concreto Coeficiente de rugosidad en terreno natural Figura Perfil longitudinal de la obra de excedencias. 23

24 Cadenamiento Tabla 2.7. Perfil del agua para el canal de salida (1 de 8). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

25 Cadenamiento Tabla 2.7. Perfil del agua para el canal de salida (2 de 8). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

26 Cadenamiento Tabla 2.7. Perfil del agua para el canal de salida (3 de 8). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

27 Cadenamiento Tabla 2.7. Perfil del agua para el canal de salida (4 de 8). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

28 Cadenamiento Tabla 2.7. Perfil del agua para el canal de salida (5 de 8). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

29 Cadenamiento Tabla 2.7. Perfil del agua para el canal de salida (6 de 8). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

30 Cadenamiento Tabla 2.7. Perfil del agua para el canal de salida (7 de 8). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

31 Elevación (msnm) Tabla 2.7. Perfil del agua para el canal de salida (8 de 8). Cadenamiento Perfil Obra Obra libre Distancia (m) Figura Perfil del agua para el canal de salida. 31

32 2.4.2 Alternativa 2 Las características de la obra de excedencias para la alternativa 2 se presentan en la Tabla 2.8. Al obtener los resultados de la simulación de la alternativa 2 se concluye que no se logró que el cambio de régimen en el flujo afecte de manera positiva el flujo. Figura Geometría correspondiente a la alternativa 2. 32

33 Figura Número de Froude del flujo en el canal. Figura Tirantes hidráulicos (m). Los datos obtenidos con esta geometría muestran que el canal se comporta de forma aceptable puesto que se busca que el flujo en el canal después del cimacio entre a la curva en régimen subcrítico, en la Figura 2.18 se observa que al pie del cimacio se produce un cambio de régimen pero también que hay cambio de régimen casi a la entrada de la curva lo cual no es deseable, por otro lado, el tirante no crece más allá de la altura de los muros laterales, no obstante como se aprecia en la Figura 2.19, la distribución del flujo, sobre todo en la curva no es la adecuada. 33

34 Tabla 2.8. Caracteristicas de la obra de excedencias. Obra de excedencias para la alternativa 2 Estructuras: vertedor de cresta recta Tanque amortiguador al pie del cimacio Canal de salida Altura Longitud Ancho Vertedor de cresta recta 9.98 ( msnm) m 61 m Tanque amortiguador al pie del cimacio profundidad del tanque a partir del cimacio 6.69 m ( msnm) umbral de salida 6.69 m longitud del tanque 33 m Canal de salida pendiente profundidad de escalon 0.8 radio de la curva 50 Coeficiente de rugosidad en concreto Coeficiente de rugosidad en terreno natural Figura Perfil longitudinal de la obra de excedencias. 34

35 Cadenamiento Tabla 2.9. Perfil del agua para el canal de salida (1 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

36 Cadenamiento Tabla 2.9. Perfil del agua para el canal de salida (2 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

37 Cadenamiento Tabla 2.9. Perfil del agua para el canal de salida (3 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

38 Cadenamiento Tabla 2.9. Perfil del agua para el canal de salida (4 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

39 Cadenamiento Tabla 2.9. Perfil del agua para el canal de salida (5 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

40 Cadenamiento Tabla 2.9. Perfil del agua para el canal de salida (6 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

41 Elevación (msnm) Tabla 2.9. Perfil del agua para el canal de salida (7 de 7). Cadenamiento Perfil Obra Obra Superfice libre Distancia (m) Figura Perfil del agua para el canal de salida. 41

42 2.4.3 Alternativa 3 Las características de la obra de excedencias para la alternativa 3 se presentan en la Tabla Los resultados de la alternativa 2 mostraron que las fuerzas centrífugas propician que el flujo en la parte externa de la curva se sobre-elevara, esta sobreelevación actúa como un colchón amortiguador del flujo, ocasionando un remanso, además de que el tirante de agua en la parte interna de la curva fuera prácticamente nulo. Ante esto, se propusieron cambios en la geometría para mejorar tanto el funcionamiento hidráulico como la distribución del flujo, estos cambios se enlistan enseguida. a) Extensión del cimacio hasta el tanque amortiguador, esto redujo la longitud del tanque a L=28 m. b) Umbral de salida C=3.6 c) Dientes disipadores de energía, en total 23, de m de alto y de ancho, separados a cada 1.37 m. d) Se impusieron dos coeficientes de rugosidad: n=0.015 para la parte que se construirá en concreto y n=0.035 para la parte que se hará sobre el terreno natural, se consideró un suelo rocoso. e) Modificación del ángulo de la curva. f) Pendiente en todo el canal s= Figura Geometría de la alternativa 3. 42

43 Figura Contornos de Velocidades (m/s) en el plano x-z. Figura Número de Froude en el plano x-z. Figura Tirante hidráulico (m) en el plano x-z. 43

44 Figura Tirante hidráulico a la salida del canal. Figura Velocidades (m/s) al inicio de la curva. 44

45 Figura Velocidades (m/s) al final de la curva. Figura Vista general del campo de velocidades en el vertedor y canal de salida. Se observa en la Figura 2.23 y Figura 2.24, que se consigue que se lleve a cabo un cambio de régimen y que el flujo entre a la curva con régimen subcrítico, lo cual se buscaba. La Figura 2.27, nos muestran que el la velocidad promedio del flujo en la curva es de m/s, con una zona de velocidad máxima de 6.12 m/s. Se nota en la Figura 2.29 que el canal se desborda a la salida. 45

46 Tabla Caracteristicas de la obra de excedencias. Obra de excedencias para la alternativa 3 Estructuras: vertedor de cresta recta Tanque amortiguador al pie del cimacio Canal de salida Altura Longitud Ancho Vertedor de cresta recta ( msnm) 14 m 61 m Tanque amortiguador al pie del cimacio profundidad del tanque a partir del cimacio 8 ( msnm) umbral de salida 3.6 ( msnm) longitud del tanque 28 m Dientes disipadores 23 m Alto y ancho de los dientes 1.37 m Canal de salida pendiente radio de la curva m Coeficiente de rugosidad en concreto Coeficiente de rugosidad en terreno natural Figura Perfil longitudinal de la obra de excedencias. 46

47 Tabla Perfil del agua para el canal de salida (1 de 7). } Cadenamiento Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

48 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (2 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

49 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (3 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

50 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (4 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

51 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (5 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

52 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (6 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

53 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (7 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

54 Elevación (msnm) Obra libre Distancia (m) Figura Perfil del agua para el canal de salida Alternativa 4 Las características de la obra de excedencias para la alternativa 3 se presentan en la Tabla Los dientes del canal amortiguador tienden a elevar el flujo en el umbral, se propone la misma geometría que el caso anterior pero quitando los dientes del tanque amortiguador, esperando conocer la influencia de los dientes disipadores de energía en el funcionamiento hidráulico del vertedor. Figura Geometria de la alternativa 4. 54

55 Figura Contorno de velocidades (m/s) a los largo del eje del vertedor en el plano x-z. Figura Contornos del número de Froude en el plano x-z. Figura Tirante hidráulico (m) en el plano x-z. 55

56 Figura Tirante hidráulico a la salida del canal. Figura Velocidades (m/s) al inicio de la curva. Figura Velocidades (m/s) a la salida de la curva. 56

57 Figura Vista general del campo de velocidades (m/s) en el vertedor y canal de salida. Se observa en la Figura 2.33 y Figura 2.34, al igual que en el caso anterior se consigue que se lleve a cabo un cambio de régimen y que el flujo entre a la curva con régimen subcrítico. La Figura 2.37 y Figura 2.38 al 34, nos muestran que el la velocidad promedio del flujo en la curva es de 4.49 m/s, con una zona de velocidad máxima de 5.52 m/s. como era de esperarse, la Figura 2.39 muestra que el canal se desborda a la salida y que el flujo en la curva se mejora notablemente al tener una mejor distribución. 57

58 Tabla Caracteristicas de la obra de excedencias. Obra de excedencias para la alternativa 4 Estructuras vertedor de cresta recta Tanque amortiguador al pie del cimacio Canal de salida Altura Longitud Ancho Vertedor de cresta recta 9.98 ( msnm) m 61 m Tanque amortiguador al pie del cimacio profundidad del tanque a partir del cimacio 8 ( msnm) umbral de salida 3.6 ( msnm) longitud del tanque 28 m Canal de salida pendiente radio de la curva m Coeficiente de rugosidad en concreto Coeficiente de rugosidad en terreno natural Figura Perfil longitudinal de la obra de excedencias. 58

59 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (1 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

60 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (2 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

61 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (3 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

62 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (4 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

63 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (5 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

64 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (6 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

65 Cadenamiento Tabla Perfil del agua para el canal de salida (7 de 7). Perfil Obra Cadenamiento Perfil Obra

66 Elevación (msnm) Obra libre Distancia (m) Figura 2.41.Perfil del agua para el canal de salida Conclusión De las pruebas anteriores se desprende que la mejor alternativa es la 4. Las velocidades de entrada son alrededor de 4.5 m/s, que en comparación con la propuesta original en la que se desarrollaban velocidades alrededor de 10 m/s caen dentro de los límites aceptables para evitar erosión, dado el material del terreno natural. Al modificar la curva también se obtiene una mejor distribución de velocidades. Se recomienda aumentar la altura de la pared lateral de la parte externa de la curva hasta h=5.5 m para que pueda contener el caudal. 66

67 3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MODELO En el Laboratorio de Hidráulica Enzo Levi del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua se realizan estudios de funcionamiento, comportamiento y revisión de diseños de obras, equipos y fenómenos hidráulicos mediante la modelación física a escala reducida, esto es, la representación del fenómeno en un tamaño tal que pueda ser reproducido considerando la capacidad del laboratorio y las condiciones de similitud requeridas. La Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), solicitó al IMTA el estudio en modelo físico del funcionamiento hidráulico del vertedor de la presa de almacenamiento Turuachi, Municipio de Guadalupe y Calvo estado de Chihuahua. 3.1 Escala del modelo físico De acuerdo con los criterios de similitud, para que exista semejanza entre prototipo y modelo en el caso de flujos a superficie libre, con flujo turbulento, donde la fuerza de gravedad es dominante (canales y ríos), el modelo debe diseñarse según la ley de Semejanza o Criterio de Similitud de Froude: Dadas las condiciones de flujo que se presentarán en el modelo hidráulico, se hizo un análisis para determinar la escala a utilizar en la construcción del modelo. En la Tabla 3.1. Caracteristicas del modelo experimental. se presentan las características de la obra y del modelo y en la Tabla 3.2 se presentan los resultados obtenidos del análisis de opciones de escala. Tabla 3.1. Caracteristicas del modelo experimental. Dimensiones Unidad Ancho del Área del prototipo por representar m Largo del área del prototipo por representar m Ancho del área disponible en laboratorio m Largo del área disponible en laboratorio m Longitud del vertedor prototipo m Gasto máximo a representar m 3 /s Gasto minimo a representar m 3 /s Coeficiente de rugosidad (manning) en prototipo Tirante hidráulico medio en prototipo m Coeficiente de rugosidad del acabado del modelo

68 Escala Horizontal Vertical Tabla 3.2. Análisis de escala y dimensiones del modelo. Distorción Dimensiones en el modelo Ancho (m) L Vertedor (m) Largo (m) 1 m Gasto maximo en modelo (l/s) Escalas de líneas recomendables para un modelo de flujo en vertedores y cubetas deflectoras: El 1:10 a 1:100, sin distorsión. ** Número de Reynolds para el gasto mínimo del flujo en la sección del vertedor del modelo considerando Ven Te Chow: Re=VR/ 500 En la Tabla 3.2 se puede observar que en todos los casos, el número de Reynolds es mayor que 500, esto indica regímenes de flujo turbulento donde las fuerzas de viscosidad no son de importancia. Del análisis anterior, por la disponibilidad de espacio y tamaño del modelo, considerando el plano de proyecto proporcionado por la CONAGUA (Plano general del vertedor), se puede emplear la escala 1:50 la cual se encuentra dentro del rango de escalas lineales en modelos hidráulicos de fondo fijo sin distorsión, modelos de obras hidráulicas de cárcamos de bombeo y túneles (Vergara, M. A., 1995). Con la escala de líneas Le= 1:50 se tienen las siguientes escalas de semejanza: Tabla 3.3. Escalas de semejanzas. Escala de Líneas L e =50 L e =50 Escala de Áreas A e =L e 2 Escala de Velocidades V e =L e 1/2 Escala de Gastos Q e = A e V e = L e 5/2 A e =2500 V e =7.07 Q e = El área propuesta dentro de las instalaciones del laboratorio de hidráulica Enzo Levi del IMTA, considerando la disposición de abastecimiento de agua al modelo, las condiciones de acceso, la facilidad de maniobra, etc.., se localiza junto al canal de fondo móvil y a un lado del modelo El Hervidero. Este sitio se consideró idóneo tomando en cuenta los siguientes aspectos de ubicación y funcionalidad. Se cuenta en esta zona con dos líneas de alimentación, ambas de 304,8 mm (12 ) que bajan del tanque elevado. Se cuenta con una grúa viajera por encima de la zona lo que facilitará las maniobras durante la construcción. 68

69 Para iniciar la construcción del modelo se realizó la limpieza del sitio, moviendo algunas instalaciones y equipos que se encontraban ocupando este espacio, (Figura 3.1). Área de construcción del modelo Figura 3.1. Ubicación del sitio donde se implementara el modelo hidráulico. 3.2 Diseño del módulo experimental Con la escala de líneas seleccionada Le = 50, se realizó el plano del módulo experimental el cual se muestra en la Figura 3.2. Figura 3.2. Vista general en planta del módelo experimental 69

70 De acuerdo con la experiencia en la realización de estudios de este tipo, se consideró conveniente que el modelo fuera conformado por dos módulos: uno de mampostería y otro de acrílico. El primero representará la zona del vaso, canal de acceso y cimacio, así como el canal de aforo y flujo de retorno del agua hacia el cárcamo de bombeo del laboratorio. El segundo conformará parte del vertedor de canal lateral, la rápida, estructura disipadora de energía. La idea de este módulo en acrílico es poder evaluar el funcionamiento hidráulico del vertedor y del canal de descarga para retornar el agua al río y tener mayor flexibilidad para hacer los cambios que se requieran Modulo de Mamposteria Este módulo consiste básicamente en el tanque de alimentación al modelo, canal de acceso, el cimacio, parte del canal de descarga y el canal de aforo Alimentacion del modelo La alimentación del modelo se diseñó considerando el gasto que se requerirá para la operación de la instalación experimental. La alimentación será a través de una tubería de 304,8 mm (12 ) de diámetro conectada a una tee en la línea de alimentación del laboratorio Topografia del modelo En la topografía se utilizó material de banco cementante tepetate, colocado en capas de hasta 0.15 m, la configuración de la misma se realizó con tarrajas de placa de MDF (medium density fiber) de 0,003 m; la superficie final se configuró con una capa de compresión de concreto f c=17,65 MPa (180 kg/cm 2 ) armada con malla calibre 20. En la parte inferior del relleno se colocaron drenes para eliminar la humedad producto de filtraciones o del material utilizado Estructura de aforo del flujo y piezómetros Para el aforo de los gastos en el modelo se colocó un vertedor rectangular con contracciones laterales formado por una placa de 6,35 mm (1/4 ) de espesor al final del canal que retorna el agua del modelo a la cisterna. En cuanto a la medición de presiones, se realizará en un tablero con piezómetros de manguera de 12,7 mm (1/2 ) de diámetro las cuales se colocaron en la el canal de llegada y canal colector. 70

71 3.2.5 Módulo en acrílico (canal colector y canal de descarga) El vertedor de canal frontal es la estructura más importante del modelo. El cimacio del vertedor se construyó con una mezcla de cemento y arena y la forma se le dio usando tarrajas, mientras que la rápida y el canal de descarga fueron conformados en acrílico y soportados por una estructura metálica móvil. Anexo a este informe se presenta el plano general del módulo experimental del vertedor de la presa de almacenamiento Turuachi. 3.3 Implementación del modelo físico Módulo de mampostería Para la implementación del modelo en el laboratorio, se midió y trazó el contorno del área sobre la que se ubicaría el modelo, ver Figura 3.3 Inicialmente se construyó un firme de concreto con armado de varillas del # 3. La construcción se inició levantando los muros perimetrales del modelo para las obras de acceso y aforo, con block aligerado de 20 cm de espesor, con un armado del 40. Figura 3.3. Trazo del modelo en el laboratorio En la Figura 3.4 se muestra el inicio de la construcción del módulo experimental Turuachi y en la Figura 3.5 y Figura 3.6 se presentan otras vistas de la construcción. 71

72 Figura 3.4. Inicio de trabajos de construcción del modelo Figura 3.5. Construcción de los muros perimetrales del modelo 72

73 Figura 3.6. Aplanado de los muros perimetarles del modelo. En las siguientes figuras se muestra la configuración de la topografía aguas arriba de la cortina y aguas abajo de la misma. En el fondo del cajón se colocaron drenes de PVC de 1 y un filtro de grava antes de iniciar el relleno. El material usado como relleno fue tepetate compactado en capas. Para dar la configuración al modelo se trazaron los ejes correspondientes a la cortina y del vertedor. Las tarrajas se colocaron de acuerdo con el cadenamiento y a la elevación correspondiente con los planos de la obra. Figura 3.7. Colocación de drenes y filtro de grava. 73

74 Figura 3.8. Trabajos de compactación de tepetate. Figura 3.9. Configuración de topografía. 74

75 Figura Vista aguas arriba de la cortina. Figura Vista aguas debajo de la cortina. 75

76 Figura Vista general de terminación. Figura Acabado del tanque de alimetación. 76

77 En la Figura 3.14 y Figura 3.15 se muestra diversos aspectos de la construcción del módulo experimental. Figura Desague lateral del canal de descarga. Figura Toma de descarga del tanque de alimentare 77

78 En la Figura 3.16 a Figura 3.19 se muestra la topografica y cortina terminada. También la caracterización del cimacio y del canal de salida en acrílico. Figura Vista panorámica de la topografía y la cortina terminada. Figura Cimacio terminado 78

79 Figura Colocación de soporte metálico para el vertedor Figura 3.19.Terminación del canal de salida de acrílico. 79

80 Figura Modelo físico del vertedor de excedencias terminado. 80

81 4 RESULTADOS EXPERIMENTALES Cuando se termino el proceso constructivo del modelo físico, se realizaron las pruebas del funcionamiento general y detección de anomalías. 4.1 Pruebas de funcionamiento Se iniciaron las pruebas de funcionamiento del model. Primero se revisó la tubería de alimentación debido a que frecuentemente se presentan fugas, sin embargo este no fue el caso. En Figura 4.1 se muestra el funcionamiento de la tubería de alimentación, además en esta etapa se puedo apreciar la lectura de los piezómetros. Figura 4.1. Funcionamiento de la tubería de alimentación. 81

82 El funcionamiento hidráulico del modelo físico fue bueno, conforme al diseño de la alternativa 4 la cual se describe en el capitulo anterior. En el canal de llamada hay buena distribión del flujo y no se presenta ahogamiento. El flujo en el vertedor es hidráulicamente aceptable conforme se proyecto y los tirantes en el canal de salida se comportan en el mismo orden que los tirantes que se presentan en la modelación tridimensional. (Ver Figura 4.2 a Figura 4.5). Figura 4.2. Zona de alimentación del modelo. 82

83 Figura 4.3. Vista del canal de llamada. Figura 4.4. Vista del vertedor de cresta recta. 83

84 Figura 4.5. Comportamiento del canal de salida. 4.2 Calibración del cimacio-coeficiente de descarga Se procedio a la calibración del vertedor de pared delgada que sirve para el aforo de los gastos en el modelo y del cimacio en el vertedor de cresta rectal del modelo.la calibración se realizo con el siguiente procedimiento: 1. Se encienden las bombas yse abre la válvula que permite la entrada del flujo al tanque de alimentación del modelo. La abertura está en función del gasto que se desea probar.se inicia con un gasto bajo para posteriormente ir incrementando paulatinamente. 2. Una vez estabilizado el flujo se afora el gasto con el medidor de flujo FlowTracker dividiendo la sección de aforo en 10 dovela y en tres profundidades, leyéndose a la par la lectura o carga en el limnimetro aguas arriba del vertedor rectangular de pared delgada, así como el tirante o profundidad mediante la lectura de los dos piezómetros ubicados aguas arriba del cimacio del vertedor. 3. Tomada las lecturas correspondientes, se procede a incrementar el gasto y se repite el punto anterior. 84

85 En la Figura 4.6 se presentan una fotografía del proceso de calibración. El equipo utilizado tiene capacidad para medir tres componentes de la velocidad. Figura 4.6. Proceso de calibración con el equipo de medición FlowTracker. 4.3 Funcionamiento general del vertedor y canal de descarga Para conocer el comportamiento general de flujo en el canal de descarga, se procedió a realizar mediciones de velocidad y nivel de la superficie libre del agua para diferentes gastos incluido el de diseño. Las mediciones se realizaron en 18 secciones transversales cada una con 10 dovelas (ver Tabla 4.1), como se muestra en la Figura 4.7. Las 18 secciones se tomaron a dos profundiades (0.6 y 0.8 del tirante). 85