Energía. Disipadores de SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN

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1 SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN Subsecretaría de Desarrollo Rural Dirección General de Apoyos para el Desarrollo Rural Disipadores de Energía.

2 DISIPADORES DE ENERGÍA 1. INTRODUCCIÓN Uno de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño de obras hidráulicas es la disipación de la energía cinética que adquiere un flujo en su descenso. Esta situación se presenta en vertederos de excedencias, estructuras de caída, desfogues de fondo, bocatomas, salidas de alcantarillas, etc. La disipación de la energía cinética puede lograrse aplicando diferentes medidas, a saber: generación de resalto hidráulico, impacto o incremento de la rugosidad. La estructura disipadora de energía es una parte importante de la obra de excedencia que tiene por objeto disipar la energía cinética que el agua adquiere en su caída desde el vaso hasta un sitio adecuado en el fondo del cauce, donde no genere problemas de erosión o socavación. Estas estructuras se diseñarán para que el agua, que sale del canal de descarga, se aleje lo máximo posible, dentro de lo económico, de la cortina o de alguna estructura complementaria. El tipo de disipador de energía que se diseñe depende de la clase de material que se tenga en el sitio en que se puede descargar la avenida. Cuando se tenga roca sana, se puede descargar el agua directamente del vertedor, en régimen rápido, sin necesidad de pasar a régimen tranquilo, siempre que no vaya a causar problema a la pequeña presa o bordo de almacenamiento. Si el material es erosionable, se diseña un tanque amortiguador de sección transversal rectangular, hecho de mampostería o concreto armado. Se debe estar consciente, que una falla en el diseño, instalación u operación de los disipadores puede llevar a problemas como socavación, erosión o retención de material, que pueden terminar produciendo la falla del vertedero y posteriormente la falla de la presa. 2. OBJETIVOS Elegir la obra disipadora de energía más apropiada para pequeñas presas de almacenamiento de acuerdo a las condiciones topográficas y morfológicas propias de la descarga. 3. EL RESALTO HIDRÁULICO El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico. Las características del resalto hidráulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades de flujo en canales, a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte superiores a los límites permitidos por los 2

3 materiales que componen el perímetro mojado. El lugar geométrico en el que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico. Una de las aplicaciones prácticas más importantes del salto hidráulico, es que se utiliza para disipar la energía del agua que fluye sobre presas, vertedores y otras estructuras hidráulicas, y prevenir de esta manera el fenómeno de socavación aguas debajo de dichas estructuras (Figura 1). después del resalto. Puede demostrarse que la pérdida es: Donde: =Energía específica antes del resalto1. =Energía específica después del resalto. =Profundidad del agua antes del resalto. =Profundidad del agua después del resalto. A la relación relativa. se le conoce como pérdida Eficiencia Es la relación entre la energía específica antes y después del resalto hidráulico. Puede mostrarse que la eficiencia es: Figura 1. Vertedor de cresta de caída rápida con resalto hidráulico. 3.1 CARACTERISTÍCAS BÁSICAS DEL RESALTO HIDRÁULICO A continuación se estudian algunas características básicas de importancia en un resalto, hidráulico en canales rectangulares horizontales. Pérdida de energía En el resalto la pérdida de energía es igual a la diferencia de las energías específicas antes y La Ecuación 2, indica que la eficiencia de un resalto es una función adimensional que depende solo del número de Froude del flujo de aproximación f. 1 La energía específica de una sección es igual a la suma de la profundidad del agua y la altura de velocidad. 3

4 Donde: Longitud Número de Froude. Velocidad del agua en la sección del. Constante de gravedad. Puede definirse como la distancia medida desde la cara frontal del resalto hidráulico hasta un punto en la superficie inmediatamente aguas abajo del remolino (Figura 2). La pérdida relativa es, es también una función adimensional del número de Froude. Fuente: Chow (2004). Figura 2. Longitud en términos de la profundidad secuente de resaltos en canales horizontales. Altura Es la diferencia entre las profundidades antes y después del resalto. La expresión siguiente define esta característica: Al expresar cada término como la relación con respecto a la energía específica inicial: 4

5 Donde: = Altura relativa. = Profundidad inicial relativa. = Profundidad secuente relativa. 4. TIPOS DE RESALTO Prácticamente, el resalto hidráulico es un medio útil para disipar el exceso de energía en un flujo con régimen supercrítico. Su importancia radica en prevenir la erosión en la base de la estructura aguas debajo de los vertedores de excedencia, rápidas y compuertas deslizantes, ya que esto reduce rápidamente la velocidad del flujo sobre un piso protegido hasta un punto donde el flujo pierde su capacidad de socavar el lecho (Figura 3). presenta el resalto se le denomina colchón hidráulico. El fondo del colchón se recubre para resistir la socavación. En la práctica rara vez se diseña el colchón hidráulico para confinar toda la longitud del resalto libre ya que esto elevaría el costo, por lo que se instalan accesorios para reducir la longitud del colchón. Por otro lado se debe considerar que un colchón hidráulico, con resalto hidráulico, la profundidad de agua, a la salida, fluctúa debido a cambios en el caudal del flujo. Al considerar los diferentes tipos de resalto hidráulico, el U.S. Bureau of Reclamation da las siguientes recomendaciones prácticas: Todos los tipos de resalto se encuentran en el diseño de colchones hidráulicos. El resalto débil no requiere de bloques o consideraciones especiales. Lo único que se necesita es dar la longitud apropiada al colchón, la cual es relativamente corta y puede determinarse utilizando la Figura 2. El resalto oscilante, encontrado a menudo en el diseño de estructuras de canales, presas de derivación y aún obras de descarga es difícil de manejar. Figura 3. Tramo de resalto hidráulico. El resalto hidráulico utilizado para la disipación de energía y al lugar geométrico en el que se Para el resalto permanente no se encuentra una dificultad particular. Arreglos de bloques y deflectores son muy útiles como medios para acortar la longitud del colchón hidráulico. A medida que el número de Froude aumenta, el resalto se vuelve más sensible a la profundidad 5

6 de salida. Para números de Froude tan bajos como 8 se recomienda una profundidad de salida mayor, para asegurar que el resalto hidráulico permanecerá en la zona protegida. Cuando el número de Froude es mayor que 10, un colchón hidráulico puede dejar de ser lo más económico. En este caso, la diferencia entre la profundidad inicial y recomendada es alta y, por lo general, se requerirá de un colchón hidráulico muy profundo y con muros de retención muy altos. En estos casos, un disipador del tipo cubeta deflectora dará resultados similares a menor costo. chorro de entrada y elevar una parte de él desde el piso, produciendo una longitud de salto más corta que la que sería posible sin ellos. Estos bloques también tienden a estabilizar el resalto y por consiguiente a mejorar su comportamiento (Figura 4). BLOQUES DENTADOS 5. CANALES DENTADOS Los canales dentados están provistos de accesorios especiales, incluidos bloques, umbrales y pilares deflectores. Este tipo de lozas dentadas, para canales o descarga de vertedores, se usa en canales donde el agua debe bajarse de una elevación a otra, para impedir aceleraciones inconvenientes del flujo a medida que el agua avanza por el vertedero. El canal puede diseñarse para descargas hasta de 5.5 m3/s por metro de ancho y la caída puede ser tan grande como sea estructuralmente factible. Con la losa, el agua llegará al pie del vertedero con una velocidad relativamente baja y no requerirá un colchón hidráulico amortiguador. 5.1 CANAL CON BLOQUES? θ Figura 4. Bloques a la entrada del colchón hidráulico. 5.2 CANAL CON REMATE DENTADO Los umbrales dentados a menudo se colocan al final del canal de entrega (Figura 5). Su función es reducir además la longitud del resalto y controlar la socavación. Para canales largos, diseñados para altas velocidades de entrada, el remate o umbral - por lo general - es dentado, para llevar a cabo la función adicional de volar la parte residual del chorro de alta velocidad que puede alcanzar el extremo del canal de salida. Los bloques en la rápida se utilizan para conformar una estructura dentada a la entrada del canal de entrega. Su función es dividir el 6

7 UMBRAL DENTADO Pendiente Figura 5. Umbrales a la salida del canal de entrega. 6. ESTANQUES AMORTIGUADORES Los estanques amortiguadores tienen su aplicación en vertederos de excedencias, rápidas y estructuras de caída libre. En ellos la energía se disipa por medio de choque ya que el agua cae libre y verticalmente en un estanque en el lecho del río. Debido al gran poder erosivo del agua, se tiene que revestir el cauce y sus paredes con rocas o concreto. De todas maneras los materiales sufren mucho desgaste por el constante choque por lo que se debe hacer un mantenimiento periódico. 5.3 CANAL CON PILARES DEFLECTORES Son bloques localizados en posiciones intermedias sobre el piso del canal de entrega (Figura 6). Su función es disipar la energía principalmente mediante una acción de impacto. Los pilares deflectores son muy útiles en pequeñas estructuras con velocidades de entrada bajas. MURO LATERAL Un estanque amortiguador se hace necesario cuando no es posible lograr la disipación de energía deseada de manera natural, es decir, cuando el tirante conjugado necesario es mayor al tirante existente aguas abajo. En esos casos se considera la alternativa de forzar a la disipación a través de un estanque artificial, obligando el desarrollo del resalto hidráulico en un tramo lo más corto posible. Para este propósito, serán necesarias obras complementarias que permitan proteger el perímetro mojado de la zona de mayores velocidades. BLOQUES DENTADOS PILARES UMBRALES DEFLECTORES Al pie de la caída se presenta el tirante mínimo ymin y por lo tanto la energía específica máxima (Figura 7). Si ymin = y 1, para la formación del resalto hidráulico será necesario contar con un tirante conjugado y 2, que deberá desarrollarse por efecto de las condiciones de escurrimiento existentes aguas abajo (ab); es decir que y 2 y ab. Figura 6. Pilares deflectores en el canal de entrega. 7

8 y w y min y2 y1 Figura 7. Resalto hidráulico para. el colchón hidráulico, no solo se presenta una compensación geométrica del déficit de altura, en el tirante aguas abajo, sino que la confinación del resalto hidráulico genera una mayor intensidad de choques entre las partículas de agua, contra las paredes laterales y principalmente contra la pared frontal del colchón. Si yab < y 2, el resalto hidráulico no se formará en la sección 1, sino que por efecto de su energía cinética, la zona de régimen supercrítico se desplazará aguas abajo, hasta encontrar un tirante que sea próximo al tirante conjugado. Sin embargo, es posible que la zona de régimen supercrítico tenga una longitud mayor a la máxima establecida por los criterios adoptados para el proyecto. Para incrementar el tirante de aguas abajo existen varias posibilidades: 1) profundizar el piso o construir un travesaño de fondo, 2) incrementar la rugosidad de la loza de fondo, 3) reducir el ancho de la sección, 4) reducir la pendiente de la loza de fondo. En las Figuras 8 y 9 se presentan la primera y la segunda posibilidad. 6.1 DISEÑO DE UN COLCHÓN HIDRÁULICO La profundización del piso, en la zona del canal de entrega, determina el incremento de la altura de caída en la estructura y en consecuencia un menor tirante y min (y 1 ) y un mayor tirante conjugado y 2. Con la profundización del lecho, en Figura 8. Colchón hidráulico profundizando el nivel de piso. y min W Le y min = y1 Figura 9. Estanque amortiguador con travesaño de fondo 6.2 DIMENSIONAMIENTO DE UN COLCHÓN HIDRÁULICO Para obtener las dimensiones del tanque amortiguador (tipo calchón hidráulico) se aplica el procedimiento siguiente. e y yab 8

9 Gasto Unitario (q). Con los valores de avenida de diseño (Q) y la longitud de cresta (L), se obtiene el gasto unitario por metro de longitud de cresta con la relación siguiente: Tirante conjugado menor. Se propone un valor para el tirante conjugado menor (y1), mismo que se verifica dentro de los cálculos. Altura Total de Caída (Z). Se propone la elevación del piso del canal de descarga y la profundidad se define con la altura del cimacio desde su cresta hasta el piso del tanque amortiguador, y se calcula: En la que: Z = Altura total de la caída, m. a = Altura del cimacio desde su cresta hasta el piso del tanque amortiguador, m. Verificación. El valor obtenido para y 1 debe ser aproximadamente igual al propuesto en el punto 2; de no ser así, se propone otro tirante y 1 y se vuelve a calcular hasta obtener la igualdad indicada. Ajuste al número de Froude. Este tirante se revisa mediante el cálculo del número de Froude de acuerdo con la ecuación (10) debiendo obtenerse un valor entre 4.5 y 9.0; de no ser así, se propone otra profundidad del tanque amortiguador o sea que se incrementa el valor de (a) y se repite el proceso hasta obtener el número de Froude especificado (Figura 10). Tirante conjugado mayor (y 2 ). Con el valor de y 1 aceptado se calcula el valor del tirante conjugado mayor (y 2 ) con la ecuación: y1 = Tirante conjugado menor propuesto, m. Velocidad al pie del cimacio. Se calcula la velocidad (V 1 ) del agua de la sección del tirante conjugado menor (y 1 ), como se muestra: Donde: y 2 = Tirante conjugado mayor, m. El tirante conjugado menor (y 1 ) se obtiene con la siguiente ecuación: 9

10 profundidad (p) del tanque amortiguador se obtiene con la expresión siguiente: Si 4.5 < FR1 < 9.00, se tiene un resalto "claro" y estable Figura 10. Salto hidráulico, de acuerdo al número de Froude. La longitud del tanque amortiguador. La longitud (LT) del tanque amortiguador se obtiene aplicando la relación: Profundidad del tanque amortiguador con régimen uniforme en el canal de descarga. La En la que: p = Profundidad del tanque, m. y 0 = tirante normal de escurrimiento en el canal de descarga, m (tirante del río) si no se cuenta con y 0 se usa el y crítico del río, para el cual se calcula de la siguiente forma: Hd Sección de control hvc ycrit hv1 z yn=ycrit y2 y1 P L Figura 11. Variables que intervienen en el diseño de un colchón hidráulico. 7. SALTO DE ESQUÍ Se utiliza para grandes descargas, principalmente en los vertederos. Ésta se hace directamente sobre el río. Se utilizan unos trampolines para hacer saltar el flujo hacia un punto aguas abajo reduciendo así la erosión en el cauce y el pie de la presa. La trayectoria del chorro depende de la 10

11 descarga, de su energía en el extremo y del ángulo con el que sale del trampolín. Su funcionamiento se ve con la formación de dos remolinos uno en la superficie sobre el trampolín y el otro sumergido aguas abajo; la disipación de la energía se hace por medio de éstos. La trayectoria del chorro de descarga puede calcularse con la ecuación: Donde: = Coordenadas de un sistema cartesiano con origen en el labio de la cubeta. = ángulo que forma el labio de la cubeta con la horizontal. Se recomienda que el ángulo de salida a no sea mayor de 30. Además, con objeto de evitar presiones en la plantilla, los radios de la cubeta deben ser grandes; se sugieren las siguientes condiciones: Donde: = Radio de la cubeta deflectora, m. = Tirante a la salida, m. = Velocidad de salida, m/s. La profundidad límite del pozo de socavación se puede calcular con las ecuaciones de Veronese, 1983: Donde: = Profundidad máxima de socavación abajo del nivel de aguas del remanso, m. = Caída desde el máximo nivel del chorro hasta el nivel de remanso, m. = Gasto unitario, m3/s. 8. BIBLIOGRAFÍA Arreguín Cortés F.I. (2000) Obras de excedencias Edit. IMTA. 1ª Ed. Morelos, México COLPOS (1980) Manual para proyectos de pequeñas obras hidráulicas para riego y abrevadero. Tomo II México. Chapingo México. D.F. SRH. (1967) Diseño de presas pequeñas México. D.F. Ven Te Chow (2004) Hidráulica de canales abiertos. Santafé de Bogotá. Colombia. 11

12 ELABORARON: Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso Dr. Mario R. Martínez Menes Ing. Héctor García Martinez Ing. Alfonso Medina Martínez Ing. Rodiberto Salas Martínez Para comentarios u observaciones al presente documento contactar a la Unidad Técnica Especializada (UTE) COUSSA Dr. Mario R. Martínez Menes mmario@colpos.mx Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso demetrio@colpos.mx Teléfono: (01) Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, México. 12