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COMPUERTAS Y VERTEDEROS CURSO : Estructuras Hidráulicas INDICE INTRODUCCION………………………………... 3 - COMPUERTAS TEORIA Y APLICACIONES……………………4 OTROS TIPOS DE COMPUERTAS…………… 9 DISEÑO(ECUACIONES)……………………… 15 - VERTEDEROS TEORIA Y CLASIFICACION…………………... 20 ESTUDIOS, MEDCIONES Y PARTES…………... 33 FUNCION DE VERTEDERO EN PRESAS………. 38 FUNCION DE VERTEDERO EN CANAL……….. 44 CONCLUSIONES………………………………… 48 RECOMENDACIONES…………………………… 49 2 INTRODUCCION DENTRO DE LAS CONSTRUCCIONES HIDRAULICAS DE GRAN ENVERGADURA COMO: PRESAS, BOCATOMAS , ETC Y OBRAS PEQUEÑAS COMO: CANALES DE IRRIGACION, DRENAJES, ETC SE DISTINGUEN DOS CONSTRUCCIONES IMPORTANTES COMO SON EL ALIVIADERO (VERTEDERO) Y LAS COMPUERTAS. LAS COMPUERTAS FUERON CREADAS POR LOS EUROPEOS PERO EN NUESTRO CONTINENTE LOS PRIMEROS EN USARLOS FUERON LOS INDIGENAS EN MESOAMERICA. 3 COMPUERTAS ESCLUSAS DE LOS CANALES PORTILLO DE PRESAS EN LOS RIOS BOCATOMA DE TUTI-AREQUIPA 4 APLICACIONES CRITERIOS DE UBICACION - LA COMPUERTA DEBE UBICARSE EN CANALES DE SECCION UNIFORME Y ALINEAMIENTO RECTO AGUAS ARRIBA - EL PLANO DEL VERTEDERO DEBE SER NORMAL AL FLUJO Y LA COMPUERTA VERTICAL PLANA - CREMALLERA CON RUEDA SENCILLA O VARIAS RUEDAS. - CREMALLERA CON ACCIONAMIENTO DE ENGRANAJE Y TORNILLO SIN FIN. - TORNO DE HUSILLO HORIZONTAL. - DISPOSITIVOS HIDRAULICOS CON SERVOMOTOR - CONTROL DE FLUJOS DE AGUAS. - CONTROL DE INUNDACIONES. - PROYECTOS DE IRRIGACION. - CREAR RESERVAS DE AGUA. - SISTEMAS DE DRENAJE. - APROVECHAMIENTO DE SUELOS. - PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA. - INCREMENTAR CAPACIDAD DE RESERVA DE LAS PRESAS. ACCIONAMIENTO 5 COMPUERTA BASCULANTE También conocido como clapeta o chapaleta, puede ser utilizada tanto en la cima de un vertedero de una presa como en el fondo de un rio o canalHIDROELECTRICA “CERRO DEL AGUILA” HUANCAVELICA COMPUERTA TIPO BASCULANTE TIPOS DE COMPUERTAS IMPORTANTES 6 Se utilizan para descargas en presión permitiendo la colocación de la sección de toma a cualquier profundidad, en un embalse. COMPUERTA TIPO CILINDRO COMPUERTA TIPO CILINDRO 7 Permiten el paso de embarcaciones que deben atravesar una diferencia de niveles pronunciados. COMPUERTA TIPO ESCLUSA COMPUERTA TIPO ESCLUSA “CANAL DE PANAMÁ” 8 TIPOS DE COMPUERTAS A) SEGÚN LAS CONDICIONES DE FLUJO AGUAS ABAJO B) SEGÚN EL TIPO DE OPERACIÓN O FUNCIONAMIENTO C) DE ACUERDO A LAS CARACTERISTICAS GEOMÉTICAS D) SEGÚN SU MECANISMO DE IZAJE - COMPUERTA CON DESCARGA LIBRE - COMPUERTA CON DESCARGA SUMERGIDA O AHOGADA - COMPUERTAS PRINCIPALES - COMPUERTAS DE EMERGENCIA - COMPUERTAS PLANAS - COMPUERTAS CURVAS O ALABEADAS - COMPUERTAS DESLIZANTES - COMPUERTAS RODANTES 9 COMPUERTA CON DESCARGA SUMERGIDA A) SEGÚN LAS CONDICIONES DE FLUJO AGUAS ABAJO COMPUERTA CON DESCARGA LIBRE SE DA CUANDO EL NIVEL DEL AGUA DE DESCARGA SE ENCUENTRA POR DEBAJO DE LA COMPUERTA SIN SOBREPASARLA SE DA CUANDO EL NIVEL DEL AGUA DE DESCARGA SE ENCUENTRA POR SOBRE LA COMPUERTA, OCASIONANDO AHOGAMIENTO DE LA MISMA. 10 COMPUERTAS DE EMERGENCIAS B) SEGÚN EL TIPO DE OPERACIÓN O FUNCIONAMIENTO COMPUERTAS PRINCIPALES TAMBIEN LLAMADA DE REGULACION CUANDO CONTROLAN CAUDALES EN UN CANAL ABIERTO O SOBRE UNA ESTRUCTURA DE PRESA. SE ULITIZAN EN LOS EVENTOS DE REPARACION, INSPECCION Y MANTENIMIENTO DE LAS COMPUERTAS PRINCIPALES COMPUERTA PRINCIPAL 11 COMPUERTAS CURVAS C) DE ACUERDO A LAS CARACTERISTICAS GEOMÉTICAS COMPUERTAS PLANAS Generalmente son empleadas para controlar el recurso hídrico en canales. Cuentan con guías embebidas en los canales, sobre los cuales sellan el paso del agua mediante diferentes tipos de sellos. COMPUERTA RADIALCOMPUERTA RECTANGULAR HIDROELECTRICA “CERRO DEL AGUILA” HUANCAVELICA 12 COMPUERTAS RODANTES D) SEGÚN SU MECANISMO DE IZAJE COMPUERTAS DESLIZANTES 13 EL ELEMENTO DE CIERRE SE MUEVE SOBRE SUPERFICIES DESLIZANTES(GUIAS O RIELES) QUE SIRVEN DE APOYO Y SELLO EL ELEMENTO DE CIERRE SE MUEVE SOBRE UN TREN DE RUEDAS, RODILLOS O DE ENGRANAJES HASTA LA POSICION DE ESTANCIA UCRANIA VIETNAM UCRANIA UCRANIA RUSIA MEXICO 15 ECUACIONES PARA EL CÁLCULO DEL CAUDAL • 𝐻 = 𝑦 + 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎𝑠 𝑎𝑟𝑟𝑖𝑏𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 • = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑞 𝑙𝑙𝑒𝑔𝑎 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 , 𝑎𝑔𝑢𝑎𝑠 𝑎𝑟𝑟𝑖𝑏𝑎 • 𝑦 = 𝑡𝑖𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎𝑠 𝑎𝑟𝑟𝑖𝑏𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 • 𝑦 = 𝑡𝑖𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 DE LA VENA CONTRAÍDA AGUAS DEBAJO DE LA PUERTA • 𝑎 = 𝑎𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 • 𝑏 = 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 • 𝑐 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛. • 𝐿 = LONGITUD DESDE LA COMPUERTA HASTA 𝑦 (SECCIÓN CONTRAÍDA). • 𝑦 = 𝑡𝑖𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑠𝑖 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑙𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑡𝑒𝑛 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 • ∆ℎ = 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 • 𝑐 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑. • PRINCIPIOS HIDRAULICOS EN COMPUERTAS SE ESTABLECE LA ECUACIÓN DE LA ENERGÍA: + …1 SE ESTABLECE LA ECUACIÓN DE LA CONTINUIDAD: + …2 SUSTITUIMOS ECUACIÓN 2 EN LA 1 Y OBTENEMOS: + VELOCIDAD SEGUIMOS OPERANDO: = ENTONCES LA VELOCIDAD MEDIA REAL EN LA SECCIÓN CONTRAÍDA ES: = EL GASTO CONSIDERANDO LA EXPRESIÓN BÁSICA: DONDE: 𝑣 = 𝑐 1 + 𝑐 𝑎 𝑦 2𝑔𝑦 16 • 𝐴 = b ∗ 𝑐 𝑎 Q = ∗ 2𝑔𝑦 COEFICIENTES Tabla de Coeficiente de descarga según Cofré y Buchheister - La contracción que sufre el chorro de agua al pasar a través de la compuerta se prolonga desde la salida hasta “L”, la cual depende de la abertura “a” y del coeficiente de contracción. L = a/ 𝐶 ; 𝐶 =0.62 (para cualquier relación y1/a inclusive para carga sumergida) - Knapp propone una ecuación para calcular el coeficiente de velocidad en compuertas verticales con descarga libre en función de a/H. Tiene como limite superior Cv = 1, el cual se alcanza para a/y1=0.408 𝐶 = 𝑎 Q =𝑐 𝑎 𝑏 2𝑔𝑦 17 EJEMPLO EN EL EXCEL 18 INSERTANDO LOS DATOS EN EL SOFTWARE HCANALES 19 DEFINICIÓN • EL VERTEDERO HIDRÁULICO O ALIVIADERO ES UNA ESTRUCTURA HIDRAULICA DESTINADA A PROPICIAR EL PASE, LIBRE O CONTROLADO, DEL AGUA EN LOS ESCURRIMIENTOS SUPERFICIALES. • Y EN SU USO FRONTAL ES TAMBIÉN ELABORADO PARA LA MEDICIÓN DE CAUDALES. CONOCIENDO LAS CARACTERÍSTICAS DEL VERTEDERO O DEL ORIFICIO QUE SE ENGLOBAN EN EL FACTOR (DETERMINADO EXPERIMENTALMENTE), LA SECCIÓN DE LA LÁMINA DE AGUA QUE PASA POR ELLOS Y LA VELOCIDAD TEÓRICA DE CAÍDA LIBRE • EL VERTEDERO HIDRÁULICO O ALIVIADERO ES UNA ESTRUCTURA HIDRAULICA DESTINADA A PROPICIAR EL PASE, LIBRE O CONTROLADO, DEL AGUA EN LOS ESCURRIMIENTOS SUPERFICIALES. • Y EN SU USO FRONTAL ES TAMBIÉN ELABORADO PARA LA MEDICIÓN DE CAUDALES. CONOCIENDO LAS CARACTERÍSTICAS DEL VERTEDERO O DEL ORIFICIO QUE SE ENGLOBAN EN EL FACTOR (DETERMINADO EXPERIMENTALMENTE), LA SECCIÓN DE LA LÁMINA DE AGUA QUE PASA POR ELLOS Y LA VELOCIDAD TEÓRICA DE CAÍDA LIBRE Construcción de vertedero con sección rectangular con dos contracciones para medición de caudales. Vertedero de cresta ancha construido en canal revestido de concreto. VERTEDEROS 19 CLASIFICACIÓN SEGÚN CADA TIPO QUE EXISTA; • POR SU LOCALIZACIÓN EN RELACIÓN A LA ESTRUCTURA PRINCIPAL: • VERTEDEROS FRONTALES 20 • VERTEDEROS LATERALES • ESTAS ESTRUCTURAS CONSISTEN EN ESCOTADURAS QUE SE HACEN EN LA PARED O TALUD DEL CANAL PARA CONTROLAR EL CAUDAL, EVITÁNDOSE POSIBLES DESBORDES QUE PODRÍAN CAUSAR SERIOS DAÑOS, POR LO TANTO, SU UBICACIÓN SE RECOMIENDA EN TODOS AQUELLOS LUGARES DONDE EXISTA ESTE PELIGRO. • LOS CUALES DE EXCESO A ELIMINARSE, SE ORIGINAN ALGUNAS VECES POR FALLAS DEL OPERADOR O POR AFLUENCIAS, QUE DURANTE LAS LLUVIAS EL CANAL RECIBE DE LAS QUEBRADAS, ESTOS EXCESOS DEBE DESCARGAR CON UN MÍNIMO DE OBRAS DE ARTE, BUSCÁNDOSE EN LO POSIBLE CAUCES NATURALES PARA EVITAR OBRAS ADICIONALES, AUNQUE ESTO ÚLTIMO DEPENDE SIEMPRE DE LA CONJUGACIÓN DE DIFERENTES ASPECTOS LOCALES (TOPOGRAFÍA, UBICACIÓN DEL VERTEDERO, ETC.). FUENTE MANUAL:CRITERIOS DE DISEÑOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HIDRICO DEL ANA 21 22 23 24 • VERTEDEROS TULIPA; ESTE TIPO DE VERTEDERO SE SITÚA FUERA DE LA PRESA Y LA DESCARGA PUEDE ESTAR FUERA DEL CAUCE AGUAS ABAJO 25 POR SU LOCALIZACIÓN EN RELACIÓN A LA ESTRUCTURA PRINCIPAL •VERTEDEROS FRONTALES •VERTEDEROS LATERALES •VERTEDEROS TULIPA; ESTE TIPO DE VERTEDERO SE SITÚA FUERA DE LA PRESA Y LA DESCARGA PUEDE ESTAR FUERA DEL CAUCE AGUAS ABAJO. El Glory Hole no se ha visto en acción en la presa de Monticello en el lago Berryessa desde que este video fue tomado en MAYO de 2007. 26 DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LOS INSTRUMENTOS PARA EL CONTROL DEL CAUDAL VERTIDO •VERTEDEROS LIBRES, SIN CONTROL. •VERTEDEROS CONTROLADOS POR COMPUERTAS. 27 DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA PARED DONDE SE PRODUCE EL VERTIMIENTO •VERTEDERO DE PARED DELGADA •VERTEDERO DE PARED GRUESA 28 DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LA SECCIÓN POR EL CUAL SE DA EL VERTIMIENTO •RECTANGULARES •TRAPEZOIDALES •TRIANGULARES •CIRCULARES •LINEALES, EN ESTOS EL CAUDAL VERTIDO ES UNA FUNCIÓN LINEAL DEL TIRANTE DE AGUA SOBRE LA CRESTA 30 DESDE EL PUNTO DE VISTA DE SU FUNCIÓN PRINCIPAL •DESCARGA DE DEMASÍAS, PERMITIENDO LA SALIDA DEL EXCESO DE AGUA DE LAS REPRESAS, YA SEA EN FORMA LIBRE, CONTROLADA O MIXTA, EN ESTE CASO, EL VERTEDERO ES TAMBIÉN CONOCIDO COMO ALIVIADERO. ESTAS ESTRUCTURAS SON LAS ENCARGADAS DE GARANTIZAR LA SEGURIDAD DE LA OBRA HIDRÁULICA COMO UN TODO. •COMO INSTRUMENTO PARA MEDIR EL CAUDAL, YA SEA EN FORMA PERMANENTE, EN CUYO CASO SE ASOCIA CON UNA MEDICIÓN Y REGISTRO DE NIVEL PERMANENTE, O EN UNA INSTALACIÓN PROVISIONAL, PARA AFORAR FUENTES, O MANANTIALES; Vertederos en un decantador de una planta de tratamiento de potabilización en Honduras. 32 ESTUDIOS Y MEDICIONES LAS MEDICIONES Y DATOS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO DE VERTEDEROS DEPENDEN DEL NIVEL DE DISEÑO A SER CONSIDERADO Y LAS CONDICIONES ESPECIFICAS QUE SE ENCUENTRAN EN EL SITIO. A CONTINUACIÓN, LOS SIGUIENTES DATOS Y MEDICIONES SON: 1. Datos topográficos 2. Datos climatológicos 3. Datos hidrológicos 4. Datos de calidad del agua 5. Capacidad de control de avenidas 6. Datos hidráulicos 7. Datos estructurales 33 • Mediciones de escorrentía, descargas diarias. • Estudio de crecidas • Nivel del agua subterránea. • Mapas de las cuencas de inundación. • Curvas del tirante de agua. • Estudios de remansos. DATOS HIDROLÓGICOS MÁS REQUERIDOS 34 CRESTA (L): CONTRACCIONES: Es el borde horizontal, transversal al canal, también se le conoce como umbral (m); es por la cresta que rebasa el agua. Son los bordes o las caras verticales que ajustan a la cresta. PARTES QUE CONFORMAN UN VERTEDERO 35 CARGA (H): ANCHO (B): Es la altura alcanzada por el agua a partir de la cresta del vertedero debido a la depresión de la lamina vertiente junto al vertedero. Ancho del canal de acceso al vertedero . 36 1 IMPORTANCIA 2 3 4 5 6 37 Ventajas • Es un sistema de medición de gran aceptación. • Hay numerosos tipos de vertederos disponibles. • Resultan prácticamente inmunes a perturbaciones corriente arriba. Desventajas • No son adecuados para fluidos que arrastren grandes cantidades de sedimentos. • Requieren prácticas de ingeniería civil extensivas. Aplicaciones de los vertederos • Los vertederos son utilizados en la medición del caudal de pequeños cursos de agua y conductos libres, así como en el control del flujo en galerías y canales. 38 VERTEDERO DENTRO DE UNA PRESA VERTEDERO PRINCIPAL En una presa se denomina vertedero a la parte de la estructura que permite la evacuación de aguas, ya sea en forma habitual o para controlar el nivel del reservorio de agua. 39 FUNCIONES DEL VERTEDERO COMO ELEMENTO DE PRESA Garantizar la seguridad de la estructura hidráulica. Garantizar un nivel con poca variación en un canal de riego, aguas arriba Constituirse en una parte de una sección de aforo del río o arroyo Disipar la energía para que la devolución al cauce natural no produzca daños. 40 PRESAS CON VERTEDERO EN PERU Presa «Coyllorcocha» en la Laguna Coyllorcocha (Junin-Huancayo) Presa «Palito redondo» en el Rio Santa (La Libertad-Viru) Presa «Poechos» en el Rio Chira (Piura- Sullana) Presa de la central Hidroeléctrica Chaglla (Huánuco) 41 DISEÑO DEL VERTEDERO CONSIDERACIONES Apropiada selección del tipo de vertedero. En los vertederos en pared delgada la cresta debe ser aguda, recta y horizontal. La carga debe medirse cuidadosamente, fuera del agua en movimiento. La correcta selección de formulas. 42 FORMULA GENERAL Q= Gasto de Diseño (m3/s) C= Coeficiente del vertedor, descarga directa C=1.84 y tipo cimacio C=2.0 L= Longitud de la cresta (m) H= Carga de diseño (m) V. TRIANGULARES V. TRAPECIALES c1 = c2 = 0,6 43 V. RECTANGULARES FORMULAS: FRANCIS: BAZIN: 0 CONTRACCIONES 0 CONTRACCIONES REHBOCK: 0 CONTRACCIONES 44 FUNCION DEL VERTEDERO DENTRO DE UN CANAL Y DISEÑO un vertedero consiste normalmente en una pared transversal a un canal que contiene una sección de medición. esta pared mantiene el nivel de agua corriente arriba. el caudal o volumen de descarga se obtiene midiendo la altura de descarga antes del vertedero. Fig. Vertedero en funcionamiento Fig. Partes de un vertedero CONTRACCIONES CRESTA H VERTEDER O CRESTA VENTILACION PARED DE LA CAMARA PISO DEL CANAL 45 CONCLUSIONES EN LOS VERTEDEROS RECTANGULARES, TRIANGULARES Y TRAPEZOIDALES, TIENE COMO OBJETIVO CALCULAR EL CAUDAL DE UN CANAL EMPLEANDO UN VERTEDERO CON SECCIÓN CONOCIDA. . ES IMPORTANTE ANALIZAR DE MANERA MUY OBJETIVA LOS DATOS HIDROLÓGICOS ANTES DE HACER UN DISEÑO DE UN VERTEDERO, YA QUE DE ÉSTA MANERA SE ASEGURARÁ UNA OBRA QUE SEA ÚTIL Y DURADERA. SE PUEDE DETERMINAR LA IMPORTANCIA Y LAS APLICACIONES QUE TIENEN LAS DIFERENTES COMPUERTAS. LAS COMPUERTAS SON UTILIZADAS MAYORMENTE EN ESTRUCTURAS DE GRAN TAMAÑO. EN TODO CONDUCTO HIDRÁULICO ES IMPORTANTE CONOCER EL GASTO QUE ESTÁ CIRCULANDO EN UN DETERMINADO INSTANTE O A LO LARGO DE UN DETERMINADO TIEMPO, POR LO QUE RESULTA NECESARIO INSTALAR UNA ESTRUCTURA HIDRÁULICA DE AFORO. 49 RECOMENDACIONES SE DEBE PRIORIZAR LOS TRABAJOS EN CAMPO PARA LOS ALUMNOS; NO SOLO HACER TALLERES EN EL LABORATORIO, POR EJEMPLO, PARA UNAS CLASES DE VERTEDEROS SE DEBE HACER TRABAJOS DE CAMPO EN UN CANAL NATURAL. ES IMPORTANTE DETERMINAR EL USO PARA LOS DIFERENTES TIPOS DE COMPUERTA Y APROVECHAR SU FUNCION. ES NECESARIO EL MANTENIMIENTO Y SUPERVICION CONSTANTE DE ESTAS. ANTES DE TOMAR LECTURAS DE CARGA Y1, EN LAS COMPUERTAS SE DEBE ESPERAR A QUE SE ESTABILICE EL FLUJO DE AGUA EN EL CANAL, PARA OBTENER MEDIDAS PRECISAS. 50
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