Hidraulica de canales S1 s01

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HIDRAULICA DE CANALES
EXPERIENCIAS PRESENTADOS EN EL DISEÑO HIDRAULICO
Mg. Giovene Pérez Campomanes
1. LOGRO DE APRENDIZAJE
Al término de la unidad, el alumno tendrá el conocimiento
teórico de los parámetros que intervienen en el diseño de
un canal o en un flujo externo y las experiencias en el
diseño de canales abiertos.
DISEÑO HIDRAULICO DE
ALIVIADEROS EN PRESAS
Mg. Ing Giovene Perez Campomanes
1 INTRODUCCION
Un aliviadero es una estructura hidráulica para el vertido, controlado o no, de
caudales extremos provenientes de grandes crecidas, que pueden ser menores o
iguales a los máximos probables evaluados para el proyecto.
En el diseño de presas, existen numerosos tipos de estructuras de disipación y
una gran cantidad de bibliografía, fórmulas y gráficos fácilmente disponibles para
cualquier ingeniero que necesite diseñar o dimensionar alguna de estas
infraestructuras.
Se busca hacer una descripción conceptual ofreciendo simples ejemplos
metodológicos y de cálculos que ilustren y que motiven al alumno a seguir
investigando.
Los aliviaderos, por su frecuencia de uso, se les
clasifican en tres tipos:
• Aliviadero de servicio: Está diseñado para descargas,
reguladas o no, bajo condiciones normales de operación del
embalse y sin que se produzca daño alguno.
• Aliviadero auxiliar: Es una estructura secundaria que se la
emplea con menor frecuencia que el principal.
• Aliviadero de emergencia (fusible): Se utiliza en
condiciones inusuales, como el “mal funcionamiento de los
desagües de servicio o durante inundaciones muy grandes y
remotas u otras condiciones de emergencia” (USBR, 2014).
2. Selección del tipo de Vertedero: Según
(USBR, 2014) se deben tomar en cuenta los
siguientes aspectos:
Tipo de presa.
Condiciones 
topográficas, 
geológicas y 
climáticas del sitio.
Parámetros 
hidrológicos (caudales 
a descargar).
Condiciones sísmicas.
Método de desvío de 
los caudales durante 
el período de 
construcción.
Condiciones de 
seguridad y 
operación.
3 La disipación de energía:
Al existir un desnivel entre la obra y el cauce, se produce una importante energía
que ha de ser amortiguada o disipada para evitar daños. Esta energía, en
condiciones naturales, se disipa linealmente a lo largo del cauce de manera
“natural”, pero al llevarse a cabo desde el embalse, se concentra al final de la
estructura, concretamente en los aliviaderos, con un altísimo potencial erosivo.
Una presa puede generar una importantísima energía hidroeléctrica, si ésta no se
aprovecha y no se gestiona adecuadamente, puede originar un efecto devastador,
siendo estrictamente necesario bien disiparla o bien, alejarla del pie de presa.
Es necesario controlar esta gran cantidad de energía generada para
evitar que su capacidad erosiva afecte al cauce natural o las
estructuras existentes aguas abajo, y este es el motivo por el que
necesitamos estructuras diseñadas para disipar dicha energía.
No se trata de lograr una disipación total de la 
energía, sino más bien de buscar que el fluido 
llegue con condiciones energéticas que impida 
que provoque efectos perniciosos(erosión).
Ante esta problemática, conceptualmente identificada,
tenemos las siguientes formas de actuar:
• Empleando estructuras que amortigüen esta energía
permitiendo que la corriente pase de un régimen rápido
a un régimen lento(F>1 a F<1); es decir, disminuyendo
el sumando de velocidad hasta lograr que el fluido pase
de un régimen supercrítico a un régimen subcrítico.
El ejemplo clásico y más comúnmente usado son los
cuencos amortiguadores.
b) Mediante la caída libre
del fluido: Aprovechando la
resistencia del aire, que
disminuye la velocidad y
permite disipar la
energía, ejemplo: El uso
de trampolines, en los que
se dirige la corriente a una
distancia alejada aguas
abajo del aliviadero.
En este grupo
encontramos:
• Trampolines
sumergidos.
• Trampolines de
lanzamiento.
Con la combinación de ambos
factores: a y b.
Disipando la energía: mediante la
dispersión, es decir, rociando el
agua en una fina niebla. Un
ejemplo común es el uso de las
válvulas “Howell-Bunger” se
emplean habitualmente como
elemento de regulación en las
presas, generalmente en los
desagües de fondo.
Dirigiendo el flujo
para que impacte
sobre paredes:
verticales sólidas
diseñadas para tal
fin (este caso para
caudales pequeños
en comparación con
los manejados en una
presa).
El Resalto hidráulico
El flujo adquiere
paulatinamente mayor
velocidad hasta llegar al
máximo valor en su punto
final o de entrega al cauce
fluvial.
Durante el avance del fluido,
el sumando de velocidad
adquiere un gran
protagonismo en detrimento
de las fuerzas gravitatorias,
incrementándose por tanto
el número de Froude y
acentuándose el régimen
supercrítico(F>1).
Es importante resumir lo siguiente:
• Para que se produzca el calado conjugado Y2 y por ende el resalto, se
requiere que el calado en el curso de agua donde se haga la
descarga; sea igual o superior a Y2. De no ser así, hay que introducir
un obstáculo en el flujo que logre la formación de Y2.
No siempre Y2 se forma
automáticamente, y por
ende el resalto, se
formará si el nivel del río
agua abajo es igual o
superior a Y2.
Por este error, hay
muchos cuencos de
aliviaderos y de obras
de derivación que se
ven afectados por
erosiones en su salida
y eventual colapso.
Se produce un régimen de
transición al encontrarse la
oposición del “colchón de agua”,
generándose remolinos como forma
principal de disipación de la
energía, hasta que, a una cierta
longitud, la denominada longitud de
resalto, se establece un régimen
lento con calado Y2.
Los calados conjugados a uno y otro lado del resalto pueden ser determinados
representando gráficamente la relación entre la Energía Específica E y el
calado Y. Que genera la caída de la energía ΔE que se produce.
Un resalto estable, sólo puede tener lugar desde un calado deprimido a su conjugado;
es decir, el primero será inferior al calado crítico y éste a su vez al segundo.
2. El rango de valores del número de
Froude entre 1 (Régimen crítico y punto de
valor más bajo de la energía específica del
fluido) y 3,5, presenta un estado de
transición en el resalto.
1. El rango de valores del número de
Froude entre 4,5 y 14, ofrece los resaltos
hidráulicos más estables, siendo
concretamente los valores entre 4,5 y 8 los
que generan los “mejores resaltos”.
3. Cuando el número de Froude es muy grande, la pérdida de carga
puede representar un alto porcentaje de la energía inicial y los
resaltos deben ser controlados adecuadamente.
Fr1 entre 1.7 y 2.5 Forma A – Régimen antes del 
resalto
Fr1 entre 2.5 y 4.5 Forma B – Régimen de transición
La alta velocidad, provoca una superficie de mayor rugosidad y oleaje aguas abajo, que le confiere
esta mayor brusquedad al fluido, Sin embargo, podemos considerarlo un resalto también efectivo.
Fr1 entre 4.5 y 9.0 Forma C – Zona de resaltos bien
balanceados
Fr1 mayor a 9.0 Forma D– Resalto efectivo pero con una superficie muy irregular aguas abajo
4. Cuencos de Amortiguación:
Son las estructuras más clásicas de 
disipación de energía.
Las dimensiones deben ser
calculadas con detalle para
albergar dicho resalto, a fin de
definir las zonas revestimiento y
las protecciones necesarias para
hacer frente al mismo.
Es común incorporar accesorios
disipadores de energía para
producir una intersección del
flujo con estos elementos, a fin
de aumentar la turbulencia y
fundamentalmente de disminuir
la velocidad del fluido como
reducción de la energía cinética.
1. Cuenco simple o Cuenco tipo I,
sin dientes:
1. Cuenco simple o Cuenco tipo I, sin dientes:
3. Cuenco Tipo III o USBR Tipo III: Con dientes
situados en forma de dos hileras: al pie de la
presa y en el interior (centrado) del cuenco, con
una rampa de salida al final del éste.
2. Cuenco Tipo II o USBR Tipo II: Con dientes
situados en forma de dos hileras: al pie de la
presa y a la salida del cuenco.
Consideraciones a
tener en cuenta:
En elcaso de cuencos
simples y para un rango
del número de Froude
entre 4,5 y 14, el valor
entre la longitud del
resalto L y el calado Y2
es aproximadamente 6.
(L/Y2 = 6).
En el caso de cuencos
USBR II, para un rango
del número de Froude
de entre 6 y 16, la
relación entre la
longitud del resalto L
y el calado Y2 está
entre 4 y 4,5.
En el caso de USBR III,
para el rango 8-16, la
relación es aún más
baja y se cifra entre en
un intervalo de 2,6 a
2,8.
Importante:
• Los cuencos con dientes o tacos de hormigón, son
recomendados cuando se trabaja con aguas relativamente
limpias, como es el caso de los embalses profundos y/o
grandes.
• Para cuencos de embalses muy pequeños o de obras de
derivación en ríos con gran arrastre de sedimentos, los
dientes o tacos tienen corta duración debido al proceso de
abrasión de producen los flujos con alta carga de sedimentos.
5. Soluciones para controlar resaltos: 
Vertederos en pared gruesa: Es aumentando el ancho de un vertedero
convencional en pared gruesa o bien propiciando una elevación abrupta de la
solera.
Los vertederos en pared delgada (Sharp-crested weirs) no suelen
emplearse en estos casos al no ser suficientemente robustos, si
bien sí se ha experimentado con ellos dando resultados aceptables.
Para el control mediante vertederos en pared gruesa, existen
gráficos que permiten ofrecer la relación analítica entre el
número de Froude y la relación entre la altura del vertedero y
del resalto hidráulico.
Determinación de la longitud del 
resalto
Ecuaciones empíricas para la obtención de las longitudes de resalto (en canales horizontales).
La fórmula más común empleada es la de Elevatorski, la longitud del resalto puede determinarse mediante:
Donde h es la altura del vertedero y Y3 el valor de la altura del caudal de cola.
Nombre Aplicación practica Condiciones de flujo Tirante (hab) Observaciones
USBR Tipo I Canales
Fr1<1.7( hasta 2.5) 
longitud del estanque = 
4.2*y2
1.0*y2
No es necesario los bloques o 
dispositivos de disipacion
USBR Tipo II Estructuras grandes
Fr1>4.5( q< 46.5 m3/s*m, 
H<61 m. Longitud del 
estanque = 4.4*y2
1.05*y2
Dos hileras de bloques. La hilera 
final se combina con un umbral de 
salida inclinado( umbral dentado). 
Altura de bloque = y1
USBR Tipo III Estructuras pequeñas
Fr1>4.5( q< 16.86 
m3/ms,V1<15 a 18 m/s. 
Longitud del estanque 
=2.8*y2
1.0*y2
Dos hileras de bloques. Y un umbral 
de salida inclinado( umbral 
dentado). Altura de bloque = y1
USBR Tipo IV Para resaltos oscilantes
2.5<Fr1>4.5( q< 16.86 
m3/ms. Longitud del 
estanque =6.0*y2
1.1*y2
una hilera de bloques y un umbral 
de salida inclinado( umbral 
dentado). Altura de bloque = 2y1. 
Deben añadirse supresores de onda 
en la salida
SAF Estructuras pequeñas
1.7<Fr1>17. Longitud del 
estanque =4.5*y2*Fr1-0.76 
1.0*y2
Dos hilera de bloques y un umbral 
de salida. Altura de bloque = y1
USACE Estructuras pequeñas
Longitud del estanque 
=4.0*y2
1.0*y2
Dos hilera de bloques y un umbral 
de salida
Los disipadores de energía de resalto Hidraulico. (Chanson 1999)
6. INVESTIGACIONES REALIZADAS
De acuerdo a los artículos científicos
Del análisis de los caudales medidos en diferentes puntos del sistema (Q1, Q2 y
Q3) surge que a pesar de las variaciones de la geometría del canal y de las
variaciones mínimas en los valores de (n) y (s), en la práctica los caudales son
muy similares.
Las observaciones se realizaron sobre las evidencias de superficie
correspondientes a los últimos momentos de funcionamiento del sistema, lo que
implica la posibilidad de detectar evidencias de usos previos de los mismos
tramos, posibles modificaciones a los mismos y hasta restos de sistemas
anteriores o simultáneos de menor visibilidad arqueológica(Damiani, García,
2011).
Para prevenir la formación de vórtices en la boca de entrada,
conviene colocar dispositivos tales como flotadores o rejas
localizados en la parte superior de la entrada del agua,
además de calcular y respetar la sumergencia mínima.
Habrá de considerarse también las pérdidas de carga
provocadas por la línea de conducción y bifurcaciones
necesarias para su distribución al llegar a la zona de turbinas,
así como los chiflones o válvulas de salida.
En el estudio económico para la central hidroeléctrica, resulta
vital la consideración del costo de la energía no generada por
las pérdidas de carga habidas en la obra de toma, conducción
a la central y distribución a turbinas, por lo que ello puede ser
factor de rediseño de todas las estructuras que intervienen,
para disminuir estas pérdidas, ya que pueden hacer
incosteable un proyecto(Morales,2008)
La simulación del comportamiento dinámico está incrementando su aceptación
debido a que reduce significativamente el tiempo de desarrollo de componentes
y sistemas.
La metodología desarrollada permite el diseño de los accionamientos hidráulicos
de la cosechadora de caña, teniendo en cuenta tanto las cargas de explotación
así como los fenómenos que ocurren durante los procesos transitorios que
tienen lugar en los mismos(Pérez, Parra,2005)
Las características del salto hidráulico permiten su
empleo como disipador de energía en obras
hidráulicas.
Las principales herramientas para el cálculo del salto
hidráulico que se han recopilado a partir de la
literatura especializada, han sido procesadas para
presentar ecuaciones polinómicas que facilitan el
empleo de las mismas mediante sistemas(Simulaciones)
informáticos(Rafael Pardo Gómez 2018)
Para F en el intervalo (4,08; 5,99), el cuenco amortiguador tipo III es el que disipa
mejor la energía con menor longitud de cuenco para caudales cercanos al de
diseño.
Para todos los caudales ensayados el cuenco amortiguador tipo IV presenta los
mayores valores de disipación de energía con resaltos hidráulicos formados
dentro del cuenco, restituyendo mejor el flujo, aguas abajo.
La disipación de energía y la longitud del resalto hidráulico claramente indican una
fuerte tendencia decreciente, con coeficientes de determinación (R2) que superan
el 80 % para todas las condiciones de flujo ensayadas tanto para el rebosadero
sin cuenco amortiguador tipo I, II, III y IV (según USBR)(Vásquez, Terrones, 2019)
CONCLUSIONES
• Es importante, contar con la información hidrológica necesaria y
actualizada(Máxima avenida previsible).
• Definir el aliviadero para el tipo de presa y garantizar un buen
funcionamiento.
• Los aliviaderos en lámina libre son la alternativa más segura.
• Las características del conjunto embalse-aliviadero-cauce aguas
abajo más adecuadas para hacer frente a la máxima avenida
previsible y a otras que se produzcan con más frecuencia.
• Un buen modelo de simulación, permite conocer algunas fallas en el
diseño y hacer las correcciones necesarias.
• Un buen diseño de canales, garantiza un buen trabajo final(*).
VIDEOS
Revisar los siguientes videos:
1. Descargas de emergencia: 
https://www.youtube.com/watch?v=UCwld0dQi4E
2. Salidas en agua en presas:
https://www.youtube.com/watch?v=dXNP50R6atg
3. Apertura de compuertas: 
https://www.youtube.com/watch?v=zHYfKrNAQJs
4. Como se rompe una presa:
https://www.youtube.com/watch?v=g3ZJcxdlXmg
https://www.youtube.com/watch?v=UCwld0dQi4E
https://www.youtube.com/watch?v=dXNP50R6atg
https://www.youtube.com/watch?v=zHYfKrNAQJs
REFLEXION
“El manejo del flujo, aguas abajo del aliviadero, es uno de los problemas más
apasionantes para un ingeniero y la vista de su realización de las más
gratificantes: el espectáculo de un aliviadero durante una avenida, el
lanzamiento de agua espumeante por un trampolín o el oleaje de un cuenco
son espectáculos grandiosos y para quien ha intervenido en su creación, muy
satisfactorio, por lo que significan el dominio humano sobre las
fuerzas de la naturaleza” (Vallarino,2018).
CUESTIONARIO:
1. Que es lo que mas le impresiono de los videos observados?
2. Que conceptos pudo observar al contemplar los videos, 
justifique su respuesta?3. Como relacionan los videos con el desarrollo del curso, 
justifique su respuesta?
4. Mediante un esquema, o diagrama resuman lo observado en 
los videos.
Tiempo : 30 minutos.
Este trabajo será presentado de manera grupal.
Conclusiones:
Tomar el conocimiento de los parámetros que
intervienen en el diseño de canales en un flujo
externo.
Aprender de la experiencia presentada para el diseño
de canales, obras de arte y la aplicación del curso.
BIBLIOGRAFIA
N° Referencias Bibliográficas
Naudascher, E. (2013). Hidráulica de canales: diseño de estructuras. (1° ed.). México: 
Limusa. 
Autoridad Nacional del Agua. (2010). Manual: Criterios de diseños de obras hidráulicas para 
la formulación de proyectos hidráulicos multisectoriales y de afianzamiento hídrico. Dirección 
de Estudios de Proyectos Multisectoriales.
Pérez, G (2016). Manual de obras hidráulicas.
https://civilgeeks.com/2016/03/12/manual-de-obras-hidraulicas-ing-giovene-perez-
campomanes/
Villón, M. (2007). Hidráulica de Canales. (2° ed.). Editorial Villón. 
Saldarriaga, J. (2007). Hidráulica de Tuberías. Universidad de los Andes. Editorial Alfaomega. 
Chow Ven Te. Open Channels Hydraulics, Editorial Diana
EMAIL:
C18640@utp.edu.pe
Web: http://es.slideshare.net/gioveneperezcampomanes/edit_my_uploads
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