Estructuras de disipación de energía en redes de drenaje urbano

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Estructuras de disipación de energía en redes de 
drenaje urbano 
Jaime Gil Navas 
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos 
Jefe del Servicio de Obras Hidráulicas. Dirección de Ingeniería 
CORSÁN-CORVIAM CONSTRUCCIÓN, SA 
jgn@isoluxcorsan.com 
Introducción 
La red de drenaje de nuestras ciudades, sobre todo cuando hablamos de sus principales vías de desagüe, 
replican de alguna manera (o así debería ser) la red de drenaje natural sobre la que se implantan. 
En esta, la escorrentía va concentrándose de vaguada en vaguada conformando cauces más y más 
importantes. La energía potencial del agua no infiltrada que va transformándose en cinética a medida que 
baja de cota en su discurrir, se disipa por los choques del agua, saltos, resaltos locales, remolinos o 
rozamiento con la vegetación, de manera tanto más alborotada cuanto más irregular es el cauce y mayor 
es su pendiente. 
La energía disipada se traduce en calor, que eleva la temperatura tanto del agua como del contorno contra 
el que choca. ¿Cuánto aumenta la temperatura?. A modo de ejemplo, si una masa de agua cae una altura 
de 1 m y toda la energía potencial se transforma en calor aportado en su totalidad al agua, nada a los 
contornos, el incremento de temperatura sería: 
ΛT(º) = E(cal) / m(gr) = mgh · 0.24 / 1000 · m = gh · 0.24/1000 = 0.0024·h 
Es decir, el incremento de temperatura es despreciable. 
Una red de drenaje urbano está formada por elementos casi en su totalidad artificiales. La escorrentía, tras 
un flujo más o menos difuso por las superficies a veces pavimentadas, a veces más permeables, se 
concentra por bordillos, caces o cunetas, y se introduce a través de rejillas, imbornales o directamente, a 
pozos y estructuras de más o menos entidad, que son los nodos de una red normalmente ramificada 
formada por colectores circulares, ovoides, marcos o conductos a cielo abierto. El discurrir del agua se 
desnaturaliza y la disipación de la energía se produce básicamente de dos maneras: de forma continua por 
rozamiento con la pared interior de los conductos y de forma puntual en pozos (cuando se trata de 
colectores de pequeña sección) y estructuras de entronque. 
En general, la concentración 
de la escorrentía en las 
cuencas urbanas es más 
rápida que en las cuencas 
naturales (aunque quede 
fuera del alcance de este 
texto, conviene recordar que 
toda actuación urbana debe 
tender a minimizar la 
desnaturalización de la 
cuenca drenante mediante la implantación de Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible o SUDS) y la 
circulación del agua en los colectores también es más rápida que en las vaguadas y cauces naturales a 
igualdad de pendiente. 
La velocidad del agua en los colectores no puede ser tan grande como se quiera porque se dañarían los 
elementos de la red, debido a la abrasión, cavitación y otros efectos que en las paredes de los conductos, 
los pozos y otras estructuras produce el agua con los sólidos que transporta y esto exigiría una constante 
reparación o reposición de aquellos. La realidad de los materiales utilizados habitualmente (hormigón, 
PVC, PEAD) así lo exige y esto limita las pendientes máximas de los colectores. 
Por otro lado el funcionamiento hidráulico en lámina libre es tanto más delicado cuanto más alta es la 
velocidad de circulación del agua, en el sentido de que más cuidadoso ha de ser el diseño geométrico de 
las estructuras por ser más sensible el flujo a presentar fenómenos no deseados que lo perturben, alejando 
su comportamiento del esperado. 
En términos de energía, lo dicho más arriba significa que la pérdida continua por rozamiento con las 
paredes de los colectores no puede hacerse tan grande como se quiera, lo que implica que si se quiere el 
agua pierda energía potencial (cota) sin que se transforme en energía cinética (velocidad), debe haber una 
disipación de energía adicional a la continua por rozamiento. 
Por otra parte es muy frecuente que la red de drenaje tenga una pendiente general más alta que la 
pendiente máxima posible en los colectores por limitaciones de velocidad, debido a que la pendiente 
media de la red viene a ser igual a la pendiente media de los viales bajo los que discurre. Es en estos casos 
en los que se requiere la disipación adicional de energía que se menciona más arriba, que se materializa 
mediante estructuras, nodos de la red de drenaje que además concentran en muy corta longitud un salto 
brusco de cota. Este texto se centra en la tipología y 
diseño de estas estructuras de disipación, en las que en 
un pequeño espacio se producen (se inducen) grandes 
gradientes de velocidad, vórtices, impactos, 
expansiones bruscas, etc. 
A menudo por la trama urbana discurren cauces 
importantes. El tratamiento de estos cauces queda 
fuera del alcance de este texto, a cuyos efectos son una 
condición de contorno hidráulica, como sucede con el mar en las tramas urbanas costeras. 
¿Qué características deben tener las estructuras de disipación 
de energía? 
Para que el elemento de disipación sea adecuado para su uso en redes de colectores, aparte de garantizar 
la descarga del caudal de diseño y la disipación de energía entre el nivel superior de entrada y el nivel 
inferior de salida, debe cumplir los siguientes requisitos: 
 Facilidad constructiva. 
 Facilidad en las operaciones de mantenimiento y limpieza. 
 No posibilitar el estancamiento del flujo ni la sedimentación de materiales o lodos en el interior 
de la estructura. 
 Facilitar un flujo continuo, tranquilo y homogéneo aguas abajo. 
 No posibilitar en la medida de lo posible la retención de objetos ajenos al flujo de agua. 
 Permitir una correcta aireación. 
Tipos de disipadores 
Pueden establecerse distintas clasificaciones de las estructuras de disipación en redes de saneamiento 
atendiendo a diferentes criterios. Si nos atenemos al fenómeno predominante inducido para lograr la 
disipación, teniendo en cuenta que no se trata de grupos disjuntos sino que un disipador concreto puede 
darse más de uno de los fenómenos descritos a continuación, podríamos hablar de: 
 Disipadores por expansión brusca. Se crea una zona de alto gradiente de velocidades, de manera 
que el agua que circula a gran velocidad (por la pérdida de cota) se encuentra con agua que 
circula a una velocidad mucho menor gracias al diseño geométrico del disipador. Las 
turbulencias y remolinos disipan la energía del agua entrante. Los cuencos de resalto pueden 
considerarse disipadores de este tipo, aunque hay que hacer una apreciación sobre los cuencos 
tipificados (USBR, SAF, etc.): no suelen usarse en redes de saneamiento porque dejan una zona 
de agua muerta, sin salida, que es algo que debe evitarse en redes de saneamiento. Oportunas 
modificaciones en ese sentido pueden permitir su uso. 
 Disipadores de impacto. En ellos se hace chocar el agua contra deflectores. Este choque produce 
cambios bruscos en la dirección del flujo entrante, obligado a dividirse erráticamente y 
provocando choques y remolinos de alta turbulencia en la cámara de disipación. 
 Disipadores por contracorriente. En este caso el diseño geométrico produce choques entre flujos 
de agua que circulan en distinta dirección. 
 Disipación por macrorugosidad. Se introducen en el diseño dientes de mayor o menor tamaño 
siguiendo un patrón ensayado. También podrían englobarse dentro de este tipo las bajantes de 
escollera, de uso en cauces abiertos pero no en redes de saneamiento. 
 Disipación mediante vórtice. Se hace circular al agua en un movimiento helicoidal de eje vertical 
de alta velocidad. La energía se pierde en parte por rozamiento a lo largo de la caída y en parte 
en la cámara inferior por la turbulencia creada en ella. 
 
 Resalto hidráulico Disipación por impacto 
 
 Disipación por contracorriente disipación por vórtice 
Disipadores más utilizados en redes de saneamiento 
A continuación se describen con más detalle algunos disipadores, los más adecuados para su uso en redes 
de colectores siguientes tipos dedisipador, por la correcta idoneidad que presentan para su uso en 
colectores (salvo el último, cuya bondad aún no está debidamente contrastada): 
Pozo con caída libre y flujo en contracorriente 
El pozo de caída libre es el diseño más simple para este tipo de estructuras, sobre todo para colectores de 
tamaño no demasiado grande y para alturas de hasta 8 m. 
Un conducto de menor diámetro que el colector de llegada baja verticalmente antes de la llegada del 
colector al pozo de caída y comunica con la parte inferior del pozo. Cuando circulan caudales pequeños, 
cuya capacidad de dañar la infraestructura no es grande, la totalidad del caudal baja por este conducto y 
pasa directamente al colector de salida. Para caudales mayores, parte del flujo no entra por el conducto 
pequeño mencionado y alcanza el pozo principal. El caudal que baja verticalmente por el pozo y el que 
entra horizontalmente por el fondo proveniente del conducto pequeño chocan entre sí, disipándose buena 
parte la energía de ambos flujos. 
Visto de otra manera, el flujo que entra horizontalmente por la parte inferior del pozo hace de colchón e 
impide que el flujo vertical impacte contra el fondo y lo dañe. 
 
Pozos tipo vórtice 
Estas estructuras, ampliamente utilizadas en redes de saneamiento, fueron introducidas por Drioli en 
1947. Son especialmente apropiadas para su uso en colectores ya que permiten salvar grandes desniveles 
sin necesidad de disponer de mucho espacio en planta y además fomentan la ventilación natural de la red, 
por requerir menor entrada de aire que otro tipo de disipadores, como por ejemplo los pozos en caída 
libre. En ellos la disipación se produce por 
rozamiento del agua, que baja con alta 
velocidad rotacional, con las paredes del 
pozo, que deben estar diseñadas para no 
dañarse con ello. 
Se puede utilizar para desniveles de 
decenas de metros y caudales mayores que 
los máximos admitidos en pozos de caída 
libre. 
La eficiencia máxima ocurre cuando “k”, 
la relación entre el calado y el diámetro 
interno de la bajante, es de 
aproximadamente 100. No obstante, el 
pozo funciona correctamente para k mayor 
que 10. 
De los ensayos realizados y la experiencia de otras obras se 
conoce que esta estructura no presenta riesgos de cavitación ni 
genera vibraciones. 
Se diseñan con el objetivo de generar un flujo en vórtice 
controlado inmediatamente aguas arriba del desnivel a salvar, 
ha sido objeto de numerosos ensayos en escala reducida y están 
formados por los elementos que a continuación se describen: 
1. Canal de llegada 
2. Entrada de aire 
3. Cámara de entrada 
4. Tubería de recirculación de aire 
5. Bajante vertical 
6. Acceso a la estructura 
7. Cámara de recepción y desaireación 
8. Canal de salida 
 
Cámara de entrada 
En la cámara de entrada se transforma el 
flujo laminar que se aproxima al 
disipador en un flujo rotacional. Su 
forma determina la tipología del pozo y 
puede ser (a) circular, (b) de tornillo, (c) 
de espiral, (d) tangencial o (e) de sifón. 
La tipología en espiral es compleja de 
diseñar y de construir, por lo que 
únicamente se podría justificar su 
utilización por su mayor rendimiento. La 
tipología en tornillo simplifica la 
tipología en espiral y presenta la gran 
ventaja de poderse utilizar para cualquier 
desnivel, sin incremento de superficie 
ocupada en planta; por estas razones es la 
más ampliamente utilizada. Por último, 
la simplificación de la geometría llevó 
hasta la tipología tangencial, que es la 
más compacta y la más sencilla de construir. 
Bajante: 
El flujo de caída en el conducto vertical es de tipo helicoidal, por lo que el agua desciende pegada a las 
paredes internas, generando un chorro hueco con un núcleo central de aire. 
Al comienzo de la bajante, donde el flujo toma aire y se separa de las paredes, el flujo se denomina de 
transición, a medida que el líquido se aproxima a la salida, la componente vertical de la velocidad 
aumenta, el torbellino se atenúa y la dirección del flujo se aproxima gradualmente a la vertical. 
Las bajantes son generalmente verticales, lisas y de diámetro constante. Se han realizado ensayos 
incluyendo en sus paredes elementos que guían el agua en su flujo helicoidal, aunque no se ha 
comprobado que funcionen de forma adecuada para un caudal distinto del de diseño, por lo que se 
desaconseja su utilización. 
Cámara de recepción y desaireación: 
El objeto de este elemento es redireccionar el torbellino de agua hacia el canal de salida, en el que el flujo 
vuelve a ser tranquilo y eliminar el aire que llega mezclado con el agua. En él se disipa una porción 
pequeña de la energía cinética inicial (aproximadamente el 15%). 
 
 
Entrada de aire: 
El núcleo central de aire garantiza la estabilidad del movimiento 
del fluido lo largo de la pared del pozo, por lo que es necesario 
un correcto estudio de la ventilación. 
El aire que desciende junto con el agua por la bajante, es 
recirculado de nuevo a la cámara de entrada mediante un 
conducto. 
Diseño 
Las dos variables que controlan el diseño de los pozos tipo 
vórtice son el caudal de descarga y el diámetro de la bajante, 
que debe permitir un mínimo de área hueca en el flujo. Estás 
dos variables están relacionadas por las fórmulas siguientes, 
según sea el flujo de aproximación subcrítico o supercrítico: 
 
 Flujo de aproximación subcrítico (F<1) 
 
 
Siendo: 
Q= caudal de descarga 
R= radio de la bajante 
B= ancho del canal de entrada 
 Flujo de aproximación supercrítico (F>1) 
 
 
Siendo: 
Q= caudal de descarga 
R= radio de la bajante 
Las dimensiones de la cámara de entrada se obtienen para cada tipología, en función del radio de la 
bajante y de las dimensiones del canal de entrada. 
Para el dimensionamiento de la cámara de recepción, se debe cumplir lo siguiente: 
 
 
 
Siendo 
D= diámetro de la bajante 
S= Largo del cuenco 
B= Ancho del cuenco 
T = Alto del cuenco 
 
Por último, para proteger el suelo del cuenco amortiguador, es necesario generar un colchón de agua. Esto 
se consigue mediante la construcción de bloques, de una canaleta de salida o de un vertedero. 
 
Disipadores de rejilla 
Los disipadores de rejilla son elementos ensayados y tipificados por el USBR, especialmente indicados 
para saltos pequeños, en los que el número de Froude teórico que se obtendría en el pie de una rampa 
virtual que salvara la altura del salto esté comprendido entre 2.5 y 4.5. 
Se trata de estructuras en las que la caída se materializa verticalmente (sin rápida) y en las que el agua se 
“filetea” al caer entre unas vigas longitudinales colocadas como continuación de la solera del nivel 
superior. La disipación de energía es excelente y se evita el problema de la generación de turbulencias 
aguas abajo. Además la estructura es autolimpiable, siempre que las vigas se coloquen con una 
inclinación de al menos 3º hacia abajo. 
La disipación se produce en parte por el rozamiento del agua con el aire a través de la gran superficie de 
contacto generada por el “fileteado” del flujo de agua y en parte por los remolinos generados en la parte 
inferior de la estructura al encontrarse el agua que cae con el colchón de agua existente y que aún no ha 
salido hacia aguas abajo. Para facilitar la formación del colchón puede disponerse un umbral que no 
abarque toda la anchura para no dejar sin salida la cámara inferior. 
Se han realizado ensayos en laboratorio para determinar el espaciado óptimo entre barras, concluyendo 
con que lo más efectivo es dejar un espacio libre igual a las dos terceras partes del ancho de la viga. 
 
Diseño 
El USBR (1987) recomienda seguir los siguientes pasos: 
 Escoger un ancho de hueco (W) y suponer huecos completos libres junto a las paredes. 
 El ancho de las vigas deberá ser aproximadamente 1,5 W 
 Calcular el número de huecos en función de la anchura prevista para el disipador. 
 Calcular la longitud del disipador con la fórmula siguiente: 
yg2NW0.245
Q
L

 
L longitud de rejilla en ft 
Q caudal en ft/s 
W anchura de cada hueco entre reja en ft 
N número de huecos 
Y calado aguas arriba en ft 
 
 Ajustar la anchura del disipador hasta obtener una longitud adecuada para la cámara de rotura. 
Analizando la formula anterior, se aprecia que la longitud de la rejilla es inversamente proporcional a la 
raíz cuadrada del calado en la entrada. Por lo que para un caudal constante, a mayor velocidad, menor 
calado y mayor longitud de las vigas. De esto se desprende que para velocidades altas puede no ser 
recomendable este tipo de estructura por sus dimensiones. 
 
Ejemplo de cálculo: 
Se considera un salto de 3,5 metros en un colector de 2 x 2 m2 por el que circulan 12 m3/s. 
El primer paso es comprobar que la tipología de disipador es adecuada, y en este caso se obtiene que nos 
encontramos en el límite para aplicar esta tipología (a la entrada al cuenco el número de Froude es 4.5): 
caudal................................................................................................ 12.00 m3/s
cota solera canal aguas arriba del cuenco........................................ 3.50 m
calado aguas arriba del cuenco........................................................ 1.20 m
velocidad aguas arriba del cuenco.................................................... 5.75 m/s
cota de energía aguas arriba del cuenco.......................................... 6.39 m
profundidad del cuenco s/ canal....................................................... 0.00 m
cota solera de canal aguas-abajo del cuenco................................... 0.00 m
cota cuenco....................................................................................... 0.00 m
anchura cuenco................................................................................. 2.00 m
calado entrada cuenco...................................................................... 0.56 m
cota de energía entrada cuenco....................................................... 6.39 m
velocidad entrada cuenco................................................................. 10.69 m/s
froude a la entrada del cuenco.......................................................... 4.56 
La longitud de la rejilla se determina mediante la expresión: 
yg2NW0.245
Q
L

 
Adoptando la recomendación de que la anchura de las vigas que conforman la rejilla sea 1.5 veces la 
anchura de los huecos entre ellas, se calcula la longitud de los disipadores propuestos. Para ambos se ha 
supuesto una anchura de 2.50 m, por lo que se obtiene: 
Disipador de rejilla
(Bradley & Peterka, 1957)
Q caudal........................................ 12.00 m3/s 423 ft3/s
anchura total.............................. 2.50 m 8.2 ft
huecos....................................... 40 % 40 %
WN anchura total de huecos............. 1.00 m 3.3 ft
Y calado aguas arriba................... 1.20 m 3.9 ft
L longitud de rejilla........................ 10.08 m 33.11 ft 
Considerando algo de margen tras la rejilla para poder ubicar unos pates de bajada y un tubo para airear la 
reentrada de agua y para permitir la caída de los objetos barridos por el agua sobre la rejilla, las 
dimensiones finales serían: 
o Longitud.......................................................................... 11.00 m 
o Anchura........................................................................... 2.50 m 
o Salto ................................................................................ 2.50 m 
Rampas dentadas 
Este tipo de estructura consiste en construir una rampa para salvar el desnivel, disponiendo en su solera o 
bloques de hormigón que dificultan el flujo del agua. La disipación de energía se produce por el 
incremento del recorrido del agua, los cambios de dirección y los impactos contra los dientes. 
La estructura evita una aceleración excesiva del agua y consigue una velocidad de salida adecuada. No 
necesita cuenco amortiguador por lo que es adecuada en situaciones en las que la cota de agua aguas 
abajo es variable, por ejemplo a la entrada de áreas de laminación. 
Los primeros estudios de este tipo de disipadores fueron presentados por Peterka en 1958. 
 
Disipador tipo IX del USBR (Peterka, 1958) 
Este disipador tiene las características siguientes: 
 Los bloques son ortogonales a la solera de la rampa. 
 El caudal de diseño es el máximo de descarga. 
 Existe un retranqueo entre el canal de llegada y el comienzo del disipador, cuyo objeto es 
disminuir la velocidad de entrada al disipador. 
El uso de este disipador está condicionado por las siguientes limitaciones: 
 Caídas de pendiente comprendida entre el 25% y el 50%. 
 Descargas hasta de 5.5 m3/s por metro de ancho. 
 Baja velocidad de aproximación (inferior a la velocidad crítica). 
El diseño de los bloques se ha basado en ensayos en modelo reducido y debe cumplir lo siguiente: 
 La altura del bloque (H) debe ser aproximadamente igual a 0,8 veces el calado crítico. 
 La anchura de los boques y el espacio libre entre ellos debe ser a aproximadamente 1,5H. 
 La colocación de los bloques debe realizarse al tres bolillo. 
 La distancia entre filas de bloque debe ser de aproximadamente 2H. 
Bajantes escalonadas 
Este tipo de estructura ya fue empleada por los romanos y ha sido documentada y ensayada en diversos 
estudios. 
Consiste en la formación de escalones a lo largo de una pendiente, equivalentes a una serie de cascadas, 
en las que ocurren fenómenos de aireación y disipación de energía. La pendiente longitudinal máxima 
para este tipo de estructuras es de 67º. 
El tipo de flujo varía dependiendo del caudal que circula por la estructura: 
 Cuando se trata de un caudal pequeño, el flujo corre de un escalón a otro como en una sucesión 
de pequeñas cascadas. 
 Cuando se presentan caudales altos, el flujo se desarrolla como una capa uniforme que se 
desplaza sobre las esquinas de los escalones, denominándose “flujo rasante”. Debajo de la capa 
principal se desarrollan unos flujos recirculantes (o remolinos) en las cavidades de los escalones, 
que son los que posibilitan la disipación de energía. 
 
Flujo saltante Flujo rasante 
Su rango de operación parte desde 1 metro desnivel y no tiene límite de altura. 
La disipación máxima de energía ocurre con flujo saltante, ya que se produce un pequeño resalto en cada 
escalón, no obstante, esta condición requiere grandes tamaños de escalón. Para caudales superiores a 1 
m3/s/m, la altura del escalón debe ser de al menos 1,9 metros, aunque se puede optar por aumentar el 
ancho de la estructura. Para caudales superiores a 1 m3/s/m se recomienda diseñar para flujo rasante y 
comprobar si es necesario construir una estructura complementaria de disipación al final de la bajante. 
Cuando la pendiente del terreno es similar a la pendiente de la bajante, el coste de la estructura es 
mínimo, en caso contrario no es recomendable su uso por los elevados costes de excavación que supone. 
 
 
Pozos con bandejas 
Son unas estructuras de disipación de energía 
formadas por una sola cámara dividida en dos partes. 
En una de las zonas se instalan unas láminas 
escalonadas y en la otra parte de la cámara se deja un 
conducto que posibilita las tareas de mantenimiento y 
permite airear el flujo. 
Las gradas alternas conforman una serie de caídas 
libres en forma de cascada. El flujo interior de las 
cámaras de gradas se puede clasificar en cuatro tipos, 
similares a los flujos de cámaras en caída libre, 
dependiendo del caudal que pasa por la estructura y 
del lugar del impacto. Cuando el caudal es pequeño el 
flujo impacto en la bandeja más cercana al conducto 
de entrada, a medida que el caudal aumenta, el flujo 
va impactando más lejos, en dirección opuesta al 
conducto de entrada. 
En este tipo de disipadores el fenómeno de entrampamiento de aire ocurre entre escalones. A medida que 
el caudal aumenta, este proceso se complica, por lo que es muy importante la construcción de la cámaralateral, dado que desde ella el flujo puede arrastrar el caudal de aire necesario. 
Puede introducirse en el diseño una pantalla de impacto con objeto de direccionar la corriente hacia las 
plataformas inferiores, aunque esto induce a restringir el uso del disipador en función del número de 
Froude del flujo de aproximación. 
Es un tipo de disipador que ha sido muy ensayado para su posible implantación en redes de saneamiento, 
por su geometría simple y su sencillez constructiva. No obstante hasta la fecha no se han obtenido 
resultados muy alentadores en cuanto a su eficiencia hidráulica y debe prevenirse sobre su uso. 
	Introducción
	¿Qué características deben tener las estructuras de disipación de energía?
	Tipos de disipadores
	Disipadores más utilizados en redes de saneamiento
	Pozo con caída libre y flujo en contracorriente
	Pozos tipo vórtice
	Disipadores de rejilla
	Rampas dentadas 
	Bajantes escalonadas 
	Pozos con bandejas