105255541 disipacion de energia

7/23/2019 105255541 Disipacion de Energia

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TABLA DE CONTENIDO

CAPÍTULO 6 106

DISIPACIÓN DE ENERGÍA 106

6.1 INTRODUCCIÓN 106

6.2 GENERACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO 106

6.3 TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO 108

6.4 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL RESALTO HIDRÁULICO 110

a.) Pérdida de energía 110

b.) Eficiencia 110

c.) Altura del resalto 110

d.) Longitud del resalto 111

e.) Perfil de la superficie del resalto 112

f.) Localización del resalto113

6.5 DISEÑO DE UN COLCHÓN HIDRÁULICO 114

6.6 COLCHÓN HIDRÁULICO CON UN CUENCO AMORTIGUADOR 114

6. ESTAN!UES AMORTIGUADORES DE LA U.S.B.R 11



.!.1 Estan"ue A#ortiguador $ipo % 11!

.!.2 Estan"ue A#ortiguador $ipo %% 11&

.!.3 Estan"ue A#ortiguador $ipo %%% 120

.!.' E($A*+E A,-$%/+A- $%P- % 122

6.8 COLCHÓN HIDRÁULICO SA" 123

6.# DISIPACIÓN POR DISPERSIÓN $SALTO DE S%&' 125

6.10 E(EMPLOS DE APLICACIÓN 12

EE,PL- 1 12!

EE,PL- 2 12&

EE,PL- 3 12

EE,PL- ' 131

EE,PL- 4 133

6.11 SO"T)ARE APLICADO AL DISEÑO DE DISIPADORES DE ENERGÍA 134

.11.1 %(EE 5.1.01 13'

.11.2 67&Energ8 ,-EL 13

6.12 E(ERCICIOS PROPUESTOS 143

6.13 BIBLIOGRA"ÍA143



CAPÍTULO 6

DISIPACIÓN DE ENERGÍA

6.1 INTRODUCCIÓN

Uno de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño de obrashidráulicas es la disipación de la energía cinética que adquiere un chorro líquido por elincremento de la velocidad de flujo. Cuando el agua corre por el vertedero y los canales otneles de descarga contiene gran cantidad de energía y mucho poder destructivo debido a lasaltas presiones y velocidades. !stas pueden causar erosión en lecho del río" en el pie de lapresa" o en las estructuras mismas de conducción" poniendo en peligro la estabilidad de lasestructuras hidráulicas. #or lo tanto se deben colocar disipadores de energía.

#ara la selección del tipo de disipador se debe tener las siguientes consideraciones$

%nergía de la corriente.

%conomía y mantenimiento ya que éste eleva mucho el costo.

Condiciones del cauce aguas abajo &roca" suelo erosionable" etc'.

Ubicación de las vías de acceso" casa de máquinas" y demás estructuras hidráulicas ya que suseguridad no puede quedar comprometida.

Congelamiento.

%fecto de las subpresiones y del vapor de agua sobre las instalaciones.

(años causados a la fauna y la flora por la erosión.

#royectos y poblaciones aguas abajo.



6.2 GENERACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO

%l 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 elevadavelocidad. %ste fenómeno presenta un estado de fuer)as en equilibrio" en el que tiene lugar uncambio violento del régimen de flujo" de supercrítico a subcrítico. Consideremos el siguienteesquema$

Figura 6.1 Resalto Hidráulico

106



OBRAS HIDRÁULICAS I CAPÍTULO 6 DISIPACIÓN DE ENERGÍA

%n la sección * actan las fuer)as hidrostática +*h y dinámica +*d, en forma similar" pero en

sentido contrario en la sección -" +-h y + -d. %n ambas secciones la sumatoria de fuer)as da

como resultado +* y + - respectivamente. %n el estado de equilibrio" estas fuer)as tienen lamisma magnitud" pero dirección contraria &la fuer)a +*h es menor a +-h" inversamente +*d es

mayor a +-d'. (ebido a la posición de las fuer)as resultantes" ambas están espaciadas unadistancia d" lo cual genera un par de fuer)as de la misma magnitud" pero de sentido contrario.%n ra)ón a la condición de líquido" las partículas que la componen adquirirán la tendencia defluir en la dirección de las fuer)as predominantes" presentándose la me)cla del agua con líneasde flujo superficiales moviéndose en sentido contrario a la dirección de flujo y de manerainversa en la )ona cercana a la solera. %l repentino encuentro entre las masas de líquido y elinevitable choque entre partículas provocan la generación de un medio líquido de granturbulencia que da lugar a la absorción de aire de la atmósfera" dando como resultado una

me)cla de agua y aire.

#ara un metro de ancho de un canal" se considera el escurrimiento de una masa de fluido porunidad de tiempo.

# ρ

g ⋅"

, y el retardo de la masa & 51 /52 '

%l impulso total se e0presará

9 d ρ

g ⋅"

⋅ & 51 /52 '

%l que deberá estar en equilibrio con la fuer)a resultante$

9: / 9:

ρ ⋅ 8 2

ρ ⋅ 82



2

/

1

1

2

2

2

%l impulso se e0presa ahora$

ρ2 & 8 2

2 / 812 ' ρ g

⋅" & 51 /52 '

Considerando la ecuación de continuidad

" 81 ⋅ 51 8 2 ⋅52

y eliminado q y v- se obtiene$



81 ⋅51

81

1

& 8 22

/ 812

'

51

/

⋅

5

1

g

8 2



2

81 g ⋅512

822 & 8 2 1 81 '

107




82

1 8

⋅ 8 /

2 8

⋅52

2

1

1 0

2

1

g



2esultando el tirante conjugado &aguas abajo del resalto'$

82 /

8

1

8

2

1

2 ⋅5 2

⋅ 8

&34*'

1

1

1

1

2



4

g

con$

51

9r

&34-'



1

g ⋅ 81

5a e0presión del nmero de +roude &nmero adimensional que e0presa la relación entre lasfuer)as de inercia y de gravedad'" permitirá obtener la e0presión adimensional de tirantes

conjugados$



82

12 & 11 8 9r 1

2 /1'&346'

8

1

%l tirante antes y después del resalto hidráulico resulta función del 7mero de +roude.

5as características del resalto hidráulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades deflujo en canales a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de cortesuperiores a los límites permitidos por los materiales que componen el perímetro mojado. El lugar geométrico en el que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico.

(iferentes investigadores han profundi)ado en el tema de la disipación de la energía a través de unresalto hidráulico, algunos han puesto atención a la relación entre los tirantes y condiciones de flujoantes y después del resalto" los menos han abordado los mecanismos internos que gobiernan estefenómeno hidráulico. 8e ha investigado diferentes formas de colchones hidráulicos con el objeto delograr una mejor disipación de energía en una menor longitud.

6.3 TIPOS DE RESALTO HIDRÁULICO

Cuando el nmero de +roude de la descarga es igual a *.9" el régimen es crítico y el resalto nose puede formar. Cuando los nmeros de +roude varían de *.9 hasta apro0imadamente *.:" lacirculación tiene un régimen sólo ligeramente inferior al del tirante crítico" y el cambio de la



circulación con un tirante pequeño a uno elevado es gradual y se manifiesta solamente por unaondulación ligera de la superficie del agua. ;l apro0imarse el nmero de +roude al valor de *.:se comien)a a formar en la superficie una serie de pequeñas ondulaciones" que se hacenmayores con los valores más elevados del nmero. ;parte de las ondulaciones superficiales"prevalece un flujo bastante uniforme hasta que el nmero de +roude llega apro0imadamente a-.<.

108




Cuando los nmeros de +roude tienen valores comprendidos entre -.< y =.< se produce unresalto oscilante" el chorro entrante corre alternativamente cerca de la plantilla y luego a lo largode la superficie del canal de aguas abajo. %ste flujo oscilante produce ondas superficiales

perjudiciales que llegan mucho más allá del e0tremo del colchón amortiguador.

%n la variación de nmeros de +roude comprendida entre =.< y >" ocurre un resalto estable ybien equilibrado. 5a turbulencia está con final al cuerpo principal del resalto" y la superficie deflujo aguas abajo esta comparativamente pareja. ;l aumentar el nmero de +roude a más de >"la turbulencia dentro del resalto y el remolino de la superficie aumenta en actividad" resultandouna superficie del agua irregular con ondas superficiales fuertes aguas abajo del resalto.

%n la figura 3.- se ilustran formas del fenómeno del resalto hidráulico para varias series devalores del nmero de +roude.

+r * entre *.: y -.<

+orma ; ? 2égimen antes del resalto



+r * entre -.< y =.<

+orma @ ? 2égimen de transición

+r * entre =.< y >.9

+orma C ? Aona de resaltos bien balanceados

+r * mayor a >.9

+orma ( ? 2esalto efectivo pero con una superficie muy irregular aguas abajo

Figura 6.2 Formas características del resalto hidráulico en relación con el número de Froude



109




%n la práctica se recomienda mantener el resalto hidráulico en la condición de resalto oscilante"por cuanto se trata de un resalto bien formado y accesible en las condiciones de flujo reales" sibien la disipación que se logra no alcan)a los mejores niveles. %n los casos de resaltos

permanentes y fuertes" las condiciones hidráulicas aguas abajo son muy e0igentes y difíciles decumplir en la práctica.

6.4 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL RESALTO HIDRÁULICO

5as principales características del resalto hidráulico en canales hori)ontales son$

a.) Pérdda d! !"!r#$a

5a pérdida de energía en el resalto hidráulico es igual a la diferencia de las energíasespecíficas antes y después del resalto. 5a pérdida puede ser escrita como$

B E E / E

& 8

/ 8

'3

2



2

1

&34='

1

4

⋅

81 ⋅ 82

%l índice B%%* es conocido como la pérdida relativa

%.) E&'!"'a

%l índice de la energía específica después del resalto y la energía específica antes del resaltose define como la eficiencia del resalto" y puede ser escrita como$

E

& 8 9r 1 1' 3* 2



/ 4 9r 2

11

1

1

1

&34<'

E 2

8 9r 12

& 2 1 9r 12 '

%sta ecuación indica que la eficiencia del resalto es una función adimensional" que depende

solamente del nmero de +roude del flujo. 5a pérdida relativa igual a *4%-%* es también una

función adimensional de +r *.

'.) A(*ra d!( r!+a(,

5a diferencia entre las profundidades después y antes del resalto es llamada la altura del

resalto" o : ; 82 / 81 . %sta altura también puede ser calculada como una altura relativa$



:

;

1 1 8 ⋅ 9r

2 / 3

9r2

1

&343'

E 1

1

2

1



110




d.) L,"#*d d!( r!+a(,

Figura .! "s#uema de la longitud del resalto $French% 198&

Un parámetro importante en el diseño de obras hidráulicas es la longitud del resalto" definirá lanecesidad de incorporar obras complementarias para reducir esta longitud yo aplicar medidasde protección de la superficie para incrementar su resistencia a las tensiones de corte.

5os resultados de pruebas e0perimentales reali)adas por el @ureau of 2eclamation" dan lossiguientes resultados$



Figura 6.' Relación adimensional (ara la longitud del resalto hidráulico. )ureau o* Reclamation

#or otra parte" +rench &*>D<' indica que para canales rectangulares con pendiente moderada"

la relación L

; 81 es una función del nmero de +roude supercrítico aguas arriba$



111




L ;

#.5 ⋅& 9r 1 /1'1.01

&34:'

81

;demás" en el caso de canales anchos &@y E*9'" Chanson &*>>>' presenta una correlación

para estimar la longitud del resalto" en términos de las condiciones aguas arriba$

L

r

9r

2 F 9r F16



160 ⋅ +,-

1

/12

&34D'

81

20

1



dónde 5r es la longitud del ri)o. 5a ecuación 34D es válida para canales con pendiente

moderada de sección rectangular con 2 F 9r 1 F16 .

!.) P!r&( d! (a +*-!r&'! d!( r!+a(,

%ste dato tiene utilidad para el diseño de las paredes laterales de la obra" tanto en lo que serefiere a su altura como a su estabilidad. @aGhmeteff y Hat)Ge encontraron que el perfil de lasuperficie de un resalto hidráulico se puede representar por curvas adimensionales en función

de +r *" como se muestra en la figura 3.<.



112




Figura 6. +iagrama de )a,hmete** - at/,e

&.) L,'a(a'/" d!( r!+a(,

5a ubicación del resalto hidráulico depende de las condiciones de flujo tanto aguas arriba comoaguas abajo. #ara la e0plicación de este aspecto consideremos el caso de flujo a través de enconducto inferior" a manera de un desfogue de fondo. ;guas abajo" el nivel de agua esinfluenciado por algn elemento de control" como por ejemplo una estructura de caída.



Figura 6.6 "s#uema de un resalto hidráulico en un sistema *ormado (or una com(uerta - un

elemento de control

#or un lado" el tirante alcan)a su mínimo valor inmediatamente después de la compuerta" estese incrementa gradualmente en régimen supercrítico en dirección aguas abajo. #or otro lado" eltirante aguas abajo se desarrolla a través de una curva de depresión incrementándose haciaaguas arriba en régimen subcrítico.

%n alguna sección ;" el chorro que se despla)a desde la compuerta tiene tirante h*; requiere

para la formación del resalto un tirante conjugado h-; " sin embargo" el tirante real en estasección es menor al requerido. @ajo estas condiciones" el chorro supercrítico continaavan)ando hacía aguas abajo" incrementando su tirante y por lo tanto reduciendo su energíacinética. %n una sección I" el tirante conjugado requerido h-; alcan)ará una magnitudequivalente al tirante e0istente" presentándose las condiciones para la formación de un resaltohidráulico.

11!




6.0 DISEO DE UN COLCHÓN HIDRÁULICO

Un colchón hidráulico se hace necesario cuando no es posible lograr la disipación de energíadeseada de manera natural" es decir" cuando el tirante conjugado necesario es menor al tirantee0istente aguas abajo.

Figura 6.7 irante conugado necesario tirante e3istente aguas a4ao. 5o se *orma resalto

hidráulico

%n muy pocos casos el tirante conjugado h- del resalto hidráulico será idéntico al tirante

disponible aguas abajo hab, en general h- será mayor a hab" presentándose un déficit Bh.

#ara superar el déficit Bh se considera la alternativa de for)ar a la disipación a través de laincorporación de elementos complementarios como ser la formación de un cuenco artificial"bloques de impacto" incremento de la rugosidad aguas abajo" etc. obligando a desarrollar unresalto hidráulico en un tramo definido que sea lo más corto posible.



6.6 COLCHÓN HIDRÁULICO CON UN CUENCO AORTIGUADOR

Jiene su aplicación en vertederos de e0cedencias" rápidas y estructuras de caída libre. ;l piede la estructura se presenta el tirante mínimo hmin y por lo tanto la energía específica má0ima.

#ara la formación del hidráulico será necesario contar con un tirante aguas abajo hab de

magnitud similar al tirante conjugado h-" que deberá desarrollarse por efecto de las condicionesde escurrimiento e0istente aguas abajo.

Figura 6.8 Resalto Hidráulico (ara hmin h1

11'




8i hab F h-" el resalto hidráulico no se formará en la sección *" si no que por efecto de suenergía cinética" la )ona de régimen subcrítico se despla)ará hacia aguas abajo" hasta

encontrar un tirante que sea pró0imo al tirante conjugado, en este caso h min F h*. ;demás" la)ona de régimen supercrítico alcan)ará una longitud apreciable que será mayor a la longitudmá0ima definida por las condiciones límite del proyecto en cuestión.

#ara incrementar el tirante de aguas abajo e0isten varias posibilidades" a saber$ profundi)ar lasolera o construir un travesaño de fondo" incrementar la rugosidad de la solera" reducir el anchode la sección" reducir la pendiente de la solera" etc.

5as tres ltimas posibilidades son normalmente difíciles de lograr por lo que se consideranicamente la primera o segunda de las posibilidades.

5a profundi)ación de la solera en la )ona del colchón hidráulico incrementará la altura de caíday en consecuencia la disminución del tirante hmin y un tirante conjugado h- mayor.

;fortunadamente en el colchón hidráulico no sólo se presenta una compensación geométricadel déficit de la altura en el tirante aguas abajo" sino que la confinación del resalto hidráulicogenera una mayor intensidad de choques entre las partículas de agua" contra las paredeslaterales del cuenco y principalmente contra la pared frontal que se logra por la profundi)ación

del lecho" lo cual da lugar a pérdidas de carga compatibles con las necesidades de disipaciónde energía.



Figura 6.9 olchón hidráulico (ro*undi/ando el niel de la solera

Knvestigaciones reali)adas en modelos hidráulicos ofrecen &7orma ;lemana (K7 *>3*' unae0presión para determinar la altura de profundi)ación necesaria para el confinamiento de unresalto hidráulico plenamente formado, esta e0presión admite an la permanencia de un déficit

de tirante en la salida del cuenco Bh.

#ara el cálculo de la profundidad del colchón hidráulico )" que alcance la menor longitudposible" se puede asumir hmin ≅ h*, a continuación se determina el tirante conjugado h- mediante la e0presión 346. %l tirante hab dependerá de las condiciones hidráulicas del canal

aguas debajo de la estructura de caída. Bh se obtiene de la diferencia entre el tirante conjugadoy el tirante e0istente aguas abajo, este valor deberá adquirir una magnitud significativamentemenor a la original.

5a e0presión que determina la profundidad necesaria ) del colchón hidráulico será$

11




1/n

&34>'

< B:

n 1

= * :crit &1 / n '11



(onde$

& 9r ab 7L de froude aguas abajo'

&34*9'

n 0.65 /0.5 9r ab

8e recomienda adoptar 5A *9M ) como longitud para el desarrollo del resalto hidráulico, estevalor deberá compararse con el que resulte del cálculo correspondiente.

(ependiendo de las condiciones que presenta la obra" también es posible la formación de uncolchón hidráulico con la aplicación de un travesaño de fondo" cuya misión será elevar el tirante

aguas abajo hasta niveles que compensen el déficit del tirante conjugado.

5a altura necesaria ! para alcan)ar el objetivo indicado puede ser calculada por medio de lasiguiente e0presión$

3

:ab



⋅ : /-

&34**'

e 0.5⋅B: ⋅

:crit

:crit

(onde$

Bh$ (iferencia de nivel entre el tirante conjugado del resalto hidráulico y el tirante aguas abajo.



Figura 6.10 olchón hidráulico (or a(licación de un traesao de *ondo

Como en el caso anterior" se puede adoptar 5c *9M e. &34*-'

5a altura de travesaño e tiene como altura má0ima la altura de caída mínima necesaria para laformación del resalto hidráulico" ya que podría generarse un nuevo resalto hidráulico.

%n estructuras de elevada pendiente se desarrollan estados de flujo con gran velocidad querequieren condiciones hidráulicas muy e0igentes que son difíciles de alcan)ar, la profundi)acióndel lecho o la construcción de un travesaño de fondo pueden resultar insuficientes. 5a

116




necesidad de estructuras disipadoras de energía de mayor eficiencia ha motivado lainvestigación de diversos tipos de colchones hidráulicos.

Figura 6.11 Formación de resalto hidráulico adicional (or e : lim



6. ESTANUES AORTIGUADORES DE LA U.S.B.R.

(e acuerdo a la clasificación del U.8. @ureau of 2eclamation" e0isten cinco tipos de estanquesamortiguadores$

JK#N K #ara canales con pendiente moderada.

JK#N KK%stanques amortiguadores para vertederos de presas grandes y de tierra con

canales e0tensos

JK#N KKK #equeños estaques amortiguadores para estructuras de canal" pequeñas

estructuras de salida" y vertederos menores.

JK#N KO Utili)ado en estructuras de canal y en presas de derivación. %ste diseño reducelas

ondas e0cesivas creadas en resaltos imperfectos.

JK#N O %stanques amortiguadores con pendientes pronunciadas.

%l principal objetivo en el diseño hidráulico de un estanque amortiguador es la determinacióndel ancho y elevación del estanque para formar un resalto hidráulico estable. %sto se obtienecuando el nivel del agua de la altura conjugada es igual al nivel del tirante aguas abajo.

E+a"5*! A,r#*ad,r T-, I

5os estanques de tipo K deben ser utili)ados cuando el nmero de +roude +r * es menor a *.:"sin embargo en la práctica este límite puede e0tenderse a -.<. Cuando el nmero de +roude es

*.: el tirante conjugado y- es apro0imadamente el doble del tirante de llegada" o

apro0imadamente =9P mayor que el tirante crítico. 5a velocidad de salida v- esapro0imadamente la mitad de la velocidad de llegada" o 69P menor que la velocidad crítica.5as longitudes del canal más allá del punto dónde el tirante comien)a a cambiar no deben ser

menores que apro0imadamente =y-. 5a longitud del estanque puede ser apro0imada por la

117




longitud 5 j en la figura 3.6" mientras que la ecuación 346 puede ser utili)ada para calcular laaltura del estanque.



Figura 6.12 "stan#ue amortiguador ti(o ;. a.&<ongitud del resalto= 4.& Relación ha4 > - 1= c& relación

<>- 2 = d& ?@rdida de energía en el resalto $a-s% 2000&

E+a"5*! A,r#*ad,r T-, II

%l estanque amortiguador tipo KK se desarrolló para cuencos disipadores de uso comn envertederos de presas altas" de presas de tierra y para estructuras de canales grandes. %l

estanque contiene bloques en la rápida del e0tremo de aguas arriba y un umbral dentado cercadel e0tremo de aguas abajo. 7o se utili)an bloques de impacto debido a que las velocidadesrelativamente altas que entran al resalto pueden causar cavitación en dichos bloques. %n lafigura 3.*6 se muestran los detalles constructivos y los datos necesarios para el cálculo. %stetipo de disipadores son utili)ados cuando el nmero de +roude esta por encima de =.< ovelocidades mayores a *< ms.



118



119




Figura 6.1! "stan#ue amortiguador (ara números de Froude (or encima de '.

+imensiones del estan#ue ti(o ;;= 4& irante mínimo= c& <ongitud del resalto $a-s% 2000&

E+a"5*! A,r#*ad,r T-, III

5os estanques amortiguadores tipo KKK son más cortos que los del tipo KK" y poseen un umbral desalida y dados amortiguadores aguas abajo del los bloques de caída. 5a velocidad de llegadapara este tipo de disipador debe ser limitada para prevenir la posibilidad de presiones bajas enlos dados amortiguadores que pueden originar cavitación. %l comportamiento de este disipadorindica que su longitud y la del resalto pueden reducirse alrededor del 39P" con accesorios encomparación con el D9P para el disipador 8;+. 5os estanques tipo KKK son utili)ados en



pequeños vertederos" estructuras de salida" y en pequeñas estructuras de canal donde v* no

e0cede de *< a *D ms y el nmero de +roude +r *E=.<.

a&



120



OBRAS HIDRÁULICAS I

CAPÍTULO 6 DISIPACIÓN DE ENERGÍA

:3

=



81

6"<



6

/ 74891

-"<



-

73891

*"<



*



9"<



9

=

<

3

:

D

>

*9

**

*-

*6

*=

*<

*3



*:

*D

N:!r, d! ;r,*d!

4&



Figura 6.1' "stan#ue amortiguador (ara números de Froude (or encima de '. - elocidad de

llegada A 18

a& +imensiones del estan#ue ti(o ;;;= 4& Blturas del dado - del um4ral= c& irante mínimo $a-s%2000&

121




ESTANUE AORTIGUADOR TIPO I<

Figura 6.1 "stan#ue amortiguador ti(o ;C. a& +imensiones del estan#ue= 4& irante mínimo= c&

<ongitud del resalto $a-s% 2000&



Cuando el nmero de +roude esta comprendido entre -.< y =.<" se producirá un resaltooscilante en el estanque amortiguador" el cual genera una onda que es difícil de atenuar. %lestanque amortiguador tipo KO se diseña para combatir este problema eliminando la onda en su

fuente*. %sto se lleva a cabo intensificando el remolino" que aparece en la parte superior delresalto" con los chorros direccionales deflectados utili)ando grandes bloques en la rápida cuyonmero mínimo requerido para este propósito se muestra en la figura 3.*6. para un

comportamiento hidráulico mejor" es conveniente construir estos bloques más angostos que lo

indicado" preferiblemente con un ancho igual a 9.:< y*" y fijar la profundidad de salida" de talmanera que sea un <P a *9P mayor que la profundidad recuente del resalto. 5a longitud delestanque puede determinarse mediante la curva c.' de la figura 3.*6. %l estanque tipo KO seutili)a en las secciones transversales rectangulares.

1 E B, +,/- , 7,9,79 7:9 ,+-,+;9 <,, ++ +,-= ,/9+>,79 +<9 I?@ 9/9 7<,79 7 ->, 7 ,7,@ 7 +<9 /<,+9 9 <9 7 9-7,.



122



Figura 6.1 "stan#ue amortiguador ti(o ;C. a& +imensiones del estan#ue= 4& irante mínimo= c&

<ongitud del resalto $a-s% 2000&

6.= COLCHÓN HIDRÁULICO SA;

Qa sido desarrollado en el 5aboratorio de Qidráulica 8t. ;nthony +alls de la Universidad deHinnesota %%.UU. para su uso en pequeñas estructuras de drenaje. 5a utili)ación de este tipode estructuras en sistemas de gran altura podría dar lugar a la generación de fenómenos comola cavitación. 5as reglas de diseño resumidas por el investigador @laisdell son las siguientes$

5a longitud 5@ del colchón disipador para nmero de +roude entre *.: y *: se determinamediante la fórmula$

L > = 4.5 ⋅ 82 ⋅ 9r 1/0.6

5a altura de los bloques de entrada y los bloques del piso es y* y su ancho y espaciamiento es

apro0imadamente 9.:< y*.

5a distancia desde el e0tremo de aguas arriba del colchón disipador hasta los bloques del piso

es 5@6

7o deben locali)arse bloques en el piso más cerca de las paredes laterales que38 81 .



12!




5os bloques del piso deben locali)arse aguas abajo enfrentados a las aberturas entre losbloques de la rápida.

5os bloques del piso deben ocupar entre el =9P y el <<P del ancho del colchón disipador.

5os anchos y el espaciamiento de los bloques del piso para cuencos disipadores divergentesdeben incrementarse en proporción al aumento del ancho del colchón disipador en la seccióndónde se locali)an los bloques.

5a altura del umbral de salida esta dada por c 0.0 82 " dónde y- es la altura conjugada

teórica" correspondiente a y*.

5a profundidad de salida de aguas abajo por encima del piso del colchón disipador está

2



9r 1

dada por

82 D

1.10

/

⋅ 82

" para +r * *.: a <.<, por 82 D 0.85 ⋅ 82 para +r * <.< a



120

2



9r 1

82 D

/

⋅ 82

**, y por

1.00



para +r * ** a *:.

800



*9. 5a altura de los muros laterales por encima de la profundidad de salida má0ima esperada

dentro de la vida til de la estructura esta dada por z 8

32 .

**. 5os muros de salida deben ser iguales en altura a los muros laterales del cuenco disipador"y su parte superior debe tener una pendiente de *$*.

*-. %l muro de salida debe locali)arse con un ángulo de =<R con respecto al eje central de lasalida.

*6. 5os muros laterales del colchón disipador pueden ser paralelos o divergir como unae0tensión de los muros laterales de la transición.

*=. (ebe utili)arse un muro cortina de profundidad nominal en el e0tremo del colchón disipador.

*<. %l efecto de absorción de aire no se considera en el diseño del colchón disipador.



12'



Figura 6.16 olchón hidráulico DBF

6.> DISIPACIÓN POR DISPERSIÓN ?SALTO DE S@)

Ntra alternativa para disipar la energía cinética es la dispersión del flujo por medio de un canalde evacuación de solera curvada.

; través de esta medida se logra generar un salto" alejando el chorro de la obra y reduciendo la

velocidad de flujo en el punto de llegada del chorro líquido. %sta medida puede tener aplicaciónen vertederos de e0cedencias" estructuras de salidas de alcantarillas de carreteras" etc.&+KIU2; 7o 3.*6'

(ebe notarse que este tipo de estanques son solo ejemplos típicos y se debe tener cuidado enla aplicación práctica de los mismos" en condiciones de diseño enteramente distintas. ;demás"e0iste una gama de diseños diferentes a los discutidos en este capítulo" que se presentan comouna alternativa de diseño a continuación en el cuadro 3.*$



12




N,6%r!

A-('a'/" -rB''a

C,"d',"!+ d! &(*,

Tra"! ?7a%)

O%+!ra',"!+

+r *F*.: &hasta -.<'

8in bloques o

U8@2 Jipo K

Canales

5ongitud del estanque S

*.9 y-

dispositivos de



=.-y-

disipación

(os hileras de

+r *E=.<

bloques. 5a hilera final

qF=3.< m6sm

se combina con un

U8@2 Jipo KK

%structuras grandes



Q*F3* m

*.9< y-

umbral de salida

5ongitud del estanque S =.=

inclinado &umbral

y-

dentado'. ;ltura de

bloque y*

+r *E=.<

qF*3.D3 m6sm



(os hileras de bloques

U8@2 Jipo KKK

%structuras pequeñas

O*F*< a *D ms.

*.9 y-

y un umbral de salida.

5ongitud del estanque S -.D

;ltura de bloque y*

y-

Una hilera de bloques

#ara resaltos

-.<F+r *F=.<




;ltura de los bloques

U8@2 Jipo KO

5ongitud del estanque S 3.9

*.* y-

oscilantes

-y*. (eben añadirse

y-

supresores de onda en



la salida.

*.:F+r *F*:


8;+


5ongitud del estanque S

*.9 y-


4.5 ⋅ 82 ⋅ 9r 1/0.6

;ltura de bloque y*



U8;C%


5ongitud del estanque S =.9

*.9 y-


y-

y un umbral de salida



uadro 6.1 +isi(adores de energía de resalto hidráulico. $hanson% 1999&

Figura 6.17 "structura de salto. +isi(ación (or dis(ersión del *luo

126




Figura 6.18 +isi(ación (or dis(ersión del *luo $Dalto de D,-&

EEPLOS DE APLICACIÓN

EEPLO 1



(imensione un estanque amortiguador tipo KK para un vertedero de e0cedencia con su caraaguas arriba vertical y con una longitud de cresta de -<9 pies. %l caudal de diseño es :<999

pies6s. 5a superficie del agua hacia la parte aguas arriba correspondiente al caudal de diseñose locali)a en la cota *999 y el fondo promedio del canal se encuentra en la cota DD9. 5aelevación de la profundidad de salida se locali)a en la cota >-9.

Dolución

a' (iseño del vertedero

8e supone un vertedero de e0cedencia alto" entonces no se considera el efecto de la velocidad

de apro0imación" y Cd =.96. &Oer sección =.3'.

Hediante la ecuación de descarga &=4-'"

6 e

1.5

*

5000

4.4 y Qe*:.D pies.

?L

4.03 ⋅ 250



5a velocidad de apro0imación es a

5000

2.5

piess y la altura de velocidad

250 ⋅&1000

/880'



correspondiente es 6 a

2.5

2

0.1 pies.

2 g



5uego la altura de diseño es Qd *:.D4 9.**:.: pies y la altura de la presa es h *-94

*:.:*9-.6 pies. %sta altura es mayor que *.66 Qd" y por consiguiente" el efecto de la velocidadde apro0imación es insignificante.

b' (iseño del estanque amortiguador

;l registrar en la figura =.*= una altura de *:.: pies por encima de la cresta y una caída total de*-9 pies" la velocidad de flujo a la salida del vertedero es :> piess.

127




#or consiguiente la profundidad de flujo es 2505000

⋅# 3.8 pies y el nmero de +roude es

# .13

3.8 g

;l ingresar en la figura <.*6b con +r *:.*6 la línea punteada da una relación de la profundidad

de salida con respecto a y* igual a >.:. (ebido a que la profundidad de salida y la conjugada y-

en este caso son idénticas" 82 #. T3.8 36.# pies. #ara mayor seguridad" de hecho" el

@ureau recomienda un margen de seguridad mínimo del <P de y-" que debe sumarse a laprofundidad conjugada.

8i se desea un margen de seguridad del <P se sigue el siguiente procedimiento. ; partir de la

gráfica <.*6b" con un nmero de +roude +r *:.*6 la línea continua da una relación de la

profundidad de salida(* *9.-. 5uego el estanque amortiguador debe posicionarse de nuevo

para una profundidad de salida de *9.-6.D 6D.:3 pies ó *.9< y-. 5a elevación del piso delestanque se coloca en la cota DD*.-= &cota >-946D.:3'.

5a longitud del estanque puede obtenerse ingresando a la curva de la figura <.*6c con

+r *:.*6. 5uego 5y- =.*3 o 5 =.*363.> *<= pies.

5as dimensiones y espaciamiento para los bloques del canal de descarga son$

8eparación entre bloques y* 6.D pies ;ncho de los bloques y* 6.D pies

;ltura de los bloques y* 6.D pies 8eparación del borde y*- *.> pies



5as dimensiones y espaciamiento para los dados amortiguadores son$

8eparación entre dados 9.*<y- <.<= pies ;ncho de los dados 9.*<y- <.<= pies

;ltura de los dados 9.-y- :.6D pies

;ncho de la parte superior 9.9- y- 9.:= pies

EEPLO 2

Utili)ando los datos del ejemplo anterior" diseñe un estanque amortiguador tipo 8;+.

Dolución

%l dimensionamiento del vertedero es e0actamente igual al procedimiento anterior.

;l registrar en la figura =.*= una altura de *:.: pies por encima de la cresta y una caída total de*-9 pies" la velocidad de flujo a la salida del vertedero es :> piess. #or consiguiente la

profundidad de flujo es

5000

3.8 pies y el nmero de +roude es

# .13

250 ⋅#



3.8 g

128




Utili)ando la ecuación

82

12 & 11 8 9r 1

2 /1'" encontramos que la altura conjugada y- 63.<

8

pies.

1

(imensiones del estanque y sus componentes$

*. 5ongitud

del

estanque$



L > = 4.5 ⋅ 82 ⋅ 9r 1/0.6

= 4.5 ⋅36.5 ⋅.13/0.6 = 36.# pies.

;ltura de los bloques de entrada y bloques del piso y* 6.D pies. %l ancho y espaciamiento

tienen un valor de apro0imadamente 9.:< y* -.D< pies.

5a distancia desde el e0tremo de aguas arriba del colchón disipador hasta los bloques del piso

es 5@6 *-.6 pies

7o deben locali)arse bloques en el piso más cerca de las paredes laterales que

38 81 1.4 pies.

5os bloques del piso deben locali)arse aguas abajo enfrentados a las aberturas entre losbloques de la rápida.

5os bloques del piso deben ocupar entre el =9P y el <<P del ancho del colchón

disipador. #or lo tanto el nmero de bloques será de n1 0.

25.85

⋅ >1 0.5

2.⋅

85250

S 44 .

:.

5a altura del umbral de salida esta dada por c 0.0 82 0.0 ⋅36.5 2.6 pies.

D.

5a profundidad de salida de aguas abajo por encima del piso del colchón disipador está

dada por

82 0.85 ⋅

82 0.85 ⋅

36.5 31pies para +r * <.< a **.

>.

5a altura

de los muros laterales por encima de la profundidad de salida má0ima

esperada dentro de la vida til de la estructura esta dada por z 8

32

363

.5 12.2 pies.



5os muros de salida deben ser iguales en altura a los muros laterales del cuenco disipador" y suparte superior debe tener una pendiente de *$*.

%l muro de salida debe locali)arse con un ángulo de =<R con respecto al eje central de la salida.

5os muros laterales del colchón disipador pueden ser paralelos o divergir como una e0tensiónde los muros laterales de la transición.

(ebe utili)arse un muro cortina de profundidad nominal en el e0tremo del colchón disipador.

%l efecto de absorción de aire no se considera en el diseño del colchón disipador.

EEPLO 3

(iseñar el disipador de energía por dispersión para el vertedero de la presa de Vhitney &Je0as"%%UU'. 5os datos son$

129




(escarga unitaria en el disipador =<9 cfs.

7ivel de aguas má0imo &7;H' de la presa :3< ft. ;ltura del vertedero 3<9 ft

2adio de curvatura del salto <9 ft ;ngulo del salto =<R

#endiente de la superficie aguas abajo del vertedero O$Q *9$3.* Wndice de Qh* E 9.:<

Cota solera de la curvatura <<9 ft.



Dolución

h* 7;H 4 Cota solera de la curvatura h* :3< ? <<9 -*< ft.

h- ;ltura del vertedero 4 Cota solera de la curvatura h

- 3<9 ? <<9 *99 ft.

h-h* *99-*< 9.=3<

#arámetro de descarga$

"

⋅10

3

=

450 ⋅103

= 25

g ⋅:1

3

32.2 ⋅215

3

2



2

(e la gráfica del ;ne0o <.* encuentre el valor hbh*9.=- para un valor de h-h* 9.=3< y

"

⋅103

= 25

g⋅

:



3

2

1

hb 9.=-h*

9.=--*< >9 ft.

(e la gráfica del ;ne0o <.* halle el valor hsh* 9.<- para un valor de hbh* 9.=- y



1!0




"

⋅103

25

g ⋅:

3

2

1



hs 9.<-h*

9.<--*< **- ft.

#ara una buena energía de disipación$

9.:< h- X hb X 9.>9 h- hb >9 ft oGY

EEPLO 4

8e tiene un río en el cual se desea colocar una obra de derivación de agua" se sabe que el ríocon caudal má0imo tiene un tirante de - m. (iseñar un vertedero de cresta cilíndrica y verificarsi es necesario disipar la energía. 8i ese es el caso" diseñar un dispositivo de disipación de

energía.

5ongitud de la cresta$ 5 D m

Coeficiente de descarga$ Cd =.96

Caudal de diseño$ Z *9 m6s

;ltura aguas abajo$ hab 9.:9 m

7ota$ Considerar pérdida de energía en el resalto como B: 0.1⋅ 5

2

2 g



Dolución

5a altura de energía será 6 e1.5 ?L

* 4.03

10⋅8 0.31" y Qe9.=3 m.

1!1



Lc 10 ⋅e 10 ⋅0.6 6 m.


5a velocidad de apro0imación es a 210

⋅8 0.625 ms y la altura de velocidad

correspondiente es 6 a 0.625

2 g 2 0.02 m.

5uego la altura del vertedero será P 6 río / & 6 e / 6 a ' 2 / &0.46 / 0.02'1.56 m. y la carga

6 1 6 e / 6 a 0.46 / 0.02 0.44 m.

Kgualando las energías en el resalto y antes del resalto tenemos$

6 río

1

6 a

81 1

5

2

1 B: " ó 6 río

1 6 a

81

5 2



1

11.1

1



2 g



8abemos

que

5

2

=

*2



"

entonces

6 río

1

6 a

81

11.1

* 2

"

1



⋅ >2 ⋅ 81

2



2 g

2 g ⋅ > 2

⋅ 81

2

2 g



reempla)ando valores se tiene$ 2.02 81

11.1⋅

102

.



2 ⋅

#.8 ⋅82 ⋅ 81

2

5a altura del resalto será y*9.-- m.



5

*

10



%l nmero de +roude en el resalto es

9r



3.8

1



g:

L ⋅ 81 ⋅

g81

8 ⋅0.22 ⋅

#.81⋅0.22



Utili)ando la ecuación <46 calculamos la altura conjugada$ 82

0.22

& 1 1



8 ⋅3.82 /1'1.1 m.



2

Como y- E hab " el resalto será fuera del canalY" por lo tanto es necesario disipar la energía.



Utili)ar un cuenco amortiguador &gradita'$



:ab

3

⋅ :/-

" que puede ser escrita



*.

;ltura de la grada &ecuación <4**'$ e 0.5⋅B: ⋅



:crit

:crit



:ab

3

81



0.

3

0.22



⋅

0.5 ⋅&1.1 / 0.'⋅

⋅

0.6 m.



como e 0.5 ⋅& 8 2 / :ab '⋅

:1

:1

0.44



0.44



-.

5a nueva altura del paramento será

P 1.56 1 0.6 2.16 m. (e la misma manera la

altura en el canal de salida será :ab

0. 1 0.6 1.3 m.



6.

5uego"

la

altura

del

resalto

para

estas

condiciones

será$



2.16 1 0.46 81

11.1⋅

102

" resultando y* 9.*> m.



⋅#.8 ⋅82

⋅

81

2

2



10

=.



%l nmero de +roude correspondiente será 9r 1

4.82

8 ⋅0.1# ⋅

#.81⋅0.1#



<.

5uego" la

altura

conjugada

equivale

a

82

0.1#

&

1 1 8 ⋅4.822 /1'1.2

m. Como



2



habEy- la energía ha sido disipada. ;demás" el valor de habSy-.

3. 5a longitud del colchón amortiguador es

1!2




EEPLO 0

(ado el vertedero de cresta ogee con caudal de D999 pies6s &--3.<= m6s'" una altura devertedero de *- pies &6.33m'" una carga sobre el vertedero de *9 pies &6.9< m'. 5a carga aguasabajo es de *<.< pies &=.:6m' . 8e asume un coeficiente de descarga 6.3" el vertedero tieneuna inclinación de =<L &6$6' aguas arriba" en la cresta e0iste una pila de < pies de ancho" desección redonda y muros laterales rectangulares.

hallar la longitud total de la cresta del vertedero 5t" tomando en cuenta las condiciones aguasabajo y la inclinación del vertedero aguas arriba.

Oerificar si se necesita disipador de energía &grada'" para un canal de ancho 39 m.

QoQe

*9 pies

-- pies

pies

*-

-

*.* Ou -g

*<.< pies

hu

DoluciónE

a' la 5ongitud efectiva 5e esta en función al caudal$ Z C9 5e Q96-



#aso *. Corrección por la inclinación del paramento aguas arriba para una inclinación de =<L$

Qallar # Q9 *- *9 *.-" en la +ig =.6" se tiene C* 9.>>3

#aso -. Corrección por sumergencia" +ig. =.= Calcular hd Qe &--4*<.<'*9 3.<

&hd 1d' Qe --*9 -.-" entonces en la +ig. =.=, la corrección es *P. #aso 6. Corregir el

coeficiente de descarga C9$

Ccorregido &*4.9*'.>>36.3 6.<<

#aso =. Calcular 5e" despejando 5e Z & Ccor Qe6-' D999 & 6.<<*96-' :*.-36 pies.

#aso <. Qallar 5J" los valores de 7 * por una pila" [p 9.9* por ser pila redonda" [a 9.-9por muros rectangulares.

%ntonces$ 5J 5e 1 -&7 [p 1 [a' Qe &:*.-364<'1-&*9.9*19.-9'*9 :9.=36 pies. b' verificar

las condiciones del resalto" disipador de energía. #ara un ancho de 39 m. #aso *. @ernoullientre la sección sobre el vertedero y la sección del resalto$

1!!




# 1 Q9 hu 1 *.* Ou--g" entonces" 3.:* hu 1 *.* Ou

--g

Ou- &Z @ hu '- ' &--3.<= 39hu'- 9.:-: hu

-

2eempla)ando Ou- en la ecuación de energía y multiplicando por hu

- tenemos$

hu6 43.:* hu

- 1 9.:-: 9 " la solución es hu 9.66D m.

#aso -. Qallar la altura recuente de la formula$ h- 4*- hu 1 & hu-=1- Z-&g @- hu''

2eempla)ando valores se tiene h- -.:: m.

Conclusión$ como h- F hf " -.:: F =.:6" entonces no se necesita disipador de energía & grada'

SO;TFARE APLICADO AL DISEO DE DISIPADORES DE ENERGÍA

Como complemento de este capítulo" se presentan dos paquetes computacionales con elobjetivo de simplificar el diseño de disipadores de energía &Kncluidos en el C( 2NH'. Caberecalcar que para manejar dicho soft\are es necesario conocer el marco teórico descrito eneste capítulo" para introducir datos racionales en el paquete y obtener resultados.

6.11.1 DISENER .1.1

#rograma computacional desarrollado por Hario ]ess #ére) 8aavedra en lenguaje Oisual@asic" presentado como parte de la Jesis para obtener el título de Kngeniero Civil en la +acultadde Ciencias y Jecnología de la Universidad Hayor de 8an 8imón &Cochabamba" @olivia' en elaño -99*.



(K8%7%2 v.*.9* es una herramienta computacional que reali)a cálculos hidráulicos en base alos parámetros descritos en los ejemplos resueltos anteriormente" basados principalmente en eldiseño de disipadores de energía de U.8. @ureau of 2eclamation" el programa incluye el diseñode los siguientes disipadores$

@;8K7 K$ (escrito en este capítulo.

@;8K7 KK$ (escrito en este capítulo.

@;8K7 O$ (isipador por resalto hidráulico en canales inclinados

@;8K7 K^$ (isipadores con espaldón dentado para canales inclinados" especialmente rápidas.

5os ejemplos del manejo de este soft\are" mostrados a continuación" están orientados adiseñar solamente los disipadores descritos en este capítulo &@;8K7 K y KK'" en el caso de que elestudiante o proyectista requiera diseñar los otros estanques amortiguadores &@;8K7 O y K^'"previamente deberá hacer una revisión bibliográfica más específica &U8@2" Qidraulic (esign of8tilling @asins and %nergy (issipators'.

E!-(, 1. (isipador por resalto hidráulico con lecho de amortiguación hori)ontal &@;8K7 K'

1!'




Calcule las características y localice el salto hidráulico para la disipación de energía aguasabajo del vertedero de cresta cilíndrica" los datos proporcionados son$

;ncho del canal de llegada$

39 m.

;ltura del #aramento$

* m.

Coeficiente de descarga &*_ apro0.'$

-

Caudal de diseño$

-99 m6s

;ngulo de inclinación del espaldón$

=<R

`ngulo de inclinación del paramento

>9R

Coeficiente de Hanning$

9.9*6

Cota del fondo del canal de llegada$

-<<= msnm

Cota solera del canal de salida &estanque'$ -<<- msnm

Pa+, 1. Knicie el programa" desde el lugar donde este instalado &Knicioprogramas(K8%7%2 v*.9*'. 5a primera pantalla visuali)ada es la de bienvenida &autor" UH88" etc.'" posteriormenteaparecerá la ventana del T-, d! d+-ad,r a !(!#r &Oer figura'. %n esta ventana seleccione

R!+a(, Hdr*(', ?BASIN I).



Figura 6.19 Centana de inicio $i(o de disi(ador de energía&.

Pa+, 2 ;l presionar ;C%#J;2" el programa le mostrará una ventana que contiene las opcionesde diseño para el disipador @;8K7 K" una de las opciones le permite calcular el resalto hidráulicoaguas abajo de una compuerta &ver figura'" la segunda opción reali)a el mismo cálculo peropara un vertedero de cresta cilíndrica &ver figura'. 8eleccione <!r!d!r,+



1!




Figura 6.20 Centana de o(ciones del +isi(ador )BD;5 ;



Pa+, 3 ;l presionar el botón <!r!d!r,+ aparecerá la ventana de datos de entrada &Oer figura'"en dónde se introducirán todos los datos proporcionados. 5a altura A* es la diferencia entre lacota del canal de llegada y la cota solera del colchón hidráulico &A* -<<= ? -<<- - m'.

%squema Oisuali)ado para los datos de entrada del disipador @;8K7 KK

Figura 6.21 Centana de datos de entrada

Pa+, 4. #ara obtener los resultados" ingrese al men análisis y presione A"a(ar D+-ad,r . Knmediatamente el programa calculará el comportamiento de flujo &velocidad" tirante de agua" y

1!6




nmero de +roude' en las secciones * y -" el cálculo del coeficiente de descarga del vertedero"los datos calculados en el proceso de cálculo para hallar la carga hidráulica &Qo'" y lascaracterísticas del resalto hidráulico &5ongitud" energía absorbida y el tipo de salto'.



Figura 6.22 Centana de resultados del disi(ador )BD;5 ; en ertederos reager

Pa+, 0. %n el men <!r usted tendrá la opción de visuali)ar las siguientes gráficas$

8alto en función a * 8alto en función a - %nergía (isipada.

E!-(, 2. (iseñe un disipador de energía tipo @;8K7 KK" para un vertedero con las siguientes características$

;ncho del canal de llegada$

6< m.

;ltura del #aramento$

-.< m.

Coeficiente de descarga &*_ apro0.'$

*.<

Caudal de diseño$

*<9 m6s

;ngulo de inclinación del espaldón$

39R

`ngulo de inclinación del paramento

66R

Coeficiente de Hanning$

9.9*6



Cota del fondo del canal de llegada$

-996 msnm

Cota solera del canal de salida &estanque'$ -99- msnm

1!7




Pa+, 1. Knicie el programa" desde el lugar donde este instalado &Knicioprogramas(K8%7%2 v*.9*'. 5a primera pantalla visuali)ada es la de bienvenida &autor" UH88" etc.'" posteriormenteaparecerá la ventana del T-, d! d+-ad,r a !(!#r &Oer figura 3.*>'. %n esta ventana

seleccione R!-+a+ d!"ada+ ?BASIN II).

Pa+, 2 ;l presionar ;C%#J;2" el programa le mostrará una ventana que contiene la opción nica de diseño para el disipador @;8K7 KK. 8eleccione <!r!d!r,+

Pa+, 3 ;l presionar el botón <!r!d!r,+ aparecerá la ventana de datos de entrada" similar a la figura %-" con la diferencia de que el esquema visuali)ado en la parte inferior derecha de supantalla es el de un estanque amortiguador tipo @;8K7 KK. (esde esa ventana se introducirántodos los datos proporcionados. 5a altura A* es la diferencia entre la cota del canal de llegada yla cota solera del colchón hidráulico &A* -996 ? -99- * m'.

Pa+, 4. #ara obtener los resultados" ingrese al men análisis y presione A"a(ar D+-ad,r . Knmediatamente el programa calculará el comportamiento de flujo &velocidad" tirante de agua" ynmero de +roude' en las secciones * y -" el cálculo del coeficiente de descarga del vertedero"los datos calculados en el proceso de cálculo para hallar la carga hidráulica &Qo'" y lascaracterísticas geométricas de la repisa dentada &5ongitud de resalto" alto" ancho yespaciamiento entre los bloques'.

2esultados$

Carga sobre el vertedero &Q'$

Q *.=: m.

Carga Q 1 ;ltura de Oelocidad &Qo'$

Qo *.<-> m.

2elación #Qo$

#Qo -.69-

Coeficiente de descarga &C'$

C -.*D<

Q2ecalculado &Q'$



Q *.9* m.

Qo 2ecalculado &Qo'$

Qo *.9D< m.

Coeficiente definitivo &m'$

m -.*D<

8ección *$

Oelocidad &v*' >.D-> ms

Jirante de agua &y*' 9.=63 m

+roude &+r*' =.:=>

8ección -$

JV* 3.*-9 ms

Jirante de agua &y-' -.3:- m.

5echo amortiguador$

5ongitud del salto &5'$

5 *9.*= m.

;ncho4%spacio4;lto &@loques dentados'$% 9.=63 m.

;ltura de la repisa dentada &;'$

; 9.<6= m.

;ncho y espacio de la repisa &('$

( 9.= m.

+actor de 8eguridad



3P

7ota$ (el valor del nmero de +roude obtenido &=.:' se observa que este es mayor a =.< y seencuentra dentro el rango normado para los disipadores del Jipo @;8K7 KK" por lo tanto elsistema de disipación es adecuado para las características de este vertedero.

1!8




Pa+, 0. %n el men <!r usted tendrá la opción de visuali)ar la gráfica de la altura secuente

mínima vs. la altura y*.

6.11.2 H=E"!r#9 ODEL

QD%nergy fue elaborado en la Universidad de Utah &%%UU'" el año -999. %l soft\are incluyeuna interfase gráfica para el usuario en el entorno de Vindo\s. %ste programa permite diseñar

el sistema de disipación en canales y principalmente en alcantarillas &disipación de energíainterna y e0terna o a la salida'" proporcionando una amplia gama de alternativas en lo que serefiere a disipadores &@;8K7 KK" KKK" KO" OK" tipo 8;+" tipo C8U" de enrocado" tipo ContraCosta" yJipo QooG' . Ntra de las bondades que ofrece" es el cálculo de la socavación a la salida deestructuras pequeñas &canales" caídas o alcantarillas'. %l modelo esta basado en el manualpublicado por Qydraulic %ngineering Circular 7o. *=" de la U.8. (epartment of Jransportation"+ederal Qigh\ay ;dministration.

%n los siguientes párrafos se desarrollará un ejemplo del estanque amortiguador tipo U8@2 6"

como parte de un breve inicio al soft\are" sin embargo el estudiante tendrá a su alcance elmanual de uso &ver en C( 2NH'. Como se mencionó anteriormente" para diseñar las otrasestructuras de disipación que se encuentran disponibles en el programa" el proyectista deberárevisar la literatura correspondiente.

Par!r,+ d! !"rada 9 +a(da d! d+-ad,r!+ -, SA; BASIN II III 9 I<

#arámetros de entrada en alcantarillas y canales$

8hape$

+orma de la alcantarilla$ circular" rectangular u otras.

+lo\$



Caudal de diseño &m6s' &ft6s'.

8pan$

(iámetro de la alcantarilla &m' &ft'.

Oo$

Oelocidad de salida &ms' &fts'.

o$

#rofundidad de agua a la salida &m' &ft'.

Ao$

%levación de la solera a la salida. &m' &ft'.

Channel \idth$

;ncho del fondo del canal &m' &ft'.

Channel slope$

8lope of the channel &verticalhori)ontal'.

Channel tail \ater$ #rofundidad de flujo aguas abajo (epth &m' &ft'.

1!9




Par!r,+ d! !"+a9, d! (,+ d+-ad,r!+ ?Tra( Para!!r+ &,r 7! Ba+")

@asin \idth$ ;ncho del estanque a la entrada. &m' &ft'.

8J$ #endiente de la rápida a la entrada del estanque.

#endiente de salida del estanque

+lare$ Jhe flare for a 8;+ basin, longitudinal ) $ * transverse.

E!-(, 1.

;lcantarilla tipo cajón de *.D-> m de lado

%levación de la solera en la salida de 69.=D m.

#endiente longitudinal$ 3.< P

Caudal$ **.D9* m6s.



%l canal de salida aguas abajo es de sección transversal de 6.* m de ancho en la base contaludes de -$* en ambos lados" y un coeficiente de Hanning de 9.96. Calcule las dimensionesde un estanque amortiguador tipo @;8K7 KKK.

Pa+, 1. Knicie el programa" desde el lugar donde este instalado &KnicioprogramasQD%nergy'. 5apantalla visuali)ada contiene tres solapas$

S',*r $ %n esta ventana se reali)an cálculos para evaluar la socavación originada por el flujo a la salida de alcantarillas" canales y otras estructuras.



1'0




I"!r"a($ %n esta ubicación se reali)an los cálculos para el diseño de disipadores de energía internos.

E!r"a(J %sta ventana muestra una descripción de las posibles opciones de estructuras de disipación" que pueden utili)arse a la salida de una alcantarilla" un vertedero" rápidas" etc.]ustificando si la opción es factible. (entro de esta ventana e0isten mens para introducir datosde la estructura de disipación elegida.

7ota$ 5as casillas en amarillo representan datos calculados por el programa" mientras que lasceldas de color celeste representan los datos de entrada.



Figura 6.2! Centana (rinci(al de H8"nerg-

Pa+, 2. (entro de la ventana e0ternal y el men del mismo nombre ubicar la opción U8@246. Kntroducir los datos de entrada proporcionados &ver figura'.



1'1



Figura 6.2' Centana de cálculo del H8"nerg-



Figura6.2 "s#uema geom@trico del disi(ador i(o GD)R !

1'2




5os resultados muestran que +r 3.69>" lo que es adecuado para este tipo de disipadores. 5asimbología.

EERCICIOS PROPUESTOS

%l agua que fluye por debajo de una compuerta desli)ante descarga en un cuenco dedisipación rectangular simple el cual tiene el mismo ancho de la compuerta. (espués de lacontracción del chorro el flujo tiene una velocidad promedio de D9 piess y una profundidad de 3pies. (etermine$ a' la profundidad de salida conjugada" b'la longitud del cuenco requerido paraconfinar el resalto" c' la efectividad del cuenco para disipar la energía &es decir" la eficiencia delresalto'" y d' el tipo de resalto esperado.

%n el e0perimento de @idone se encontró que" para O*<.<> piess y y*9.-9D pies en un canal

rectangular" la altura conjugada y- fue 9.3*6. (etermine$ a' la profundidad alterna" b'laprofundidad conjugada teórica" c' la pérdida de energía en el resalto" d' la pérdida relativa" e' laeficiencia" f' la altura relativa" g' la longitud" y h' el tipo de resalto.

Utili)ando su criterio dimensione un estanque amortiguador para un vertedero de e0cedencia

con el paramento vertical y una longitud de cresta de *< m. %l volumen anual aprovechable esde *-9 Qm6. %l nivel de aguas má0imo se encuentra en la cota -D<3 y la solera del canal en lacota -D6<. 5a elevación de la profundidad de salida se locali)a en la cota -D=<. ]ustifique laelección del sistema de disipación.

(iseñar un disipador de energía para un caudal de -<.< m6s que pasa a través de un vertederode cresta Ngee con un paramento inclinado de talud -$6. %l nivel de aguas má0imo seencuentra en la cota -<3=" la solera del vertedero se encuentra en la cota -<<6" la cargahidráulica de diseño esta proyectada para una altura de *.6 m sobre la cresta del vertedero. 5aaltura de agua en el canal de salida esta ubicada en la cota -<<:. ]ustifique la elección delsistema de disipación.

(iseñar un colchón hidráulico tipo 8;+ para los datos del ejemplo =.

Utili)ando los datos del ejemplo = diseñar un estanque amortiguador tipo KKK.



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105255541 disipacion de energia

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