TP 5 Disipador de Energia

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL CIVIL

TP INTEGRADOR N°5 DISIPADOR DE ENERGÍA

Asignatura: Hidrología y Obras Hidráulicas Año: 2019 Alumno: Falzone, Julieta; Quilici, Melania; Rubiola Consuelo

Objetivos •

Proyectar las obras hidráulicas necesarias para asegurar la estabilidad de la estructura de descarga (orificios y vertederos) de la presa de retención de crecidas del Aº Ludueña para todos los caudales pasantes por la misma.

Material •

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Diseño definitivo del Canal de Salida (Curva tirante-Caudal del mismo, incluyendo su funcionamiento como canal desbordado) y de las obras de descarga orificio y vertedero: Cantidad, diámetros y cota de fondo de los orificios; Cota de coronamiento del vertedero (CCV), Longitud del vertedero (Lv), Altura de diseño del vertedero (Hd), Diseño geométrico del vertedero. Resultados del trabajo práctico de Laminación de Crecidas. Apuntes de clase: Disipadores de Energía. Sección transversal aguas abajo de la obra de descarga.

Criterio de diseño • El disipador proyectado debe asegurar la disipación de energía al pie de la obra de modo de restituir al curso condiciones de escurrimiento que no generen procesos de erosión en el mismo para todos los caudales pasantes por la obra.

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DISIPADOR ENERGÍA Los disipadores de energía son estructuras hidráulicas que se usan para disipar el exceso de energía cinética del flujo de agua. Esta energía o altura de velocidad es adquirida por el agua donde la velocidad es elevada, tal como en una caída, en una rápida o en un canal de fuerte pendiente. Dependiendo el lugar donde esté ubicada una obra, la magnitud de la velocidad puede producir la erosión del sitio, haciéndose necesaria la existencia de un disipador. Por lo tanto un disipador de energía efectivo debe ser capaz de lentificar el flujo para evitar daños por fuera de la estructura o en el canal aguas abajo de la misma. Existen disipadores que utilizan el empuje hidráulico para reducir el exceso de energía. En este tipo de estructura el agua fluyendo a una velocidad más elevada que la crítica es forzada a formar un resalto hidráulico y la energía se disipa en forma de turbulencia. El cuenco disipador contiene el agua turbulenta hasta que esta pueda ser descargada hacia el canal de aguas abajo sin que se produzcan daños en el mismo. Otros tipos de disipadores de energía hidráulica se basan en el impacto de la corriente sobre un componente de la estructura, estas obras dirigen el agua hacia una obstrucción que desvía el flujo en todas las direcciones y de esta manera disipa la energía de la misma. La ventaja de este tipo de disipador es que da como resultado estructuras más pequeñas y económicas. Tipos de disipadores: Salto hidráulico sobre platea horizontal sin bloques, ni dientes en el umbral extremo. Se determinan los elementos y características de los saltos en un rango amplio de números de Froude. Está constituido por dientes al principio y final del cuenco. Se utiliza en grandes caídas, en descargas de vertederos o canales, para números de Froude superiores a 4,5. Está constituido por dientes al principio, bloques de impacto y umbral en el extremo inferior del cuenco. Se utiliza para descargas de vertederos y estructuras pequeñas en canales donde la velocidad de entrada al cuenco no exceda de 15 a 18 m/s y el número de Froude sea superior a 4,5. Tanque amortiguador: este tipo de cuenco se usa para números de Froude entre 2,5 y 4,5, frecuentemente se presentan en canales y presas de derivación. Reduce el oleaje excesivo creado por resaltos imperfectos. Salto Hidráulico con platea inclinada: es una variante del disipador de platea horizontal y su uso permite una economía de la estructura. Su implementación

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está condicionada a la relación entre los tirantes conjugados del resalto y los tirantes asociados del canal. Disipador de pantalla: es del tipo de impacto, se utiliza para velocidades de entrada menores a 15 m/s y números de Froude que no excedan de 9. Trampolín Sumergido: su uso se recomienda cuando la variación del tirante aguas abajo de la estructura es sumamente variable y puede llegar a impedir la formación del resalto. Tanque amortiguador para descarga de flujo con grandes cargas mediante válvulas de chorro hueco. Losa inclinada dentada para uso en canales donde el agua debe superar desniveles. Cubeta deflectora para descarga de grandes conductos. Protección pétrea aguas debajo de disipadores. Para la obra de salida del vertedero del Arroyo Ludueña se va a dar un cambio de régimen supercrítico a subcrítico, por lo tanto, se va a producir un resalto. Este puede ser aprovechado para disipar energía controlando la zona del resalto para que sea estable. Con esta opción podemos disipar energía aprovechando el propio cambio de régimen, lo cual ofrece una opción más barata que el planteo de otro tipo de disipadores. Considerando que se quieren evitar procesos erosivos en cercanías a la obra se puede proyectar al resalto hidráulico sobre una platea horizontal de hormigón. Para ello debe conocerse el comportamiento que tendrá el resalto según la velocidad y el tirante generado en esta circunstancia (número de Froude F1). Por lo tanto, se calculan los parámetros característicos del resalto para poder clasificarlo y proyectar el tipo de disipador más adecuado.

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RECURRENCIA 10000 AÑOS TIRANTE CONJUGADO Y1 Para encontrar la velocidad en la base del vertedero usamos la tabla “Curvas parra la determinación de la velocidad al pie del vertedero con pendiente de la cara aguas abajo (H:V) 1:0.60 a 0.80 (Chow 1994)” Siendo Z=10m=32.8pies, H=1.18m=3.87pies:

𝑉1 = 37𝑝𝑖𝑒𝑠/𝑠 = 11.28𝑚/𝑠 Para encontrar 𝑦1 aplicamos la ecuación de continuidad, adoptamos para la del cuenco del disipador una sección rectangular del ancho del vertedero Bf=96.3m, y considerando el caudal Q=350m3/s 𝑄 = 𝑉. 𝐴 → 𝐴 = 31.03𝑚2 = 𝐵𝑓. 𝑦1 → 𝒚𝟏 = 𝟎. 𝟑𝟐𝒎

NÚMERO DE FOUDE 𝐹1 =

𝑉1 √𝑔. 𝑦1

= 6.37

Como el número de Froude se encuentra entre 4.5 y 9, se presenta un resalto estable.

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TIRANTE CONJUGADO Y2 Un resalto hidráulico se formará en el canal si el número de Froude F1 del flujo, la profundidad del flujo 𝑦1 y la profundidad 𝑦2 aguas abajo satisfacen la ecuación: 𝑦2 1 = (√1 + 8𝐹1 2 − 1) 𝑦1 2 De esta ecuación podemos obtener el tirante conjugado 𝑦2 : 𝒚𝟐 = 𝟐. 𝟕𝟑𝒎

LONGITUD DEL RESALTO La longitud del resalto puede definirse como la distancia medida desde la cara frontal del resalto hasta un punto en la superficie inmediatamente aguas abajo del remolino. Para poder estimar esta longitud utilizamos la tabla de “Longitud en términos de la profundidad secuente y2 de resaltos en canales horizontales (con base de datos y recomendaciones del U. S. Bureau of Reclamation)”.

𝐿 = 6.17 → 𝑳 = 𝟏𝟔. 𝟖𝟒𝒎 𝑦2

VERIFICACIONES UBICACIÓN DEL RESALTO Para cada caudal la ubicación del resalto dependerá del tirante aguas abajo asociado. Existen 3 casos posibles de combinaciones de tirantes:

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Caso 1

Para un determinado caudal, el tirante conjugado del resalto es exactamente igual al tirante del canal aguas abajo. En este caso el resalto permanecerá en las cercanías del punto de cambio de pendiente de fondo (supercrítica a subcrítica).

Caso 2

El tirante conjugado del resalto es superior al tirante asociado a ese caudal en el canal, por lo tanto, el resalto se desplazará hacia agua abajo. Este caso si se ha previsto una platea de disipación inmediatamente aguas abajo de una obra de descarga, el resalto se formará fuera de la estructura de disipación produciendo severos procesos erosivos en el canal aguas abajo.

Caso 3

El tirante del canal es superior al tirante conjugado del resalto. En este caso se dice que el resalto estará en menor o mayor medida sumergido y se ubicará contra el paramento de la estructura, sobre la platea de disipación de energía. Sumergencias leves y moderadas del resalto pueden considerarse como efectos positivos para mantener el resalto por sobre la platea de disipación. En cambio, sumergencias elevadas puede producir la no formación del resalto y la generación de corrientes de alta velocidad en el fondo del cuenco disipador que pueden continuar aún fuera del cuenco.

Para que el resalto trabaje en buenas condiciones sin erosionar el canal aguas abajo se debe verificar que 𝑦2 ≤ 𝑦2 ´. Siendo 𝑦2 ´ = 3𝑚 el tirante en el canal de salida para R=10000 años. 𝒚𝟐 = 𝟐. 𝟕𝟐𝒎 < 𝒚𝟐 ´ = 𝟑𝒎 VERIFICA En caso de no verificar se deben buscar formas de disminuir la longitud del resalto evitar que se desplace sobre el canal de terreno natural.

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RECURRENCIA 100 AÑOS Para la recurrencia de 100 años solo trabajarán los orificios.

TIRANTE CONJUGADO Y1 La velocidad a la salida de los orificios estará dada por: 𝑉 = √2𝑔𝑍0 = √2𝑥9,81𝑥7,02𝑚 = 11.74𝑚/𝑠 Para encontrar 𝑦1 aplicamos la ecuación de continuidad, adoptamos para la del cuenco del disipador una sección rectangular del ancho del vertedero Bf=96.3m, y considerando el caudal Q=75.4m3/s 𝑄 = 𝑉. 𝐴 → 𝐴 = 6.42𝑚2 = 𝐵𝑓. 𝑦1 → 𝒚𝟏 = 𝟎. 𝟎𝟕𝒎

NÚMERO DE FOUDE 𝐹1 =

𝑉1 √𝑔. 𝑦1

= 14.2

Como el número de Froude es mayor 9, se presenta un resalto fuerte.

TIRANTE CONJUGADO Y2 Un resalto hidráulico se formará en el canal si el número de Froude F1 del flujo, la profundidad del flujo 𝑦1 y la profundidad 𝑦2 aguas abajo satisfacen la ecuación: 𝑦2 1 = (√1 + 8𝐹1 2 − 1) 𝑦1 2 De esta ecuación podemos obtener el tirante conjugado 𝑦2 : 𝒚𝟐 = 𝟏. 𝟑𝟕𝒎

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LONGITUD DEL RESALTO

𝐿 = 6 → 𝑳 = 𝟖. 𝟐𝟐𝒎 𝑦2

VERIFICACIONES UBICACIÓN DEL RESALTO Para que el resalto trabaje en buenas condiciones sin erosionar el canal aguas abajo se debe verificar que 𝑦2 ≤ 𝑦2 ´. Siendo 𝑦2 ´ = 2.72𝑚 el tirante en el canal de salida para R=100 años. 𝒚𝟐 = 𝟏. 𝟑𝟕 < 𝒚𝟐 ´ = 𝟐. 𝟕𝟐𝒎 VERIFICA

DISEÑO DISIPADOR Aguas abajo del vertedero se proyecta el cuenco disipador que será un canal rectangular del ancho del vertedero, de hormigón y de una longitud de 17metros, siendo esta la longitud del resalto en el peor caso. Luego se establece una zona de transición con un ángulo de 30° hasta alcanzar el ancho del canal aguas debajo de terreno natural.

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CONCLUSIÓN Se observó que al pie del vertedero y en el canal se pueden dar velocidades elevadas no compatibles con la velocidad admisible del suelo lo que puede generar erosión. Por ello resulta importante disipar la energía. La elección del tipo de obra a realizar queda determinada por las características del flujo, en este caso se optó por trabajar con el resalto hidráulico que se genera cuando comienza a funcionar el vertedero, ya que este cambio de comportamiento del flujo permite disminuir la velocidad. Debe verificarse que el mismo no supere el tirante uniforme del canal aguas abajo para el caudal de diseño. En cuanto al ancho del vertedero y disipador con respecto a la base de fondo del canal se deberá tener en cuenta una longitud de transición entre las obras para que el paso del agua en esa sección no produzca daños debidos al cambio de sección. Para que este cambio se dé gradualmente se opta por ir achicando la sección con un ángulo de 30°.

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Se concluye entonces que es importante proyectar medidas preventivas para la erosión del lecho a través de plateas de hormigón y establecer límites de urbanización para la seguridad de la población y de la estructura en sí.

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