FACULTAD DECIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS ESCUELA DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILESUNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón 1 Hoja, generalmente metálica, que permite regular la abertura de pasada del agua y controlar el caudal en un canal abierto. La mayoría de las compuertas se ubican en canalizaciones abiertas, pero también pueden situarse en las salidas de túneles en presión. También puede ocurrir que la compuerta esté sumergida bajo la superficie libre y no sea visible a simple vista, como el caso de las compuertas en piques intermedios de túneles de aducción. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 2 Compuertas radiales: (a) en un canal (b) en un túnel. (a) (b) UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 3 Se utilizan mucho en los canales abiertos, en las barreras móviles de bocatomas, en los vertederos de las presas...etc. La forma de la hoja es un manto de cilindro de eje horizontal. Son compuertas simples y confiables y menos costosas que otros tipos de compuertas. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 4 La ventaja de la compuerta plana vertical es que requiere de muros laterales o machones relativamente cortos. Las desventajas de estas compuertas son: Necesitan ranuras para situar a la compuerta. Es posible que las ranuras se atoren con piedras o sedimentos. Es problemático el vertimiento sobre la compuerta. Si la compuerta tiene rodillos o ruedas para deslizarse, ellas giran bajo agua. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 5 UNIVERSIDAD Compuertas de una Bocatoma de un Canal Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón CENTRAL UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 7 q = Q/L Caudal por unidad de ancho UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 8 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 9 Se denomina Vertedero al escurrimiento que se verifica sobre una barrera o sección UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 10 Es una sección en la que se establece una relación única entre el Caudal y la Altura de Agua. Para ello no deben existir perturbaciones aguas arriba ni aguas abajo Basta con medir la Altura en la sección para saber cuánto Caudal circula (ej.: vertedero). Una situación de especial interés es aquélla en la que se produzca la Altura Crítica para la gama de caudales (ej.: sección crítica). UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Curso: Hidráulica Aplicada 11 SEGÚN LA FORMA DE LA BARRERA: 1. Rectangulares 2. Triangulares 3. Otras formas SEGÚN DE PARAMENTO 1. Verticales 2. Inclinados SEGÚN CONTACTO ESCURRIMIENTO-BARRERA 1. Pared Delgada 2. Pared Gruesa 3. Pared Intermedia UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 12 q = Q/L UNIVERSIDAD q : Caudal por unidad de ancho que escurre sobre un vertedero h: Carga sobre el vertedero Cd: Coeficiente de Gasto sobre el vertedero 13 CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada Para vertederos de pared delgada Rectangulares, se tiene: 3/ 2 q ! Cd v 2 g v h En donde el Coeficiente de Gasto según Boussinesq es igual a 0,434 Cd = 0,434 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 14 El vertedero de pared delgada. Este vertedero se caracteriza por una cresta que es una arista viva y fina. En ausencia de contracciones laterales, el flujo es básicamente bidimensional y el campo de presiones y velocidades puede obtenerse con métodos analíticos y gráficos del escurrimiento irrotacional. El coeficiente de gasto es un factor adimensional el que junto a las variables físicas que intervienen, permiten determinar el caudal evacuado por el vertedero. Es importante considerar la fórmula que se emplea en cada caso. En algunos casos se emplea la atura de aguas arriba y en otros la carga total o energía que es calculable pero no se puede medir. Los vertederos de pared delgada son instalaciones que se utilizan a menudo como aforadores para determinar el caudal en forma muy precisa, resulta más práctico emplear la altura. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 15 Presentado de otra manera: Para una lámina líquida aireada, denominada también ³napa aireada´, el caudal unitario puede obtenerse con la relación: q! 2 v C Q v 2 g v ( h1 P ) 3 / 2 3 Vertedero de Pared Delgada C q = 0,11 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 16 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 17 El vertedero de cresta Ogee. Pared Intermedia La forma básica del umbral de este vertedero, corresponde a la trayectoria de la lámina inferior de un vertedero de pared delgada descargando el caudal de diseño a la atmósfera, con la carga total de aguas arriba. El escurrimiento sobre el vertedero tiene líneas de corriente curvas y las componentes de la gravedad de los elementos del fluido se reducen debido a la fuerza centrífuga. Si la curvatura de las trayectorias de las partículas líquidas es suficientemente grande, la presión interna puede caer bajo la presión atmosférica. La cavitación puede producirse con daños potenciales. Dada la importancia de la estructura vertedero esta condición es inaceptable. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 18 El vertedero de cresta Ogee. Pared Intermedia h UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Curso: Hidráulica Aplicada 19 El vertedero de cresta Ogee. Q = Cd · L · h3/2 h UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 20 Ejercicio Un canal de planta recta tiene un vertedero sin compuertas a 20 m sobre su fondo y de 30 m de longitud de vertido sobre un río. Si sobre el vertedero se genera una altura de 3m de descarga, calcular: a) El nivel de agua Y2 que debe tener el río aguas abajo del vertido para que se forme un resalto hidráulico estable. Se supone que la cota de fondo aguas abajo es la misma que aguas arriba. Si el río aguas abajo del resalto debe tener una altura de agua de 1m, ¿Cuál debe ser el nivel de fondo aguas abajo para que se forme el resalto estable, con las condiciones anteriores. 3m b) 20m Y2 Y1 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Utilizar Coeficiente de Gasto del vertedero Cd=2,1. Suponer que se pierde un 30% de velocidad en el vertido debido al rozamiento. Utilizar la formula del resalto de canal rectangular: Y2 = 0,5 Y1 (1+ 8 F1)1/2 Curso: Hidráulica Aplicada a) Primero se calcula el caudal del vertedero según: Q = Cd · L · h 3/2 = 2,1 · 30 · 3 3/2 = 327,36 m3/s La altura de agua al pie del vertedero debe cumplir la ecuación de continuidad Q = V · A = V · (Y·L) Con Y1 = altura de agua al pie del resalto. V1 = 0,7 · (2·g·(20 + 3))1/2 = 14,7 m/s 327,36 = Y1 · 14,7 · 30 Y1 = 0,734 m La altura de agua que debe tener el canal después del resalto será Y2 = 0,5 Y1 (1+ 8 F1)1/2 = 5,76 m Con F12 = V12 / (g Y1) = 30,71 3m 20m Y2 Y1 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Curso: Hidráulica Aplicada b) Si el río tiene una altura de agua de 1 m, no se formará un resalto estable. El resalto se barrerá, provocando una zona de elevadas velocidades con peligro de erosionar el cause y las márgenes del río si éstas se producen mas abajo de las estructuras de hormigón. Para asegurar la formación del resalto, habrá que elevar la cota de fondo mediante una elevación de distancia ³e´ de modo que: 3m 20m 1m Y2 Y1 e 1 + e = Y2 UNIVERSIDAD e = 5,76 ± 1 = 4,76 m CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 24 Vertedero de pared gruesa Tiene la cresta plana horizontal y de una longitud suficientemente grande en comparación de la altura del umbral. La relación entre la longitud y la carga sobre la cresta, debe ser mayor que 1,5 a 3. Lcresta " 1,5 a 3. H1 P Tienen escurrimientos con líneas de corriente paralelas al umbral y en ese caso la distribución de las presiones según la vertical es hidrostática y se produce escurrimiento crítico en gran parte del umbral. Este vertedero se utiliza a menudo como estructura aforadora de caudal. El caudal unitario sobre el umbral del vertedero con el coeficiente de gasto queda determinado por la relación: q! UNIVERSIDAD 2 2 3/ 2 v g v H 1 P 3 3 q ! CQ v 2 2 3/ 2 v v g v H 1 P 3 3 CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 25 Se denominan Vertederos de Pared Gruesa a aquellos en que la longitud de la barrera permite que el escurrimiento sea a filetes paralelos y la distribución de presiones sea hidrostática. Si no existe influencia de aguas abajo, sobre el umbral se tiene escurrimiento crítico. En estos Vertederos tienen importancia las pérdidas de carga de entrada y la friccional sobre la barrera. Si la arista de entrada es redondeada pierde importancia la perdida singular de entrada. En caso de tenerse entrada de arista viva, no es posible despreciar esta pérdida. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 26 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 27 Vertedero de pared gruesa Por ejemplo en una determinada situación, una sección transversal de una carretera paralela al cause de un río, puede funcionar como un vertedero de pared gruesa, cuando el cause supera el nivel del terraplén de la ruta. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 28 Vertedero tipo ³Ogee´ del embalse Santa Juana en la III Región UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 29 Otras formas de crestas tipo Ogee. Vertedero tipo ³morning glory´ del embalse La Laguna en la IV Región UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 30 Vertedero lateral en un canal Generalmente el vertedero lateral se utiliza como obra de excedencia o de seguridad en los canales abiertos. Los vertederos laterales tienen la desventaja de ser obras poco eficientes, que requieren de longitudes importantes y deben incluir un canal colector aguas abajo del vertedero que reciba las aguas vertidas. Tienen la ventaja de ser obras muy simples, de bajo costo y no requieren de la supervisión durante la operación. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 31 El umbral del vertedero se dispone corrientemente paralelo al fondo del canal y con la misma pendiente ´i´. El caso de más interés considera un escurrimiento subcrítico en el canal donde se ubica el vertedero. La pérdida de carga en el escurrimiento en el canal, debido a la desviación del caudal evacuado por el vertedero, es absolutamente despreciable. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 32 Planta y el perfil longitudinal de un canal rectangular que tiene un vertedero lateral como obra de seguridad. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 33 Caudal de vertimiento en Vertederos Laterales Como se ha indicado, la carga a lo largo del vertedero es variable y en rigor también el coeficiente de gasto. Domínguez entrega los siguientes valores medios del coeficiente de gasto según el tipo de vertedero y de la magnitud de la carga, siendo la ecuación básica: Qv ! v Lv v 2 g v hv3 / 2 Q UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 34 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 35 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 36 Vertedero Embalse Puclaro IV Región Chile UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 37 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 38 LA MEDIDA DEL CAUDAL El nivel La velocidad El caudal TIPOS DE CONDUCCIONES Forzada En lamina libre UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 39 CONDUCCIONES EN PRESIÓN TIPOS DE MEDIDORES EN CONTINUO Contador. Hélice. Velocidad. Diafragma. Presión. Venturi. Presión. Ultrasónico. Dos emisores. Velocidad. Electromagnético. Velocidad. ALTURA DE LOS MEDIDORES. Volumétrico. Llenado de depósito. Caída libre de chorro horizontal. Pantalla de molinetes. Otros procedimientos indirectos. Producción eléctrica en turbinas con rendimiento conocido. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Consumo eléctrico de bombas con rendimiento conocido. 40 Hidráulica Aplicada UNIVERSIDAD CENTRAL Típicos medidores de agua potable domiciliaria Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón 41 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 42 SISTEMA ULTRASÓNICO Dos emisores - receptores UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 43 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Curso: Evaluación de Proyectos SISTEMA ELECTROMAGNETICO Ley de Faradaiy Q = 4,685 (1-a/d)1,88 d2,48 Q en m3/s a y d en m. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 45 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón 46 EN LÁMINA LIBRE CRITERIOS DE DISEÑO Y UBICACIÓN Fácil lectura de escala. Visible. Agua tranquila. Posibilidad de comprobación del tarado. Económica. Facilidad constructiva. Adaptada a la topografía del terreno. Adaptada al tipo de mantenimiento. Adecuada con otras redes de medida. Adecuada a la normativa medioambiental. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 47 E. A. Nº 215, RÍO HUERVA EN CERVERUELA, ESPAÑA UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 48 Antena emisora Caseta de instrumentos Pasarela: permite realizar los aforos directos con aguas altas. Escala Vertedero sensible: permite que con aguas bajas la escala detecte pequeñas variaciones de nivel. Se pueden realizar aforos directos desde un andador situado abajo del vertedero. Vertedero alto UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 49 EN LÁMINA LIBRE - SECCIÓN DE CONTROL Y REGISTRO (I de II) Tipos de control. En río. En canal. En embalse. Tipos de lecho. Cauce natural. Sección de control no revestida. Cauce natural con canalización marginal. Margen tendida. Canalización total. Sección de control artificial. Sección de control libre. Nivel. Sección de control influenciada. Dos escalas. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Nivel y velocidad. 50 Hidráulica Aplicada EN LÁMINA LIBRE - SECCIÓN DE CONTROL Y REGISTRO) Tipos de instalaciones. Escala. Una o dos. Registro continuo. Limnígrafo. Pozo, boya y contrapeso. Recolector de datos. Sensores. Vertedero. De pantalla aireado. De escalón con solera aireado. De pared gruesa sin aireación. Varios vertederos. En un tramo. En varios tramos. Aforador Venturi. UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Aforador Parsahall. Aforador V-Flat. 51 Hidráulica Aplicada UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 52 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 53 LIMNÍGRAFO UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Curso: Evaluación de Proyectos 54 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Curso: Evaluación de Proyectos 55 LIMNÍMETRO - ESCALA UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón 56 E. A. Nº 167 RÍO BLANCO EN BARRIOBLANCO UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón 57 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 58 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 59 AFORADORES PARA CANALES UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 60 UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Curso: Evaluación de Proyectos 61 MOLINETES UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón 62 SISTEMAS DE AFORO DIRECTO MOLINETE DESDE PUENTE Torno de puente o pasarela Molinete autodireccionable Dirección del agua UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Hidráulica Aplicada 63 SISTEMA DE AFORO DIRECTO. TELÉFERICO UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Curso: Evaluación de Proyectos 64 MEDICION DE CAUDAL CON CATAMARÁN DOPPLER H= 4.25m Q = 1404 m3/s UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón 65 VERTEDEROS PORTÁTILES PRECALIBRADOS UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón Curso: Evaluación de Proyectos 66 ELABORACIÓN DE DATOS UNIVERSIDAD CENTRAL Facultad de Ciencias F ísicas y Matem áticas Escuela de Ingenier ía en Construcci ón 67