06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T.1 RÁPIDAS ESCALONADAS (STEPPED SPILLWAYS) NESTOR RAUL GARCÍA T. 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 2 INTRODUCCIÓN Nuevos diseños y técnicas de construcción para facilidades de vertimiento y segura disipación de energía. Un diseño de vertedero escalonado incrementa la tasa de energía disipada y elimina la necesidad de poner un gran disipador de energía en el pie del vertedero En las últimas dos décadas las rápidas escalonadas han generado popularidad. 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 3 RESEÑA HISTÓRICA (1) •El desarrollo histórico de las rápidas escalonadas tiene aproximadamente 3000años. •La más antigua rápida escalonada en el mundo es presumiblemente el vertedero Akarnania, Grecia. 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 4 RESEÑA HISTÓRICA (2) Sistemas de riego en Yemen y Perú incluían escalones para asistir en la disipación de energía. Del siglo XVI al XVIII, grandes rápidas escalonadas fueron construidas en Europa e India. Desde principios del siglo XX, vertederos escalonados han sido diseñados para disipar energía. 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 5 RESEÑA HISTÓRICA (3) New Croton Dam 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 6 DISIPACIÓN DE ENERGÍA (1) En una rápida escalonada existen 2 tipos de flujo: 1. Flujo de escalón en escalón (Nappe Flow) Se presenta para caudales bajos y escalones relativamente altos. La cabeza de pérdida en cada escalón es igual a la cabeza de altura. Este patrón de flujo ocurre para: h: altura del escalón d c : profundidad crítica l: long. escalón 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 7 DISIPACIÓN DE ENERGÍA (2) NAPPE FLOW 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 8 DISIPACIÓN DE ENERGÍA (3) 2. Flujo rasante (Skimming Flow) Para pequeños escalones y grandes caudales, el agua usualmente pasa rozando los bordes de los escalones. Transición entre Nappe y Skimming Flow. 2003) Hager y (Boes tan 14 . 0 91 . 0 s h c h c : Profundidad crítica s: Altura escalón Φ= Ángulo del vertedero 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 9 DISIPACIÓN DE ENERGÍA (4) 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 10 DISIPACIÓN DE ENERGÍA (5) SKIMMING FLOW 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 11 CONFIGURACIÓN DE LA AIREACIÓN (1) Elevadas presiones negativas pueden producir deterioros en la estructura de cavitación. Introducir aire en el flujo de agua. Comienzo de la aireación en una rápida escalonada 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 12 CONFIGURACIÓN DE LA AIREACIÓN (2) La gran turbulencia produce choques y despegues con los escalones que favorecen la entrada de aire en los mismos, 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 13 CONFIGURACIÓN DE LA AIREACIÓN (3) Determinación del comienzo de la aireación. •L: diferencia entre cotas entre la coronación del vertedero y el punto medio de este escalón. •H: Altura de los escalones. •q: Caudal unitario. 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 14 CONFIGURACIÓN DE LA AIREACIÓN (4) Efectos de la entrada del aire. C: % concentración de aire. Y: Profundidad del canal. Y 90 : Profundidad característica de C=90%. D´:factor adimensional de la difusibilidad turbulenta. 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 15 DISEÑO (1) Chanson (1999) propuso un método de prediseño. Fig1. Velocidad residual aguas abajo al final de un vertedero escalonado con flujo rasante. Comparación con canales lisos. c d H vs V V 1 max H 1 : Cabeza total aguas arriba d c : Profundidad crítica V max : velocidad teórica aguas abajo V: Velocidad media del flujo. 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 16 DISEÑO (2) FIGURA1 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 17 DISEÑO (3) Diseño hidráulico propuesto por Boes y Hager (2003) 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 18 DISEÑO (4) Se tiene: Hdam, b, φ,Qd, material, espesor escalón. Selección de ancho de la rápida. b= Ancho del río aguas abajo. Se tiene: Hdam, b, φ,Qd, material, espesor escalón. Selección de ancho de la rápida. b= Ancho del río aguas abajo. Selección de la altura del escalón (s) y régimen de flujo. b Q q d d tan 14 . 0 91 . 0 s h c 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 19 DISEÑO (5) Profundidades de flujo. h w,u : Profundidad de agua clara equivalente uniforme. h 90,u : Profundidad de la mezcla uniforme. F * : Número de Froude. ) .s (g.sen q 23 . 0 2 / 1 3 w * 65 . 0 * , F F s h u w ) ( 215 . 0 3 / 1 , sen h h c u w ) 5 . 0 (0.1tan 50 . 0 * , 90 F s h u 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 20 DISEÑO (6) Concentración de aire promedia para flujo uniforme. Obtención del flujo uniforme Energía disipada 1. Para flujo uniforme F b : factor de fricción u u w u h h C , 90 , 1 3 / 2 , ) ( 24 sen h H c u dam 3 / 2 1/3 b c dam max ) 8 ( 2 cos ) 8.sen F ( F h H F sen F F H H b res c dam res h H H H 5 . 1 H max max 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 21 DISEÑO (7) D h,w : Diámetro hidráulico = 4 hw,u α: Coeficiente de corrección de energía = 1.1 2. Para flujo no uniforme: D h,w =4h w,e h w,e : Prof. De agua clara equivalente requerida en el vertedero. c dam w h res h H sen D k H H ] ) ( ) ( 045 . 0 exp[ 8 . 0 1 . 0 , max 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 22 DISEÑO (8) Diseño de los muros laterales h d = ηh 90,u η: Factor de seguridad= 1.2 presas de concreto sin problemas de erosión. 1.5 presas de terraplen con problemas de erosión. h d : Altura de los muros. 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 23 MEDIDA DE VELOCIDADES (1) Rápida prepara medida de velocidades 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 24 MEDIDA DE VELOCIDADES (2) Modelo de más de 7m de altura para estudio de rápidas escalonadas 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 25 MEDIDA DE VELOCIDADES (3) Método de filmar mediante cámara de alta velocidad de obturación. La rápida se divide en tramos equidistantes y conocida la velocidad de filmación, se obtiene el tiempo que tarda cada indicador en recorrer cada tramo. V: velocidad de referencia h: altura vertido 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 26 MEDIDA DE VELOCIDADES (4) Curvas de velocidades-alturas en una rápida escalonada 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 27 OBTENCIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE ENERGÍA d c : Profundidad crítica H: Altura del escalón 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 28 RÁPIDAS ESCALONADAS EN PRESAS DE TIERRA (1) Le Grande 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 29 RÁPIDAS ESCALONADAS EN PRESAS DE TIERRA (2) Ingenieros soviéticos fueron los primeros en proponer un diseño de vertedero escalonado de concreto en la cara aguas abajo de presas de tierra. El sistema de bloques de concreto tiene flexibilidad en la cama del canal escalonado y corto tiempo de construcción “in situ” . Los bloques descansan sobre un filtro y una capa que protege contra la erosión. Drenes son colocados en áreas de presión negativa. 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 30 RÁPIDAS ESCALONADAS EN PRESAS DE TIERRA (3) Consideraciones de diseño: Flujo rasante en un vertedero prismático recto. Las típicas pendientes de los muros laterales con 1V:3H. La calidad del drenaje es muy importante. La pendiente de la cama es moderada (<30º) Rangos alturas del escalón: 0.05m y 0.3m 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 31 RÁPIDAS ESCALONADAS EN PRESAS DE TIERRA (4) Zarays dam 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 32 Lahontan 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 33 Brushes 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 34 Melton dam 06/06/2014 NESTOR RAUL GARCÍA T. 35 Salado FOTO 2. Rápida prepara para medida de velocidades. FOTO 3. Modelo de más de 7 m de altura para esturio de rápidas escalonadas.