Capitulo 6. Construccion y pruebas de la estructura ... · de modelos físicos a escala reducida o de tipo analógicos (Vergara, 1993). En hidráulica, el término modelo corresponde

CAPÍTULO 6

CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS DE LA ESTRUCTURA DERIVADORA SABANILLA

Universidad Juárez Autónoma de Tabasco RESUMEN Como parte del proyecto hídrico integral de Tabasco (PHIT), se contempla la regulación y distribución de niveles del sistema de los ríos que componen la planicie tabasqueña. Dentro de estas obras se propone la construcción de una serie de estructuras derivadoras en algunos de los principales ríos del Estado. Con esta finalidad la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) por medio de un convenio suscrito con el Instituto de Ingeniería de la UNAM, encargó a la División Académica de Ingeniería y Arquitectura (DAIA) de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco (UJAT) la realización de un modelo físico reducido de la estructura derivadora Sabanillas, misma que se construirá sobre el río de la Sierra. El objetivo es estudiar su funcionamiento hidráulico y determinar el caudal que puede desalojar bajo las condiciones de diseño. Apoyados por esta iniciativa y a través de un convenio de colaboración institucional, la DAIA contó con asesoría por parte del personal del Instituto de Ingeniería (II) de la UNAM, quien brindó asesoría continua durante la construcción, calibración y operación de dicho modelo físico. En este apartado, se presentan los resultados del trabajo experimental realizado en el modelo, escala 1:40, de la obra derivadora Sabanillas (Edo. de Tabasco). Con esta obra se pretende limitar los gastos en el río de la Sierra y así, disminuir el riesgo de inundaciones en la ciudad de Villahermosa, Tabasco. Los resultados obtenidos ayudaran probar el funcionamiento de la estructura, detectar posibles fallas, mejorar el diseño y en caso de ser requerido verificar las modificaciones que surjan a partir de los resultados generados.

C o n s t r u c c i ó n y p r u e b a s d e l a e s t r u c t u r a d e r i v a d o r a S a b a n i l l a

1 | C a p í t u l o 6

6.a ESTUDIOS PRELIMINARES (RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN Y RECONOCIMIENTO DE CAMPO) Muchos de los fenómenos que ocurren en la naturaleza y dentro del campo de la hidráulica son tan complejos que no es fácil tratarlos únicamente con métodos matemáticos y/o numéricos, por lo que lo más conveniente es recurrir al empleo de técnicas experimentales. La experimentación sirve como herramientas práctica para la obtención de soluciones ingenieriles a problemas de estuarios, ríos y obras hidráulicas en general. Los modelos analíticos, matemáticos o numéricos plantean soluciones con problemas idealizados donde se realizan muchas suposiciones para simplificar el problema. Sin embargo, tales simplificaciones causan efectos que deben ser evaluados mediante ensayos experimentales a través de modelos físicos a escala reducida o de tipo analógicos (Vergara, 1993). En hidráulica, el término modelo corresponde a un sistema que simula un objeto real llamado prototipo, mediante la entrada de cierta información que se procesa y presenta de forma adecuada para emplearse en el diseño y operación de obras de ingeniería civil. Un modelo físico a escala reducida, que se denominará simplemente como modelo hidráulico, representa a escala al objeto real o prototipo, tal como un fenómeno, una estructura o una máquina, y cumple con ciertas condiciones matemáticas definidas, por lo cual debe satisfacerse las leyes de Similitud Geométrica, Cinemática y Dinámica, que en conjunto relacionan las magnitudes físicas homólogas definidas entre ambos sistemas, el prototipo Ap y el modelo Am. Con respecto a los lados, superficies y volúmenes se establece la similitud geométrica; cuando se comparan los sistemas con respecto a un movimiento se establece la similitud cinemática y cuando se relacionan las fuerzas de cuerpo entre los sistemas se establece la similitud dinámica. El inicio de un modelo se basa en la Información disponible, que para el presente estudio fue generada específicamente con este fin y data del año 2009. A continuación se hace un desglose de la información entregada por parte del II a la UJAT.

• Levantamiento topográfico, escalas 1:1500 fecha Sep. 2009. • Diseño de la estructura. Plano escala: 1:1200, fecha: Oct 2009. • Informe ““Estudio y proyecto ejecutivo de la derivación Sabanilla y su correspondiente

protección marginal M.D. del ríos de la Sierra, Municipio de Centro, Estado de Tabasco”, Constructora PCN. S.A. DE C.V. Sep, 2009.

P l a n H í d r i c o I n t e g r a l d e T a b a s c o T e r c e r a E t a p a

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6.b INFORME DEL DISEÑO DEL MODELO FÍSICO (SE INCLUYE LOS ANÁLISIS PARA DETERMINAR SUS CARACTERÍSTICAS Y LA CONSTRUCCIÓN DEL MODELO EN LAS INSTALACIONES DE LA UJAT) 6.b.1 Diseño del modelo físico (Se incluyen análisis para determinar características y construcción del modelo en las instalaciones de la UJAT) Los modelos de fondo fijo, al igual que para ríos, estuarios y playas se usan cuando no importa el movimiento de los materiales que componen las fronteras a causa del agua. Los problemas que más frecuentemente se atienden con este tipo de modelos son los debidos principalmente a problemas donde domina la geometría y la rugosidad juega un papel secundario. Ejemplos de este tipo de obras son: obras de toma, rápidas, pilas, cambios de sección y vertedores que es el caso modelado en este estudio. El objetivo de estos modelos es conocer la variación de niveles y patrones de flujo sobre proyectos de control de avenidas. Como la rugosidad mínima que se puede dar en un modelo es de n=0.010 o cuando más n=0.008, no conviene hacer el modelo muy pequeño. La recomendación es que el modelo sea lo más grande posible y sin distorsión, donde para vertedores se considera un rango de 10<Le<100. 6.b.2 Selección de escalas Generalmente la selección de escalas lineales, tanto horizontales, Ex, y verticales Ey, se hace de forma independiente, buscando siempre que el modelo resulte lo más grande posible, esto dependerá en gran medida del espacio disponible, la instrumentación y la alimentación de agua. Cuando en un modelo hidráulico las escalas de magnitud lineales horizontales, verticales e inclinadas son iguales, se dice que el modelo es similarmente geométrico; mientras que, cuando existen por lo menos dos escalas de líneas diferentes el modelo será distorsionado. Esta distorsión implica, a su vez, otras distorsiones; por ejemplo: que la escala de aceleraciones locales, o convectivas, del flujo en la dirección horizontal y vertical, sean diferentes a la escala de aceleración debidas a la gravedad, ya que esta escala debe ser igual a la unidad, puesto que es común considerar que la aceleración debida a la gravedad en el prototipo sea igual a la aceleración debida a la gravedad en el modelo; de otro modo se tendría que construir un equipo especial que modificará dicha aceleración dentro del modelo. En este sentido y para el caso de estudio en particular se decidió que el modelo a realizar fuera sin distorsión para evitar los problemas de escala mencionados anteriormente, además con esto se logrará una visualización directa del fenómeno sin tener que hacer ninguna corrección debida a los problemas de escala. Así, por tratarse de un flujo a superficie libre, para determinar las escalas se usó como parámetro adimensional el llamado Número de Froude, el cual se expresa como:

gD

UFr =

(1)

Donde: U es la velocidad media de escurrimiento, en m/s; g la aceleración de la gravedad, en m/s2; D el tirante hidráulico, en m ( D = A / T); A el área hidráulica, en m2; T, el ancho de superficie libre, en m; Fr, el Número de Froude, adimensional. En prototipo y modelo se debe cumplir que:


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mrprFF = (2)

Los subíndices p y m indican prototipo y modelo, respectivamente. Así se tiene que:

mm

m

pp

p

Dg

U

Dg

U=

(3)

Agrupando términos comunes se tiene:

m

p

m

p

mm

pp

m

p

D

D

g

g

Dg

Dg

U

U==

(4)

De la definición general de escala, que es la relación entre prototipo y modelo, la ec 4 se escribe como:

eee DgU = (5)

donde: Ue, ge, De son las escalas de velocidades, aceleraciones de la gravedad y tirantes hidráulicos, respectivamente. Si se considera que gp =gm , se cumple que ge = 1, y la ec. 5 se reduce a:

ee DU = (6)

Como el tirante hidráulico es una variable que tiene dimensiones de longitud; y además, el modelo es no distorsionado, se tiene que De = Le, donde Le es la escala de longitud, por tanto:

ee LU = (7)

Esto último significa que la escala de velocidades es igual a la raíz cuadrada de la escala de longitudes. De la definición de velocidad media, que es distancia entre tiempo, la escala de tiempos es igual a:

e

e

e

e

ee L

L

L

U

Lt ===

(8)

Con base en la ecuación de continuidad para flujo unidimensional en régimen permanente se tiene:

eee UAQ = (9)

Como el área tiene dimensiones de longitud al cuadrado, la ec. 9 se reduce a:

25

22

eeeeee LLLULQ === (10)

Esto indica que la escala de gastos es igual a la escala de longitudes elevada a la 5/2. De la fórmula de Manning, la velocidad media expresada en forma de escalas se escribe como:

21

321

eHe

e

e SRn

U = (11)


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donde: ne, RHe y Se son las escalas de rugosidades, radios hidráulicos y pendientes, respectivamente. Como el radio hidráulico es una variable en dimensiones de longitud, entonces RHe = Le; las pendientes, S, en prototipo y modelo deben ser iguales, entonces Se = 1, por tanto la ec. 11 se simplifica a:

321e

e

e Ln

U = (12)

de donde:

613

232

e

e

e

e

ee L

L

L

U

Ln ===

(13)

La ec. 13 indica que, con base en la fórmula de Manning, la relación de las rugosidades entre prototipo y modelo es igual a la escala de longitudes a la 1/6. Por otra parte, como las estructuras del prototipo serán construidas con recubrimientos prefabricados, no tienen una “n” bien definida. De acuerdo con la información proporcionada se procedió a la selección de la escala geométrica de la estructura derivadora. Se propusieron dos escalas 1:50 (Figura 1) y 1:40 (Figura 2) de acuerdo a las características y dimensiones del laboratorio de modelos hidráulicos en las instalaciones de la UJAT.


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Figura 1. Modelo escala 1:50


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Figura 2. Modelo escala 1:40

En el diseño y preparación de la mesa de arena se consideró la longitud del cauce a modelar, en el caso particular de estudio se quiere que se modelen aproximadamente 500 metros aguas arriba y 500 m aguas abajo de la estructura derivadora propuesta, en cuyo caso la escala geométrica seleccionada debe ser la de mayor que pueda obtenerse de acuerdo a las limitaciones físicas del laboratorio. En el caso tratado se seleccionó como escala geométrica la de 1:40 Con base en la escala seleccionada, la rugosidad en el modelo debería ser nm = 0.025 / (40)

1/6 = 0.013. En las partes correspondientes a la entrada y salida de la estructura derivadora se proporcionó la rugosidad del material propuesto (según el caso) de manera artificial (Tabla 1).


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Tabla 1. Valores artificiales de rugosidad (Vergara, 1993) CONDICIÓN DE SUPERFICIE VALOR DE n Lucita/plástico 0.009 Madera pulida 0.010 – 0.014 Madera rugosa 0.011 – 0.015 Cemento liso 0.011 – 0.013 Cemento rugoso 0.013 – 0.016 Ladrillo 0.012 – 0.020 Tierra lisa y uniforme 0.020 – 0.030 Grava 0.022 – 0.035 Tierra con yerba 0.025 – 0.040 Otro punto importante que se debe considerar es la capacidad de bombeo, que de acuerdo a las condiciones de diseño debe ser capaz de representar 1,800 m³/s, De este modo, con un gasto a modelar de 1800 m3/s y la escala del modelo 1:40, el gasto en el modelo es:

(14)

Lo que equivale a un gasto del modelo de 178 l/s. Para alcanzar el gasto se instaló un sistema de 3 bombas a gasolina como apoyo a las existentes. En las figuras 3-6 se muestra el arreglo del sistema de bombeo.

2/5

e

p

e

p

mL

Q

Q

QQ ==


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6.b.3 Diseño y construcción de la mesa de arena A partir del plano que se incluye en el archivo electrónico denominado Planta general 90 x 120.dwg con la batimetría que se indica en el mismo, se procedió a construir el modelo. De acuerdo a las dimensiones del modelo y la escala seleccionada, se realizó al acondicionamiento de la mesa de arena (Ver Figuras 7 a 12).

Figura 3. Sistema de bombeo existente

Figura 4. Sistema de bombeo eléctrico

Figura 5. Sistema de bombeo de apoyo

Figura 6. Sistema de bombeo de apoyo


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Figura 7. Mesa de arena en su condición

inicial

Figura 8. Retiro de modelo anterior y limpieza

de zona

Figura 9. . Limpieza de canales y tuberías

Figura 10. Adecuación de tanque alimentador

Figura 11. Limpieza de cisterna

Figura 12. Adecuación de instalaciones

hidráulicas


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6.b.4 Diseño de la malla para configuración del modelo Con la mesa de arena lista, se inició la ubicación del modelo físico dentro de la mesa de arena tal y como se indicó en la figuras 2. Obviamente a mayor tamaño del modelo (menor escala), el modelo será más caro y las mediciones mejores; a menor tamaño (mayor escala), será más económico, pero los resultados serán de menor calidad. En la selección de escala del modelo los factores más importantes, además del económico, son: el tamaño del lugar donde se va a construir el modelo, la capacidad del equipo de bombeo y, eventualmente, la rugosidad de lo que se va a modelar (Echavez, 1996). Una vez cubierta estas características se está listo para empezar la construcción.

6.b.5 Modelos a superficie libre En estos modelos como se mencionó con anterioridad se aplica el criterio de semejanza de Froude y, comúnmente, se hacen las siguientes consideraciones:

• Se determina el espacio donde se va a construir el modelo tanto en planta como en elevación y se selecciona una escala de longitudes preliminar en forma de que quepa el modelo. Es importante considerar las obras accesorias al modelo, como canal de llegada y retorno, así como que tenga un acceso fácil para el personal que labora en él y para las visitas. También hay que prever ampliaciones eventuales al modelo y dejar espacios libres en esa dirección (Figura 13).

• Con la escala seleccionada, se encuentran las escalas de gasto y rugosidades, en este caso en particular se emplearan para reproducir la rugosidad un revestimiento de concreto pulido. Para el gasto que se manejará este depende de las capacidades del laboratorio, en este proyecto se tiene una capacidad máxima de bombeo de 120 Hp, capaz de suministrar un gasto máximo de 220 l/s.

• Se comprueba que exista suficiente desnivel entre el canal de aproximación o llegada al modelo y el nivel de agua en el cárcamo de bombeo.

• Una vez cumplidos los requisitos anteriores y construidos los muros perimetrales y las obras de acceso y aforo, se trazó el modelo. En el caso de modelos de fondo fijo se pueden utilizar tarrajas o guías de lámina o madera. En este caso en particular se usaron tarrajas de madera (Figura 14).

• Entre más cercanas sean las secciones transversales mejor será la reproducción del modelo. Se sugiere separaciones de 0.6m aunque en algunas ocasiones como en el presente estudio se pueden emplear celdas de hasta 1m x 1m. Una vez decidida la escala, ubicación y separación de la malla, se realizó su trazado con 1m de separación en ambas direcciones, correspondiente a 40 m. en prototipo. Una vez que se marcaron los puntos de intersección de la malla, en gabinete se decidió cuales eran las cotas más representativas que serían ubicadas en la malla dibujada.


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Figura 13. Ubicación del modelo dentro de la

mesa de arena

Figura 14. Construcción de tarrajas de

madera 6.b.6 Procedimiento • Una vez seleccionado el tamaño de las celdas, la malla de cálculo se pasa a la configuración

de la mesa. • Una vez identificado se procede a la localización de la malla sobre la mesa de arena (figura

15). • Una vez localizada se hace el trazo, auxiliándose de un nivel, un tránsito y una cinta. Detalle

del trazo se puede ver en la figura 16. • Se dibuja en la mesa de arena la localización de la estructura derivadora y se analiza el trazo,

si de una inspección se nota que no satisface las condiciones deseadas, se procede a la selección de una nueva escala.

6.b.7 Diseño de de morfología y configuración del cauce Para configurar el modelo se dispuso de una batimetría con curvas de nivel a cada cinco metros y de un levantamiento de secciones transversales. La conformación del cauce con fondo fijo se acostumbra hacerlo con tarrajas, apoyados sobre placas, plataformas o rieles laterales al cauce, nivelados y tomando como referencia un banco de nivel, las secciones del cauce se separan como máximo 0.5 a 1 m (Vergara, 1993) En el caso de estudio, para reproducir la topografía en la zona con fondo fijo, se escogieron secciones transversales a cada metro y se ligaron a una poligonal base (Maza J.a, y Springal, R, 1969). Como las condiciones topográficas originales permanecerían fijas durante el estudio, se hincaron varillas (figura 17) y cortaron tarrajas de madera a lo largo de las secciones transversales (figura 18). La separación que existía entre cada varilla de una misma sección, estaba en función de los cambios de pendiente transversales en dicha sección. Una vez definidas todas las secciones se procedió al llenado del modelo con arena de río (figura 19), La cual era nivelada y compactada de acuerdo a los niveles establecidos. En la figura 20 se aprecia una panorámica general de este procedimiento. Dado que lo que se quiere modelar son los niveles y la hidrodinámica del río, este se modelo en fondo fijo, por lo cual después del relleno de tierra se recubrió con mortero y se pulió con cemento, estos procedimientos se muestran en las figuras 21 y 22.


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Dos vistas panorámicas del cauce terminado se muestran en las figuras 23 y 24.

Figura 15. Trazo de malla

Figura 16. Detalle del trazo de malla

Figura 17. Hincado de varillas

Figura 18. Colocación de tarrajas

Figura 19. Llenado de la mesa con arena de

río

Figura 20.Configuración del cauce vista

panorámica


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Figura 21. Recubrimiento con mortero

Figura 22. Vista panorámica del

recubrimiento

Figura 23. Panorámica aguas arriba de modelo de cauce terminado


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Figura 24. Panorámica lateral de modelo de cauce terminado

6.b.8 Diseño de la estructura derivadora Dentro de los modelos con flujo a superficie libre, se tienen los correspondientes a las obras hidráulicas, en las cuales la longitud de los cauces es pequeña y, por tanto, las fuerzas de fricción no se consideran. Sin embargo, pequeñas variaciones en la geometría causan cambios significativos en el patrón de flujo. Este tipo de modelos se emplean para estudiar localmente el comportamiento de estructuras aisladas, su uso es frecuente, ya que son de fácil construcción, operación e interpretación. Las estructuras más comunes a estudiar pueden, en lo general agruparse de acuerdo con su función en: a) estructuras de control y desvío, b) estructuras de disipación de energía y c) estructuras de bombeo (Vergara, 1993). El presente caso de estudio cae dentro del grupo a), estructuras de control y desvío. En el diseño de presas y obras reguladoras del flujo, se necesita prever obras que permitan descargar el agua excedente de las avenidas aguas abajo y evitar el daño. Estas obras son los vertedores de demasías con toda una gama de variantes; de cresta libre o controlada, con canales de descarga rápida, con canal lateral, con galería vertical, de sifón, etc. En los vertedores de demasías, el diseño óptimo consiste en descargar el máximo gasto (Q), con la menor longitud de la cresta (C); existen adecuaciones generales que permiten diseñar los vertedores si éstos se ajustan a condiciones de frontera para las cuales se deduce el valor de C, pero si estas formas son diferentes (el caso más común) es necesario construir un modelo. Además, para el dimensionamiento de una cresta vertedora, debe tomarse muy en cuenta el perfil y el pie del vertedor, sus fronteras laterales, el canal de llegada, el de descarga, así como las pilas sobre la cresta con los problemas particulares.


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Por otra parte, la presencia de flujos con régimen supercrítico obliga a seleccionar con gran cuidado el tipo de dichas curvas, espirales o circulares, para abatirla sobre la elevación de la superficie libre del agua. Las pilas sobre los vertedores generan alteraciones de flujo debido a su forma y a la contracción de la longitud efectiva del vertedor, lo cual afecta el coeficiente de descarga. La instalación de compuertas sobre el vertedor y apoyadas en las pilas permiten incrementar el almacenamiento de agua de la presa, sin embargo, los niveles deben ser adecuadamente operables en función de las avenidas y de la apertura de las compuertas. Una falla de operación de este sistema y en el caso de una cortina de tierra, el agua puede pasar sobre ésta y producirle la falla con resultados desastrosos. Independientemente del programa operativo de las compuertas que se obtenga, por medio del modelo para controlar el paso de la avenida, es necesario limitar la abertura de las compuertas en función de la carga del vertedor para evitar la formación de vórtices y la vibración de las mismas (Vergara, 1993). 6.b.9 Diseño y procedimiento de construcción Se procedió a construir la estructura derivadora partiendo de la información proporcionada en el plano Secciones de canal F.dwg, entregado por parte del II. Se dibujaron las secciones a la escala de 1:40 y se mandaron a imprimir en papel. Se cortaron las secciones y se pegaron a una hoja de triplay con la intensión de darle rigidez. Una vez pegada se corto la sección y se formo la tarraja que comprendería al vertedor lateral. Una vez terminada colocadas las tarrajas que componen el canal de derivación, estas se rellenaron de arena y se procedió al recubrimiento con mortero y a su pulido con cemento (figuras 25 y 26). Se verifica que las dimensiones cumplan con los valores solicitados, pues en este tipo de modelos la escala y la precisión que se tenga juegan un papel importante. En la figura 27 se aprecia una panorámica de la estructura derivadora terminada.

Figura 25. Armado de tarrajas para

estructura derivadora

Figura 26. Recubrimiento de estructura

derivadora


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Figura 27. Panorámica de estructura derivadora terminada


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6.c INFORME DE LAS PRUEBAS DE CALIBRACIÓN INDICANDO CRITERIOS, MÉTODOS Y RESULTADOS 6.c.1 Instrumentación del modelo Uno de los puntos clave de la modelación experimental es contar con buenos instrumentos de medición. En el caso particular de estudio el objetivo fue determinar caudales de derivación, los cuales están sujetos a las condiciones de carga (niveles) presentes en la zona; además de la medición de velocidades en el canal de derivación. Esto obligó a tener una medición cuidadosa de estas tres variables (Q, h, v). 6.c.2 Medición de niveles. Se contó con un Monitor digital de niveles Marca Wallingford (Figura 28), equipado con 6 sondas una en cada canal: CH0, CH1, CH3. CH4, CH5, CH6, el canal CH2 se encuentra deshabilitado. Las sondas comprenden dos barras paralelas de acero inoxidable con una cabeza y pie de plástico. La cabeza se fija al monitor que permite la calibración del nivel del agua en cualquier posición, el principio de operación se basa en la corriente que fluye a través de las barras inmersas y que es proporcional a la profundidad de inmersión. La longitud de las sondas es de 300mm. El equipo se conecta a una PC, que procesa las señales y variaciones de voltaje y las convierte a nivel de la superficie libre del agua (Figuras 29 a 31). En las figuras 32 a 37, se aprecian, las sondas colocadas en el modelo experimental.

Figura 28. Monitor de niveles

Figura 29. Monitor conectado a PC

Figura 30. Procesamiento de la señal

Date,0 ZONA1,1CURVA,3SALIDA,4FRONTERA AA,5FIN DE PLANTILLA,6LAGUNA

12/06/2011 10:38:12.59 a.m.,-1.21,-0.83,-0.61,-0.87,-4.04,-4.08 12/06/2011 10:38:13.59 a.m.,-1.19,-0.89,-0.61,-0.85,-3.98,-4.07 12/06/2011 10:38:14.57 a.m.,-1.12,-0.84,-0.63,-0.85,-4.01,-4.07 12/06/2011 10:38:15.59 a.m.,-1.12,-0.87,-0.63,-0.84,-4.05,-4.06 12/06/2011 10:38:16.59 a.m.,-1.17,-0.85,-0.65,-0.84,-4.11,-4.04 12/06/2011 10:38:17.59 a.m.,-1.04,-0.85,-0.64,-0.83,-4.09,-4.06 12/06/2011 10:38:21.57 a.m.,-1.09,-0.89,-0.65,-0.83,-4.06,-4.05 12/06/2011 10:38:22.59 a.m.,-1.19,-0.86,-0.66,-0.83,-4.02,-4.06 12/06/2011 10:38:23.59 a.m.,-1.07,-0.85,-0.65,-0.83,-4.05,-4.08

Figura 31. Detalle de archivo de datos


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Figura 32. Sonda CH 0






6.c.3 Aforo de caudales Uno de los objetivos claves en la modelación fue estimar el caudal derivado por la estructura propuesta, con este fin se emplearon vertedores triangulares, los cuales permiten mayor precisión en la medición comparados contra los vertedores rectangulares. El principio de operación se basa en la carga medida sobre la cresta del vertedor, por lo que se debe ser cuidadoso en esta medición. Los dispositivos empleados fueron limnímetros, equipados con escalas digitales.


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Se contó con tres limnímetros con sus respectivas escalas digitales. Una fue de marca Mitutoyo y 2 marca Anyi, todas con una precisión de ±0.01mm. En las figuras 38 a 43, se muestran detalles de los dispositivos de aforo.

Figura 38. Vertedor principal Figura 39. Escala digital Mitutoyo

Figura 40. Vertedor secundario I (río)

Figura 41. Medidor digital I Marca Anyi

Figura 42. Vertedor secundario II (Derivación)

Figura 43. Medidor digital II Marca Anyi


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6.c.4 Medición de velocidades Las velocidades que se puedan presentar en el canal derivador son un dato importante, pues permiten predecir la fuerza que debe resistir el recubrimiento para evitar erosión o como es el caso de los materiales prefabricados empleados, problemas de levantamiento de los tapetes. En la medición sobre el modelo se empleó una micropropela marca Nixon No 403, para un rango de velocidades de 5 – 150 cm/s, con un error del 2%. En las figuras 44 y 45 se aprecian detalles de la micropropela y su control de medición.

Figura 44. Monitor de velocidades marca Nixon

Figura 45. Detalle de micropropela de baja

velocidad No. 403 Marca Nixon

6.c.5 Medición de perfiles topográficos Una buena representación de la topografía es esencial para reproducir los efectos tridimensionales en un modelo físico. En este estudio se empleó un perfilado topográfico marca Wallingford. El dispositivo consiste en un soporte de acero, un carro, una probeta y una computadora. Tiene una precisión de ±1mm en las direcciones tanto horizontal como vertical. Detalles del perfilador se muestran en las figuras 46 a 51.

Figura 46. Perfilador topográfico en operación

Figura 47. Detalle del carro que desplaza la probeta de medición


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Figura 48. Probeta en operación

Figura 49. Detalle del sensor del fondo de la

probeta

Figura 50. Perfilador conectado a PC

Figura 51. Detalle del perfíl medido

En la figura 52, se muestra una panorámica de la ubicación de los equipos de medición. Este esquema es importante debido a que se referencia durante la generación de resultados.


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LIMNIMETRO

LIMNIMETRO

LIMNIMETRO

VERTEDOR

VERTEDOR

VERTEDOR

SONDA CH0

SONDA CH1

SONDA CH5

SONDA CH6

SONDA CH4

SONDA CH3EST 0+140

MICROPROPELA

PUNTO DE MEDICION

DE VELOCIDADES

Figura 52. Instrumentación en el modelo físico


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6.c.6 Etapa de calibración

6.c.6.1 Batimetría La primera calibración consistió en verificar la configuración del cauce. Este procedimiento se llevó a cabo a partir de los planos topográficos del prototipo. Empleando el perfilador topográfico, se hizo un levantamiento de las secciones transversales del modelo y se dibujaron en Autocad, para después ser comparadas contra las del prototipo. En las siguientes figuras se aprecian los levantamientos obtenidos y sus respectivas comparaciones.

-2

0

2

4

6

8

-4

10

-2

0

2

4

6

8

-4

ESCALA HORIZONTAL 1 : 40ESCALA VERTICAL 1 : 40

ESTACION 1+080.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0-130


ESTACION 1+120.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0-130

-2

0

2

4

6

8

-4


ESTACION 1+160.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0-130

Sección ModeloSección Prototipo

LC

T.N.=7.00


LC

T.N.=7.00


LC

T.N.=7.00

-2

0

2

4

6

8

-4

10

-2

0

2

4

6

8

-4

10


ESTACION 1+000.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0


ESTACION 1+040.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0-130

-130


LCT.N.=7.00


LC

T.N.=

7.00


24 | C a p í t u l o 6

-2

0

2

4

6

8

-4

10

-2

0

2

4

6

8

-4

10


ESTACION 0+920.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


ESTACION 0+960.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


LC

T.N.=

7.00


LC

T.N.=7.00

-2

0

2

4

6

8

-4

10

-2

0

2

4

6

8

-4

10


ESTACION 0+840.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0


ESTACION 0+880.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

10

10


LC

T.N.=7.00


LC

T.N.=7.00

-2

0

2

4

6

8

-4

-6

10

-2

0

2

4

6

8

-4

10


ESTACION 0+720.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0


ESTACION 0+760.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

-130

-130


LC

T.N.=

7.00


LCT.N.=

7.00


25 | C a p í t u l o 6

-2

0

2

4

6

8

-4

-6

-2

0

2

4

6

8

-4

-6


ESTACION 0+640.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


ESTACION 0+680.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


LC

T.N.=

7.00


LC

T.N.=

7.00


ESTACION 0+560.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


ESTACION 0+600.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

-2

0

2

4

6

8

-4

-6

-2

0

2

4

6

8

-4

-6


LC

T.N.=7.00


LC

T.N.=

6.50

-2

0

2

4

6

8

-4

-2

0

2

4

6

8

-4

-6


ESTACION 0+480.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


ESTACION 0+520.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


LC

T.N.=

7.00


LC

T.N.=

7.00


26 | C a p í t u l o 6

-2

0

2

4

6

8

-2

0

2

4

6

8

-4

-4


ESTACION 0+400.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0-130


ESTACION 0+440.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0-130-140


LC

T.N.=7.00


LC

T.N.=7.00

-2

0

2

4

6

8

10

-2

0

2

4

6

8

-4

-4


ESTACION 0+320.00

-110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


ESTACION 0+360.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10-130-140


LC

T.N.=7.00


LC

T.N.=7.00


ESTACION 0+240.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0


ESTACION 0+280.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

-130

-2

0

2

4

6

8

10

-2

0

2

4

6

8

10


LC

T.N.=7.00


LCT.N.=7.00


27 | C a p í t u l o 6

-2

0

2

4

6

8

10

-2

0

2

4

6

8

10


ESTACION 0+160.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


ESTACION 0+200.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


LC

T.N.=

6.50


LC

T.N.=

7.00

-2

0

2

4

6

8

10

-2

0

2

4

6

8

10


ESTACION 0+080.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


ESTACION 0+120.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


LC

T.N.=6.50


LC

T.N.=6.50


ESTACION 0+000.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

-2

0

2

4

6

8

10


ESTACION 0+040.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

-2

0

2

4

6

8

10


LC

T.N.=6.50


LC

T.N.=6.50

Figura 53. Comparación entre secciones transversales prototipo y modelo

Al analizar las comparaciones se detectó que en la mayoría de ellas se tenía una buena correspondencia, a excepción de la sección 0 + 560, donde se encontró un error significativo. Por este motivo se llevó a cabo la demolición y reconstrucción de esa zona. Una vez corregido el error se procedió de nuevo a un levantamiento de la zona (figuras 54 y 55).


28 | C a p í t u l o 6

Figura 54. Levantamiento de zona 0+ 560 Figura 55. Detalle de corrección de zona

Un las figuras 56, 57 y 58 se muestra la comparación de los levantamientos a detalle después de la corrección.

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

-8


ESTACION 0+570.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


ESTACION 0+580.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


ESTACION 0+590.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


Sección Rectificada





LC

T.N.=6.50

LC

T.N.=

6.50

LC

T.N.=6.50

Figura 56. Corrección de topografía sección 0 +570 – 0 +590


29 | C a p í t u l o 6


-6

-4

-2

0

2

4

6

8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

-8

-130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0


ESTACION 0+560.00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10


ESTACION 0+550.00




LC

T.N.=6.50

LC

T.N.=6.50

Figura 57. Corrección de topografía sección 0 +550 – 0 + 560

-130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

-6

-4

-2

0

2

4

6

8 LC

T.N.=6.50


ESTACION 0+530.00

-6

-4

-2

0

2

4

6

8


ESTACION 0+540.00

-130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

LC

T.N.=6.50





Figura 58. Corrección de topografía sección 0 +530 – 0 +540

Con la topografía rectificada, se procedió a seguir con la siguiente etapa de calibración del sistema, que fue la calibración de los vertedores. 6.c.6.2 Vertedores. Para este tipo de vertedor la British Estándar Methods (BS 3680, 1981) recomienda usar la formula de Kindsvater-Shen, que permite calcular los gastos que descarga este vertedor de cresta delgada. La ecuación correspondiente es:

(15)

En esta expresión, he es la carga efectiva sobre el vertedor, en m, Ce, el coeficiente de descarga y Q el gasto que ingresa al modelo físico, en m3/s. El resto de las variables se indican en la Figura 59. La primera prueba consistió en ajustar el “cero”, sobre el limnímetro. Esto se logró llenando el tanque del canal de alimentación por medio de la tubería hasta llegar a la cresta del vertedor.


30 | C a p í t u l o 6

A continuación se apagaron las bombas y se procedió a realizar un llenado muy lento, para empezar a detectar las zonas de vertido. El vertedor debe empezar a derramar al mismo tiempo, en caso contrario será necesario nivelarlo de nuevo. Una vez que el vertedor empezó a derramar se dejó por un periodo de un par de horas funcionando para un caudal muy bajo (Figura 60). A continuación se cerró la alimentación y se dejó reposar el modelo. El resultado de este ajuste muestra que el “cero” no se encuentra en la cresta del vertedor; sino, un poco arriba, esto se debe al efecto de tensión superficial del agua y capilaridad que será una pequeña elevación sobre la cresta. Debido a la escala que se maneja es importante realizar esta prueba para tener la certeza que el vertedor tiene la carga establecida. Se acostumbre anotar la tara a un lado del limnímetro.

Figura 59. Vertedor triangular de cresta

delgada

Figura 60. Detalle del vertido

6.c.6.3 Medidores digitales de nivel Otro punto que debe calibrarse antes de iniciar las pruebas son los medidores de nivel, los cuales son varillas metálicas que envían variaciones de voltaje de acuerdo a la profundidad en que son inmersas. Por lo tanto se necesita establecer un nivel de referencia controlado y que todas las varillas se encuentren al mismo nivel de referencia. En el modelo se contó con dos compuertas de salida para regular los niveles, por lo tanto estas se cerraron y se llenó el modelo a una cota determinada, que en este caso fue la cota 7.0 msnm y se dejó que el modelo funcionará como un embalse. Una vez estabilizado el nivel se procedió a calibrar los medidores de nivel a esa cota. En las figuras 61 y 62 se muestran detalles de este procedimiento.


31 | C a p í t u l o 6

Figura 61. Calibración de medidores de nivel Figura 62. Panorámica de modelo embalsado 6.c.6.4 Construcción de la Curva experimental de descarga del río (Q vs h) La modelación experimental requiere como condición de frontera aguas abajo del río su nivel. En el informe suministrado por parte de la CONAGUA, se generó la tabla 2, que relaciona la elevación con la descarga y que mencionan se empleó en el diseño de la derivación.

Tabla 2. Datos de descarga en la Estación 0 +900, (PCN, 2009) ELEVACION AREA PERIMETRO RADIO HIDRAULICO VELOCIDAD GASTO

-1.442 0 0 0-1 3.4261 13.13 0.260936786 0.397303217 1.361200550 32.59 37.97 0.858309191 0.878741327 28.63817981 78.24 54.41 1.437970961 1.23955353 96.98266822 139.14 66.70 2.086056972 1.588483298 221.0215663 207.05 72.17 2.868920604 1.964464699 406.7424164 279.69 76.69 3.647020472 2.305281739 644.764255 355.76 81.18 4.382360187 2.605577062 926.9600966 435.76 86.53 5.035941292 2.858592928 1245.66045

6.4158 470.83 89.73 5.247186002 2.937984604 1383.29129 Como se aprecia en la tabla 2, el caudal modelado llega a 1383.29129 m³/s, sin embargo, el gasto de diseño propuesto, según el mismo informe fue de 1800 m³/s, por lo que dada la magnitud del modelo y la complejidad de su calibración (no se dispone de datos suficientes), se decidió hacer la calibración a partir del último valor de niveles reportado y llegar hasta el caudal de diseño propuesto. Esto se logró fijando el nivel propuesto a la salida del modelo y alimentándolo con el gasto de 1383 m³/s. Una vez alcanzadas estas condiciones se fijó la condición de salida y se aumentó el gasto a 1800 m³/s y se determinó el nivel aguas abajo, se repitió este procedimiento para gastos de 1700 hasta 200 m³/s. En la siguiente gráfica se muestra la comparación entre los resultados experimentales y los teóricos.


32 | C a p í t u l o 6

Gráfica 1. Curva de descarga del río

En esta investigación se emplearon los resultados obtenidos experimentalmente, quedando la curva de descarga de acuerdo a la siguiente tabla:

Tabla 3. Curva de descarga experimental en condiciones naturales Caudal (m³/s) Elevación

experimental (msnm) Elevación Numérica (msnm)

221.02 2.10 2 406.74 3.78 3 644.76 4.95 4 926.96 5.58 5 1245.66 6.18 6 1383.29 6.41 6.4158 1450 6.60 1500 6.69 1600 6.91 1700 7.09 1800 7.22

Esta fue el último elemento considerado dentro de la etapa de calibración, por lo que en este punto se alcanzaron las condiciones necesarias para empezar las pruebas.


33 | C a p í t u l o 6

6.d INFORME DE LAS PRUEBAS EN EL MODELO FÍSICO. (LAS NECESARIAS DE ACUERDO CON LA CONAGUA Y EL INSTITUTO DE INGENIERÍA, UNAM) El personal de Ia CONAGUA solicitó que se hiciera la revisión del funcionamiento hidráulico de la estructura para la condición de diseño (1800 m³/s). Adicionalmente, el personal de la UJAT en conjunto con los asesores del Instituto de Ingeniería consideraron conveniente estudiar también otras condiciones de operación del vertedor y su correspondiente funcionamiento hidráulico; estas pruebas consistieron básicamente en revisar el caudal de salida por la derivación para diferentes condiciones. Las pruebas se hicieron con base en la información de niveles del agua y gastos en la vecindad de la estructura derivadora de acuerdo a la información proporcionada en el modelo numérico. Se consideraron especialmente las condiciones de funcionamiento para la época de avenidas. Se probó su funcionamiento para las condiciones (niveles) de diseño y se analizaron otras que se juzgaron importantes La condición de diseño que se revisó inicialmente fue la siguiente:

Tabla 4. Datos de diseño (PCN, 2009)

Estructura

Caudal de diseño (m³/s)

Elevación de la cresta del vertedor (msnm)

Longitud de la cresta (m)

Gasto Máximo derivado

(m³/s)

Carga máxima sobre el

vertedor (m)

Elevación a la descarga

(m)

Sabanillas 1800 5.5 200 515 1.40 6.00

Esta condición fue calculada numéricamente y según los resultados reportados no desborda el cauce. Por lo tanto la primera condición a comprobar fue el funcionamiento del río en condiciones naturales y comprobar el caudal de desbordamiento. Después, las pruebas siguientes se realizaron para el caudal a bordo lleno encontrado experimentalmente. A continuación se describe la metodología general de las mediciones y las particularidades de cada prueba, y en la tabla 5 se resumen las pruebas realizadas:


34 | C a p í t u l o 6

Tabla 5. Diseño de experimentos

Prueba Condiciones de

prueba

QDerivado

(m³/s)

Vel media

Canal (m/s)

Característica a estudiar

I Naturales, Q=1800 m³/s

n/a n/a Verificar caudal de diseño, Caudal a

bordo lleno y curva Q – E experimental

II Q=bordo lleno, s/espigones,

hlag=6.00 msnm ¿? ¿?

Funcionamiento de estructura derivadora a bordo lleno

III Q=bordo lleno, s/espigones, hlag=libre

¿? ¿? Funcionamiento de estructura derivadora a bordo lleno y

escurrimiento libre hacia la laguna

IV

Q=bordo lleno – s/vertido,

s/espigones, hlag=6.00 msnm

¿? ¿? Funcionamiento de estructura

derivadora desde bordo lleno hasta que deje de derivar

V

Q=bordo lleno – s/vertido,

s/espigones, hlag=libre



VI

Q=bordo lleno,

c/1 espigón,

hlag=6.00 msnm


derivadora a bordo lleno y efecto de la colocación de los espigones

VII

Q=bordo lleno – sin vertido,

c/1 espigón, hlag=libre



VIII


c/7 espigones, hlag=6.00 msnm



IX


c/7 espigones, hlag=libre




35 | C a p í t u l o 6

Mediciones de velocidad. Se realizaron con la Micropropela marca Nixon 403. Se dividió una sección transversal del canal de salida en partes iguales. Cada punto se marcó como se indica en la Figura 52. La micropropela se colocó a 0.5 cm del fondo, tratando siempre de que el agua la cubriera. Se utilizaron mediciones puntuales promediadas cada 10s, y se tomaron 10 mediciones por cada punto. Después a estos valores se les sacó la media y luego se transformaron a velocidad del prototipo. Se construyeron gráficas de la sección transversa, las velocidades medidas para cada caudal y condición de frontera. Mediciones del nivel. Las mediciones de nivel se realizaron con los medidores digitales. Antes de iniciar cada prueba los medidores eran calibrados. Durante las mediciones y debido a las fluctuaciones de la superficie libre del agua, se tomaron promedios con 100 mediciones puntuales, una cada segundo. Estos valores se llevaron a una hoja de cálculo y se promediaron. A partir de estos valores se obtuvo un nivel medio de altura de la superficie libre del agua (SLA), para cada punto de medición. Los puntos de medición son los indicados en la Figura 52. PRUEBA No. I Condición de diseño y caudal a bordo lleno Descripción: En esta primera prueba se comprobó si el caudal de diseño propuesto de1800 m3/s transitaba libremente por el cauce en condiciones naturales sin desbordar. Las condiciones experimentales establecidas se muestran en la tabla 6. En este caso la condición no se comprobó, por lo que se propusieron caudales menores hasta encontrar la condición máxima de funcionamiento del río sin desbordar (condición a bordo lleno). En las figuras 63 y 64 se muestran la pizarra de la prueba y el bloqueo de la derivación para que el cauce representara condiciones naturales.

Tabla 6. Condiciones experimentales Prueba I.

Gasto entrada (m3/s) Nivel salida río (msnm) Condición de desbordamiento

1800 7.22 ¿?

Figura 63. Pizarra prueba I Figura 64. Bloqueo de margen derecha En la figura 65, se muestra una panorámica de las condiciones que se presentaron durante esta prueba, se aprecian que prácticamente que en toda su margen izquierda se presentó desbordamiento. La margen derecha no se desbordó debido al bordo que se construyo en el modelo.


36 | C a p í t u l o 6

Figura 65. Panorámica de las zonas de desbordamiento

Se repitió el procedimiento para distintos caudales menores a 1800 hasta que no se observó patrón de desbordamiento en la zona modelada experimentalmente (fig. 66 a 71).

Figura 66. Prueba a 1700 m3/s Figura 67. Prueba a 1600 m3/s

Zona de desbordamiento (1800 m³/s)


37 | C a p í t u l o 6

Figura 68. Prueba a 1500 m3/s Figura 69. Prueba a 1500 m3/s

Figura 70. Prueba a 1450 m3/s (arriba) Figura 71. Prueba a 1450 m3/a (abajo) De esta primera parte de la prueba se encontró que el caudal de desbordamiento o a bordo lleno fue de 1450 m3/s. A partir de este punto es el caudal que se tomó como caudal de diseño, a una cota de 6.55 msnm PRUEBA No. II Funcionamiento de la estructura derivadora al caudal a bordo lleno y con cota de la laguna máxima. Descripción: Esta prueba consistió en probar el funcionamiento general de la estructura al caudal de desbordamiento (Fig. 72 y 73). Las condiciones experimentales establecidas se muestran en la tabla 7. Las niveles aguas abajo del río se establecieron mediante una compuerta, al igual que los niveles aguas debajo de la laguna. En las figuras 74 y 75 se muestran detalles de las compuertas, mientras que en la figura 76 se muestra una panorámica de la prueba.

Tabla 7. Condiciones experimentales Prueba II.

Gasto entrada (m3/s)

Nivel salida río (msnm)

Nivel en la laguna

(msnm)

Caudal derivado

(m3/s)

1450 6.6 6.00 ¿?


38 | C a p í t u l o 6

Figura 72. Pizarra prueba II Figura 73. Vista aguas arriba P-II

Figura 74. Compuerta salida río Figura 75. Compuerta salida derivación

Figura 76. Vista panorámica de Prueba No. II


39 | C a p í t u l o 6

PRUEBA No. III Funcionamiento de la estructura derivadora al caudal a bordo lleno y con cota de la laguna libre. Descripción: Esta prueba consistió en probar el funcionamiento general de la estructura al caudal de desbordamiento. Las condiciones experimentales establecidas se muestran en la tabla 8. En este caso se dejó la compuerta que regula el nivel en la laguna totalmente abierta, con la finalidad de permitir el libre escurrimiento. En las figuras 77 y 78 se muestran detalles de esta prueba.

Tabla 8. Condiciones experimentales Prueba III. Gasto entrada (m3/s)


Nivel en la laguna (msnm)

Caudal derivado (m3/s)

1450 6.6 libre ¿?

Figura 77. Pizarra prueba III Figura 78. Detalle prueba III PRUEBA No. IV Funcionamiento de la estructura derivadora al caudal a bordo lleno, con cota de la laguna máxima y distintos caudales. Descripción: Esta prueba consistió en probar el funcionamiento general de la estructura al caudal a bordo lleno y disminuyéndolo progresivamente hasta encontrar el caudal al cual la estructura deja de derivar. Se midieron con los vertedores los caudales de entrada y de salida para conocer el caudal derivado, igualmente se midieron los perfiles de la superficie libre del agua con los medidores digitales ubicados como se mostró en la Figura 52. Se construyeron a partir de los datos recopilados dos gráficas, una que relaciona el gasto total contra el gasto derivado y otra que relaciona el nivel a la entrada de la derivación contra el gasto total. Además se midieron las velocidades en la parte media del tapete, la ubicación de la zona de medición se muestra en la Figura 52. Las condiciones experimentales establecidas se muestran en la tabla 9. En las figuras 79 a 82 se muestran detalles de esta prueba.

Tabla 9. Condiciones experimentales Prueba IV.

Gasto entrada (m3/s) Nivel salida río

(msnm) Nivel en la laguna

(msnm) Caudal

derivado(m3/s)

1450 – condición sin caudal de derivación

variable 6.0 ¿?


40 | C a p í t u l o 6

Figura 79. Pizarra prueba IV Figura 80. Detalle de medidor de nivel

Figura 81. Medición de velocidades Figura 82. Trayectorias de líneas de flujo

PRUEBA No. V Funcionamiento de la estructura derivadora al caudal a bordo lleno, con cota de la laguna libre y distintos caudales. Descripción: Esta prueba consistió en probar el funcionamiento general de la estructura al caudal a bordo lleno y disminuyéndolo progresivamente hasta encontrar el caudal al cual la estructura deja de derivar. Se midieron con los vertedores los caudales de entrada y de salida para conocer el caudal derivado, igualmente se midieron los perfiles de la superficie libre del agua con los medidores digitales ubicados como se mostró en la Figura 52. En este caso se dejó la compuerta aguas debajo de la derivación completamente abierta, para tener una condición de escurrimiento libre. Se construyeron a partir de los datos recopilados dos gráficas, una que relaciona el gasto total contra el gasto derivado y otra que relaciona el nivel a la entrada de la derivación contra el gasto total. Además se midieron las velocidades en la parte media del tapete, la ubicación de la zona de medición se muestra en la figura 52. Las condiciones experimentales establecidas se muestran en la tabla 10. En las figuras 83 a 86 se muestran detalles de esta prueba.


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Tabla 10. Condiciones experimentales Prueba V.


(msnm) Nivel en la

laguna (msnm) Caudal derivado

(m3/s)


variable libre ¿?

Figura 83. Pizarra prueba V

Figura 84. Detalle de micropropela

Figura 85. Compuerta totalmente abierta Figura 86. Socavación al final del tapete

PRUEBA No. VI Funcionamiento de la estructura derivadora desde el caudal a bordo lleno y menores, con un espigón en su cauce y con cota de la laguna máxima. Descripción: Esta prueba consistió en probar el funcionamiento general de la estructura al caudal a bordo lleno y disminuyéndolo progresivamente hasta encontrar el caudal al cual la estructura deja de derivar. En esta prueba se incluyó un espigón en el cauce. Se midieron con los vertedores los caudales de entrada y de salida para conocer el caudal derivado, igualmente se midieron los perfiles de la superficie libre del agua con los medidores digitales ubicados como se mostró en la Figura 52.


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Se construyeron a partir de los datos recopilados dos gráficas, una que relaciona el gasto total contra el gasto derivado y otra que relaciona el nivel a la entrada de la derivación contra el gasto total. Además se midieron las velocidades en la parte media del tapete, la ubicación de la zona de medición se muestra en la figura 52. Las condiciones experimentales establecidas se muestran en la tabla 11. En las figuras 87 a 90 se muestran detalles de esta prueba.

Tabla 11. Condiciones experimentales Prueba VI.



Nivel en la laguna

(msnm)

Caudal derivado

(m3/s)


variable

6.00 msnm

¿?

Figura 87. Pizarra prueba VI

Figura 88. Medición de velocidades

Figura 89. Vista aguas abajo derivación Figura 90. Salida del río


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PRUEBA No. VII Funcionamiento de la estructura derivadora desde el caudal a bordo lleno y menores, con un espigón en su cauce y con cota de la laguna libre. Descripción: Esta prueba consistió en probar el funcionamiento general de la estructura al caudal a bordo lleno y disminuyéndolo progresivamente hasta encontrar el caudal al cual la estructura deja de derivar. En esta prueba se incluyó un espigón en el cauce y se dejó el nivel de la laguna en escurrimiento libre. Se midieron con los vertedores los caudales de entrada y de salida para conocer el caudal derivado, igualmente se midieron los perfiles de la superficie libre del agua con los medidores digitales ubicados como se mostró en la Figura 52. Se construyeron a partir de los datos recopilados dos gráficas, una que relaciona el gasto total contra el gasto derivado y otra que relaciona el nivel a la entrada de la derivación contra el gasto total. Además se midieron las velocidades en la parte media del tapete, la ubicación de la zona de medición se muestra en la Figura 52. Las condiciones experimentales establecidas se muestran en la tabla 12. En las figuras 91 a 94 se muestran detalles de esta prueba.

Tabla 12. Condiciones experimentales Prueba VII.


(msnm) Nivel en la laguna

(msnm) Caudal derivado (m3/s)


variable libre ¿?

�

� Figura 91. Pizarra Prueba VII

�

� Figura 92. Efecto a la salida del tapete


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Figura 93. Líneas de flujo debido al espigón Figura 94. Líneas de flujo

PRUEBA No. VIII Funcionamiento de la estructura derivadora desde el caudal a bordo lleno hasta condición sin derivación, con siete espigones en su cauce y con cota de la laguna libre. Descripción: Esta prueba consistió en probar el funcionamiento general de la estructura al caudal a bordo lleno y disminuyéndolo progresivamente hasta encontrar el caudal al cual la estructura deja de derivar. En esta prueba se consideraron los siete espigones en el cauce y se dejó el nivel de la laguna en escurrimiento libre. Se midieron con los vertedores los caudales de entrada y de salida para conocer el caudal derivado, igualmente se midieron los perfiles de la superficie libre del agua con los medidores digitales ubicados como se mostró en la Figura 52. Se construyeron a partir de los datos recopilados dos gráficas, una que relaciona el gasto total contra el gasto derivado y otra que relaciona el nivel a la entrada de la derivación contra el gasto total. Además se midieron las velocidades en la parte media del tapete, la ubicación de la zona de medición se muestra en la Figura 52. Las condiciones experimentales establecidas se muestran en la tabla 13. En las figuras 95 a 98 se muestran detalles de esta prueba.

Tabla 13. Condiciones experimentales Prueba VIII.





1450 – 600 variable libre ¿?


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Figura 95. Pizarra Prueba VIII

Figura 96. Siete espigones

Figura 97. Líneas de flujo debido a los siete espigones

Figura 98. Detalle medición de velocidad

PRUEBA No. IX Funcionamiento de la estructura derivadora desde el caudal a bordo lleno hasta condición sin derivación, con siete espigones en su cauce y con cota de la laguna a 6.00 msnm. Descripción: Esta prueba consistió en probar el funcionamiento general de la estructura al caudal a bordo lleno y disminuyéndolo progresivamente hasta encontrar el caudal al cual la estructura deja de derivar. En esta prueba se consideraron los siete espigones en el cauce y se dejó el nivel de la laguna máximo a la 6.00 msnm. Se midieron con los vertedores los caudales de entrada y de salida para conocer el caudal derivado, igualmente se midieron los perfiles de la superficie libre del agua con los medidores digitales ubicados como se mostró en la Figura 52. Se construyeron a partir de los datos recopilados dos gráficas, una que relaciona el gasto total contra el gasto derivado y otra que relaciona el nivel a la entrada de la derivación contra el gasto total. Además se midieron las velocidades en la parte media del tapete, la ubicación de la zona de medición se muestra en la Figura 52. Las condiciones experimentales establecidas se muestran en la tabla 14. En las figuras 99 a 102 se muestran detalles de esta prueba.


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Tabla 14. Condiciones experimentales Prueba IX.





1450 – 700 variable 6.00 ¿?

Figura 99. Pizarra Prueba IX

Figura 100. Control aguas abajo derivación

Figura 101. Líneas de flujo a la entrada de la estructura c/siete espigones

Figura 102. Detalle de los siete espigones


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6.e INFORME FINAL (INCLUYE CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES Y ÁLBUM FOTOGRÁFICO) En la siguiente tabla se resumen los resultados de laboratorio obtenidos.

Tabla 15. Resumen de pruebas

Q alimentacion Q salida Q derivacion h 0 h 1 h 3 h 4 h 5 h 6 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V media

1501.34 892.49 608.85 6.82 6.79 6.95 6.69 5.58 6.01 2.24 2.25 1.98 2.42 2.42 2.14 2.03 2.60 2.78 2.32

1397.47 936.37 461.11 6.66 6.51 6.72 6.45 5.61 6.04 2.09 2.16 2.27 2.16 1.90 1.87 1.84 1.76 2.03 2.01

1306.69 947.30 359.39 6.47 6.39 6.53 6.28 5.72 6.05 2.18 2.03 2.02 1.94 1.93 1.69 1.49 1.90 1.89 1.90

1200.03 915.36 284.67 6.39 6.24 6.34 6.11 5.73 6.05 1.91 1.73 1.57 1.49 1.50 1.35 1.19 1.35 1.48 1.51

1100.00 893.32 206.68 6.26 6.74 6.15 5.92 5.71 6.05 1.54 1.49 1.32 1.09 0.94 0.84 0.82 1.05 1.10 1.13

999.99 888.14 111.86 6.07 5.90 5.87 5.69 5.58 5.94 1.13 0.98 0.82 0.64 0.51 0.51 0.49 0.73 0.69 0.72

899.98 862.96 37.02 6.00 5.79 5.72 5.52 5.78 6.09 NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA

1599.95 859.44 740.51 6.86 6.86 6.83 6.89 5.84 3.46 2.52 2.40 2.45 2.48 2.21 2.31 2.32 2.45 2.98 2.46

1501.34 875.15 626.18 6.70 6.69 6.66 6.69 5.72 3.23 2.29 2.36 2.43 2.36 2.32 2.16 2.01 2.52 2.72 2.35

1397.47 879.81 517.66 6.75 6.53 6.47 6.53 5.52 2.99 2.22 2.29 2.50 2.31 2.16 1.98 1.99 2.47 2.00 2.21

1306.69 889.52 417.18 6.57 6.42 6.28 6.33 5.53 2.82 2.27 2.19 2.00 1.93 1.92 1.81 1.82 1.97 1.91 1.98

1200.03 906.32 293.71 6.36 6.21 6.00 6.08 5.25 2.31 2.22 1.97 1.81 1.61 1.39 1.28 1.19 0.98 0.67 1.46

1100.15 896.65 203.50 6.29 6.07 5.81 5.86 5.11 2.17 1.81 1.51 1.11 1.06 1.16 1.19 1.09 1.32 1.29 1.28

999.99 873.99 126.00 6.11 5.90 5.57 5.66 4.96 1.93 1.51 1.26 1.19 0.34 NA NA 0.53 NA 0.37 NA



1599.95 738.79 861.16 7.04 6.59 7.13 6.92 6.02 6.05 2.45 2.60 2.68 2.70 2.26 2.41 2.13 2.12 2.83 2.46

1501.34 764.96 736.37 6.83 6.35 6.96 6.69 5.78 5.98 2.13 2.02 2.07 2.29 1.90 2.29 2.17 2.28 2.62 2.20

1450.14 788.21 661.93 6.86 6.32 6.79 6.59 5.65 6.01 1.97 1.83 1.85 2.43 2.09 2.34 2.00 2.15 2.09 2.08

1397.47 812.33 585.15 6.75 6.30 6.68 6.50 5.63 6.03 1.64 1.84 1.88 2.33 1.98 2.08 1.97 2.23 2.46 2.05

1306.69 791.56 515.14 6.69 6.16 6.51 6.31 5.59 6.03 1.90 1.75 1.96 2.31 1.85 2.04 1.75 1.88 2.32 1.97

1200.03 783.66 416.38 6.60 6.07 6.32 6.09 5.56 6.01 1.78 1.62 2.08 2.03 1.91 1.93 1.53 1.52 1.80 1.80

1100.15 779.56 320.59 6.40 5.93 6.17 5.92 5.62 6.01 1.53 1.61 1.48 1.72 1.55 1.71 1.35 1.48 1.46 1.54

999.99 768.19 231.81 6.34 5.76 5.70 5.69 5.60 6.01 1.27 1.31 1.30 1.06 0.95 1.17 0.91 1.03 1.10 1.12

899.98 724.90 175.08 6.21 5.65 5.53 5.92 6.04 NA NA NA NA NA NA NA NA NA NA




1599.95 776.19 823.76 6.84 6.73 7.13 6.96 5.94 3.38 2.20 2.03 2.09 2.58 2.15 2.41 2.26 2.02 2.67 2.27

1502.94 827.19 675.75 6.76 6.73 6.86 6.74 5.81 3.59 2.11 2.09 2.23 2.35 2.03 2.26 2.09 2.00 2.57 2.19

1450.14 830.84 619.31 6.64 6.50 6.79 6.57 5.62 2.61 2.17 1.85 1.85 2.42 2.08 2.26 1.99 1.76 2.77 2.13

1397.47 851.88 545.59 6.66 6.57 6.62 6.50 5.54 3.42 2.03 1.75 1.72 1.80 2.39 1.94 2.02 1.83 2.04 1.95

1306.69 861.27 445.43 6.57 6.40 6.48 6.33 5.53 3.31 2.34 1.71 2.06 2.16 1.92 1.90 1.69 1.81 2.17 1.97

1198.63 857.28 341.35 6.40 6.33 6.24 6.10 5.31 3.13 2.24 1.74 1.86 1.73 1.53 1.41 1.42 1.78 1.55 1.69

1101.72 858.49 243.23 6.28 6.10 6.00 5.96 5.15 3.04 2.11 1.69 1.56 1.24 1.26 1.36 1.07 1.02 1.01 1.37

999.99 833.03 166.97 6.16 6.00 5.80 5.68 5.03 2.87 1.73 1.07 1.15 0.73 0.29 NA NA 0.83 1.29 NA




Prueba VII, 15 de junio del 2011, Un espigon, H lag =libre

Prueba VI, 13 de junio del 2011, Un espigón, H lag =6.00 msnm

aforamiento niveles (msnm) velocidades cm/s

Prueba IV, 11 de junio del 2011, Sin espigones H lag =6.00 msnm

Prueba V, 12 de junio del 2011, Sin espigones, H lag =libre


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Q alimentacion Q salida Q derivacion h 0 h 1 h 3 h 4 h 5 h 6 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 V 8 V 9 V media

1450.14 885.79 564.35 6.51 6.71 6.74 6.58 5.55 5.98 2.53 2.07 1.58 2.59 2.04 2.15 1.88 1.57 2.77 2.13

1397.47 916.20 481.27 6.43 6.57 6.48 6.44 5.70 6.12 1.84 1.66 2.01 2.40 1.92 2.02 1.74 1.45 1.90 1.88

1303.66 923.67 379.98 6.27 6.48 6.30 6.23 5.52 5.95 2.28 1.90 2.00 1.91 1.84 1.88 1.56 1.39 1.54 1.81

1204.41 882.49 321.92 6.24 6.43 6.25 6.15 5.71 6.09 1.84 1.40 1.55 1.54 1.38 1.37 1.29 1.13 1.23 1.41

1101.72 878.78 222.94 5.97 6.14 5.94 5.85 5.76 5.99 1.18 1.16 1.24 0.98 0.89 1.00 0.78 0.92 0.97 1.01

1000.81 853.50 147.31 5.86 6.01 5.76 5.67 5.84 6.05 0.74 0.55 0.40 0.40 0.40 0.22 0.05 0.33 0.27 0.37


1438.16 798.85 639.30 6.84 6.94 6.85 6.60 5.93 2.88 2.51 2.25 2.01 2.54 2.28 2.33 2.21 2.12 3.05 2.37

1397.47 801.38 596.09 6.79 6.89 6.78 6.52 5.82 2.74 2.51 1.93 1.72 2.17 2.21 2.15 1.91 1.78 2.82 2.13

1309.39 809.13 500.26 6.68 6.76 6.63 6.35 5.59 2.41 2.37 1.91 1.56 2.56 1.95 2.11 1.81 1.98 2.66 2.10

1204.41 819.61 384.80 6.51 6.57 6.37 6.09 5.57 1.97 2.06 2.18 1.89 2.15 1.89 1.85 1.55 1.47 1.97 1.89

1101.72 808.02 293.70 6.36 6.42 6.17 5.89 5.48 1.76 1.92 1.67 1.58 1.50 1.56 1.61 1.48 1.32 1.39 1.56

1000.81 777.78 223.03 6.23 6.28 6.04 5.73 5.37 1.80 1.93 1.35 1.51 1.16 0.76 1.30 1.06 0.98 1.20 1.25

898.38 767.81 130.58 6.04 6.10 5.83 5.50 5.25 1.60 1.43 1.07 1.08 NA NA NA NA NA NA NA





1450.14 774.53 675.61 6.68 6.72 6.78 6.65 5.89 6.02 2.60 1.93 1.84 2.80 2.29 2.55 2.29 1.80 2.94 2.34

1397.47 823.69 573.78 6.59 6.64 6.74 6.51 5.85 6.01 2.08 1.75 1.71 2.69 2.20 2.35 2.14 2.39 2.90 2.25

1308.78 844.90 463.88 6.58 6.50 6.40 6.33 5.86 6.01 1.88 1.87 2.37 2.40 1.89 2.10 1.70 1.92 2.13 2.03

1204.41 860.79 343.62 6.30 6.19 6.18 6.10 5.93 6.00 1.82 1.61 1.53 1.68 1.58 1.30 1.29 1.34 1.39 1.50

1101.72 829.51 272.21 6.19 6.11 6.07 5.94 6.00 6.05 1.45 1.28 1.08 1.12 0.85 0.56 0.74 1.01 0.98 1.01

1000.81 822.77 178.04 6.03 5.95 5.82 5.72 5.96 6.00 1.25 1.07 0.90 0.68 0.56 NA NA 0.60 0.57 NA

898.38 819.87 78.51 5.87 5.79 5.57 5.50 6.01 6.03 0.33 0.25 NA NA NA NA NA NA NA NA



Prueba IX, 20 de junio del 2011, Siete espigones, H lag =6.00 msnm

Prueba VII, 17 de junio del 2011, Siete espigones, H lag =libre

Prueba VI, 16 de junio del 2011, Un espigon, H lag =6.00 msnm (repetición)

aforamiento niveles (msnm) velocidades cm/s


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6.e.1 CURVAS DE DESCARGA A continuación se muestran los resultados obtenidos de la experimentación. En la gráfica 2, se muestra la curva de descarga de la estructura derivadora, trabajando el río sin espigones. En el eje horizontal se graficó el gasto de alimentación al modelo, mientras que en el eje vertical derecho se graficó el nivel de la superficie libre del agua, medido en la parte central de la curva del río cerca del inicio de la derivación (Sonda CH1), como se mostró en la fig. 52, y en el eje vertical izquierdo el caudal derivado. Se muestran dos condiciones de salida: i) una cuando la laguna está vacía y la derivación descarga libremente (hlibre); ii) la descarga del canal cuando la laguna se presenta llena y tiene un nivel correspondiente a la cota 6.00 msnm (h6msnm).

Gráfica 2. Curva de descarga de la estructura DERIVADORA, sin espigones sobre el río de

la sierra

QD=1450 m³/s

Hlag=6.0 msnm


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OBSERVACIONES: Bajo la condición analizada se observa a la condición de diseño (1450 m³/s) que:

a) Se derivan 500 m³/s cuando la laguna se encuentra al nivel de 6.00 msnm; mientras que cuando la laguna esta sin carga y el flujo corre libremente se alcanza un caudal de derivación de 570 m³/s.

b) Cuando la laguna esta a la cota 6.00 msnm, y el nivel en el río a la entrada de la derivación es menor, la primera puede ingresar caudal al río. En la grafica esta condición se encuentra aproximadamente a gastos en el río menores a 1050 m³/s. El caudal medido debajo de éste, no corresponde y se debe a que la laguna no tenía capacidad de alimentar el modelo, por lo que no mantuvo su nivel de 6.00msnm, lo que permitió que siguiera derivando.

c) El canal deja de derivar a caudales menores a 800 m³/s cuando escurre libremente-

En la gráfica 3 se repiten los valores de la gráfica 2, pero ahora se consideró que la estructura derivadora trabajó con un espigón sobre el río de la Sierra. En el eje horizontal se graficó de nueva cuenta el gasto de alimentación al modelo, mientras que en el eje vertical derecho el nivel de la superficie libre del agua, medido en la parte central de la curva del río cerca del inicio de la derivación (Sonda CH1), como se mostró en la fig. 52, y en el eje vertical izquierdo el caudal derivado. Se muestran dos condiciones de salida: i) una cuando la laguna está vacía y la derivación descarga libremente (hlibre); ii) la descarga del canal cuando la laguna se presenta llena y un nivel correspondiente de 6.00 msnm (h6msnm). En este caso se repitió la prueba a 6 msnm dos veces, debido a que en la primera ocasión no se tomaron las velocidades. Se muestran ambos resultados.

Gráfica 3. Curva de descarga de la estructura DERIVADORA, un espigones sobre el río de la

sierra QD=1450 m³/s

Hlag=6.0 msnm


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c) El canal deja de derivar a caudales menores a 800 m³/s cuando escurre libremente.

En la gráfica 4 se muestran los resultados con e rio trabajando con siete espigones, que es la condición final de diseño de la obra. En el eje horizontal se graficó el gasto de alimentación al modelo, mientras que en el eje vertical derecho el nivel de la superficie libre del agua medido en la parte central de la curva del río cerca del inicio de la derivación (Sonda CH1), como se mostró en la fig. 52, y en el eje vertical izquierdo el caudal derivado. De nueva cuenta se modelan dos condiciones de salida: i) una cuando la laguna está vacía y la derivación descarga libremente (hlibre); ii) la descarga del canal cuando la laguna se presenta llena y un tirante correspondiente de 6.00 msnm (h6msnm).

Gráfica 4. Curva de descarga de la estructura DERIVADORA, siete espigones sobre el río de

la sierra

QD=1450 m³/s

Hlag=6.0 msnm


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c) El canal deja de derivar a caudales menores a 600 m³/s cuando escurre libremente

En la siguiente gráfica se agrupan todas las pruebas realizadas y sus valores.

QD=1450 m³/s


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a) La derivación se encuentra en un rango de 500 a 675 m³/s bajo las tres alternativas estudiadas

b) La derivación deja de funcionar para caudales en el río menores a 600 m³/s bajo condiciones de escurrimiento libre, con los siete espigones y aproximadamente a 1000 m³/s

6.e.2 VELOCIDADES Y LÍNEAS DE FLUJO En las siguientes gráficas se muestra el comportamiento de la velocidad medida en la parte central del tapete (Figura 52), y en las figuras 103 a 106 se muestra el comportamiento de las líneas de flujo sobre la derivación. En este primer caso el río trabaja sin espigones.

Gráfica 5.Curvas de velocidades en la plantilla, condición sin espigon, hlag=6 msnm


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Gráfica 6.Curvas de velocidades en la plantilla, condición sin espigon, hlag=libre

OBSERVACIONES:

a) Se aprecian velocidades cercanas en el rango de 2 a 2.5 m/s, para la condición de 1450 m³/s, para condiciones libres y con la laguna a la cota 6.00 msnm. Estas velocidades no son excesivas para la parte con recubrimiento, pero pueden ocasionar erosión al final del canal derivador.


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Figura 103. Lineas de flujo I, rio trabajando sin espigones, NIVEL de la laguna de 6.00

msnm.

Figura 104. Lineas de flujo II, rio trabajando sin espigones, NIVEL de la laguna de 6.00

msnm.


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Figura 105. Lineas de flujo III, rio trabajando sin espigones, NIVEL de la laguna de 6.00

msnm.

Figura 106. Lineas de flujo IV, rio trabajando sin espigones, NIVEL de la laguna de 6.00

msnm.


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OBSERVACIONES:

a) Las mayores velocidades coinciden con las líneas de flujo y van pegadas a los extremos del canal, especialmente en su margen izquierda. Se aprecia también (fig 103 y 104) una ligera desviación de las líneas de flujo, que no entran paralelas al canal de derivación sino con un ángulo cargado hacia la margen izquierda.

b) En lo que respecta al cauce del río, se aprecia (fig. 105 y 106) una zona de recirculación en la margen izquierda frente a la derivación. Esta zona es susceptible a presentar sedimentación.

En las siguientes gráficas se muestra el comportamiento de la velocidad medida en la parte central del tapete (Figura 52), y en las figuras (107 a 112) se muestra el comportamiento de las líneas de flujo sobre la derivación. En este primer caso el río trabaja con un espigón.

Gráfica 7. Curvas de velocidades en la plantilla, condición un espigon,

hlag=libre


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Gráfica 8. Curvas de velocidades en la plantilla, condición un espigon, hlag=6.00 msnm

OBSERVACIONES: Se aprecian velocidades cercanas en el rango de 2 a 2.5 m/s, para la condición de 1450 m³/s, para condiciones libres y con la laguna a la cota 6.00 msnm. Estas velocidades no son excesivas para la parte con recubrimiento, pero pueden ocasionar erosión al final del canal derivador.

Figura 107. lineas de flujo i, río trabajando con un espigon, nivel de la laguna 6.00 msnm


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Figura 108. lineas de flujo Ii, río trabajando con un espigon, nivel de la laguna 6.00 msnm

Figura 109. lineas de flujo iII, río trabajando con un espigon, nivel de la laguna 6.00 msnm


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Figura 110. lineas de flujo iV, río trabajando con un espigon, nivel de la laguna 6.00 msnm

Figura 111. lineas de flujo V, río trabajando con un espigon, nivel de la laguna libre


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Figura 112. lineas de flujo Vi, río trabajando con un espigon, nivel de la laguna libre

OBSERVACIONES:

a) Las mayores velocidades coinciden con las líneas de flujo y van pegadas a los extremos del canal, especialmente en su margen izquierda. Se aprecia también (fig 107 a 110) una desviación de las líneas de flujo, que no entran paralelas al canal de derivación sino con un ángulo cargado hacia la margen izquierda.

b) En lo que respecta al cauce del río, se aprecia (fig. 111 y 112) que con el espigón la zona de recirculación es mayor en la margen izquierda frente a la derivación. Esta zona es susceptible a presentar sedimentación.


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En las siguientes gráficas se muestra el comportamiento de la velocidad medida en la parte central del tapete (Figura 52), y en las figuras 113 a 118 se muestra el comportamiento de las líneas de flujo sobre la derivación. En este primer caso el río trabaja con siete espigones que será la condición de diseño.

Gráfica 9. Curvas de velocidades en la plantilla, condición siete espigones, hlag=6.00 msnm

Gráfica 10. Curvas de velocidades en la plantilla, condición siete espigones, hlag=libre Se aprecian velocidades cercanas en el rango de 2 a 2.5 m/s, para la condición de 1450 m³/s, para condiciones libres y con la laguna a la cota 6.00 msnm. Estas velocidades no son excesivas para la parte con recubrimiento, pero pueden ocasionar erosión al final del canal derivador.


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Figura 113. lineas de flujo i, RIO trabajando con siete espigones, nivel de la laguna 6.00

msnm

Figura 114. lineas de flujo Ii, RIO trabajando con siete espigones, nivel de la laguna 6.00

msnm


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Figura 115. lineas de flujo III, RIO trabajando con siete espigones, nivel de la laguna 6.00

msnm

Figura 116. lineas de flujo iV, RIO trabajando con siete espigones, nivel de la laguna 6.00

msnm


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Figura 117. lineas de flujo V, RIO trabajando con siete espigones, nivel de la laguna

libre

Figura 118. lineas de flujo V, RIO trabajando con siete espigones, nivel de la laguna libre


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OBSERVACIONES:

a) Las mayores velocidades coinciden con las líneas de flujo y van pegadas a los extremos del canal, especialmente en su margen izquierda. Se aprecia también (fig 113 y 114) una desviación de las líneas de flujo, que no entran paralelas al canal de derivación sino con un ángulo cargado hacia la margen izquierda.

b) En lo que respecta al cauce del río, se aprecia (fig. 115 y 116) que con los siete espigones, se sigue presentando la zona de recirculación es mayor en la margen izquierda frente a la derivación. Esta zona es susceptible a presentar sedimentación.

c) En las figuras (117 y 118), se aprecia el efecto de los espigones en el cauce. Se observan zonas de recirculación sobre la margen derecha entre los espigones que modificaran sustancialmente la morfología del cauce en esa zona. Aumentará la velocidad del flujo y posibilitará el ataque a la margen izquierda.


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6.e.3 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

a) Uno de los objetivos del diseño de la estructura derivadora propuesta fue controlar la descarga a un gasto de 515 m3/s mediante el uso de un vertedor lateral, para un gasto de Diseño de 1800 m³/s y un nivel de la laguna de 6.00 msnm aguas abajo. Sin embargo, del estudio experimental se encontró que el gasto máximo que puede circular por el río sin desbordar es de 1450 m³/s.

b) Con 1450 m³/s y un nivel de la laguna a 6.00 msnm, la descarga del canal es del orden de 640 m³/s considerando la condición actual del río (siete espigones).

c) En la condición de diseño, pero en el caso de que la laguna se encuentre en niveles bajos y permita el libre escurrimiento del canal se pueden alcanzar gastos de derivación del orden de 675 m³/s

d) En caso de caudales menores a 1000 m³/s y cota de la laguna a 6.00 msnm, se tiene la posibilidad de que la laguna ingrese agua al río por diferencia de niveles, ya que a esa condición el río tiene un nivel inferior al de la laguna.

e) En caso que la condición de diseño fuera menor, por ejemplo 1200 m³/s, el caudal que se deriva disminuye considerablemente del orden de los 320 a 380 m³/s, dependiendo de la condición de la laguna.

f) Las velocidades al final de la plantilla del canal son fuertes, por lo que se recomienda un recubrimiento de roca

g) Los espigones en el cauce originan una fuerte contracción del mismo, y el beneficio en cuanto al caudal derivado es del orden de entre el 40 y 20% aproximadamente, si es a la cota 6.00 msnm en la laguna o escurrimiento libre, respectivamente.

h) En general a partir de los 800 m³/s la estructura ya no deriva un caudal significativo; para caudales de hasta 1200 m³/s deriva del orden del 30% del caudal que circula por el río; aunque, para caudales mayores puede llegar hasta un 50% del mismo.

BIBLIOGRAFÍA 1. PCN, (2009), Estudio y proyecto ejecutivo de la derivación Sabanilla y su correspondiente

protección marginal M.D. del ríos de la Sierra, Municipio de Centro, Estado de Tabasco, Constructora PCN. S.A. DE C.V. Sep, 2009. Pp. 14

2. Echávez Aldape G. “Introducción a los modelos Hidráulicos de Fondo Fijo y a la Ingeniería Experimental, UNAM, 1996. Pp. 155

3. Vergara Sánchez M. (1993), Técnicas de modelación en hidráulica. Ed. Alfaomega. Pp. 297 4. BS 3680: Part 4A, (1981). Liquid flow in open channels. British Standar methods of

measurement. Pp. 1-21.


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ANEXOS

HOJAS DE LABORATORIO

Documents

Capitulo 6. Construccion y pruebas de la estructura ... · de modelos físicos a escala reducida o de tipo analógicos (Vergara, 1993). En hidráulica, el término modelo corresponde