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8/12/2019 RPIDAS ESCALONADAS
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06/06/2014 NESTOR RAUL GARCA T. 1
RPIDAS ESCALONADAS(STEPPED SPILLWAYS)
NESTOR RAUL GARCA T.
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INTRODUCCIN
Nuevos diseos y tcnicas de construccin para facilidadesde vertimiento y segura disipacin de energa.
Un diseo de vertedero escalonado incrementa la tasa deenerga disipada y elimina la necesidad de poner un grandisipador de energa en el pie del vertedero
En las ltimas dos dcadas las rpidas escalonadas hangenerado popularidad.
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RESEA HISTRICA (1)
El desarrollo histrico de las rpidas escalonadas tieneaproximadamente 3000aos.
La ms antigua rpida escalonada en el mundo espresumiblemente el vertedero Akarnania, Grecia.
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RESEA HISTRICA (2)
Sistemas de riego en Yemen y Per incluan escalones paraasistir en la disipacin de energa.
Del siglo XVI al XVIII, grandes rpidas escalonadas fueronconstruidas en Europa e India.
Desde principios del siglo XX, vertederos escalonados hansido diseados para disipar energa.
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RESEA HISTRICA (3)
New Croton Dam
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DISIPACIN DE ENERGA (1)
En una rpida escalonada existen 2 tipos de flujo:
1. Flujo de escaln en escaln (Nappe Flow)
Se presenta para caudales bajos y escalonesrelativamente altos.
La cabeza de prdida en cada escaln es igual a lacabeza de altura.
Este patrn de flujo ocurre para:
h: altura del escaln dc: profundidad crtica l: long. escaln
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DISIPACIN DE ENERGA (2)
NAPPE FLOW
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DISIPACIN DE ENERGA (3)
2. Flujo rasante (Skimming Flow)Para pequeos escalones y grandes caudales, el aguausualmente pasa rozando los bordes de los escalones.
Transicin entre Nappe y Skimming Flow.
2003)Hagery(Boestan14.091.0 s
hc
hc: Profundidad crtica s: Altura escaln
= ngulo del vertedero
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DISIPACIN DE ENERGA (4)
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DISIPACIN DE ENERGA (5)
SKIMMING FLOW
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CONFIGURACIN DE LAAIREACIN (1)
Elevadas presiones negativas pueden producir deteriorosen la estructura de cavitacin.Introducir aire en el flujo de agua.
Comienzo de la aireacin en una rpida escalonada
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CONFIGURACIN DE LAAIREACIN (2)
La gran turbulencia produce choques y despegues con losescalones que favorecen la entrada de aire en los mismos,
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CONFIGURACIN DE LAAIREACIN (3)
Determinacin del comienzo de la aireacin.
L: diferencia entre cotas entre la coronacin del
vertedero y el punto medio de este escaln.H: Altura de los escalones.
q: Caudal unitario.
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CONFIGURACIN DE LAAIREACIN (4)
Efectos de la entrada del aire.
C: % concentracin de aire. Y: Profundidad del canal.
Y90: Profundidad caracterstica de C=90%.
D:factor adimensional de la difusibilidad turbulenta.
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DISEO (1)
Chanson (1999) propuso un mtodo de prediseo.Fig1. Velocidad residual aguas abajo al final de un vertedero
escalonado con flujo rasante. Comparacin con canales lisos.
cd
Hvs
V
V 1
max
H1: Cabeza total aguas arriba
dc: Profundidad crtica
Vmax: velocidad terica aguas abajo
V: Velocidad media del flujo.
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DISEO (3)
Diseo hidrulico propuesto por Boes y Hager (2003)
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DISEO (4)
Se tiene: Hdam, b, ,Qd, material, espesor escaln.Seleccin de ancho de la rpida.
b= Ancho del ro aguas abajo.
Se tiene: Hdam, b, ,Qd, material, espesor escaln.Seleccin de ancho de la rpida.
b= Ancho del ro aguas abajo.
Seleccin de la altura del escaln (s) y rgimen de flujo.b
Q
q d
d
tan14.091.0 s
hc
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DISEO (6)
Concentracin de aire promedia para flujo uniforme.
Obtencin del flujo uniforme
Energa disipada
1. Para flujo uniforme
Fb: factor de friccin
u
uw
u
h
hC
,90
,1
3/2, )(24 senh
H
c
udam
3/21/3b
c
dammax
)8(
2cos)
8.sen
F(F
h
H
F
sen
F
FH
H
b
res
cdam
reshH
H
H5.1H
max
max
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DISEO (7)
Dh,w: Dimetrohidrulico = 4hw,u: Coeficiente de correccin de
energa = 1.1
2. Para flujo no uniforme:
Dh,w=4hw,e
hw,e: Prof. De agua claraequivalente requerida en elvertedero.
c
dam
wh
res
h
Hsen
D
k
H
H])()(045.0exp[ 8.01.0
,max
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DISEO (8)
Diseo de los muros laterales
hd= h90,u: Factor de seguridad=
1.2 presas de concreto sin problemas de erosin.
1.5 presas de terraplen con problemas de erosin.
hd: Altura de los muros.
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MEDIDA DE VELOCIDADES(1)
Rpida prepara medida de velocidades
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MEDIDA DE VELOCIDADES(2)
Modelo de ms de 7m de altura para estudio de rpidas escalonadas
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MEDIDA DE VELOCIDADES(3)
Mtodo de filmar mediante cmara de alta velocidad deobturacin.La rpida se divide en tramos equidistantes y conocida la
velocidad de filmacin, se obtiene el tiempo que tarda cadaindicador en recorrer cada tramo.
V: velocidad de referencia h: altura vertido
A OC A S
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MEDIDA DE VELOCIDADES(4)
Curvas de velocidades-alturas en una rpida escalonada
OBTENCIN DE LAS
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OBTENCIN DE LASPRDIDAS DE ENERGA
dc: Profundidad crtica H: Altura del escaln
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RPIDAS ESCALONADAS ENPRESAS DE TIERRA (1)
Le Grande
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RPIDAS ESCALONADAS ENPRESAS DE TIERRA (2)
Ingenieros soviticos fueron los primeros en proponer undiseo de vertedero escalonado de concreto en la caraaguas abajo de presas de tierra.
El sistema de bloques de concreto tiene flexibilidad en lacama del canal escalonado y corto tiempo de construccinin situ .
Los bloques descansan sobre un filtro y una capa que
protege contra la erosin.Drenes son colocados en reas de presin negativa.
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RPIDAS ESCALONADAS ENPRESAS DE TIERRA (3)
Consideraciones de diseo:
Flujo rasante en un vertedero prismtico recto.Las tpicas pendientes de los muros laterales con
1V:3H.
La calidad del drenaje es muy importante.
La pendiente de la cama es moderada (
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RPIDAS ESCALONADAS ENPRESAS DE TIERRA (4)
Zarays dam
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Melton dam
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Salado
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FOTO 2.Rpida prepara para medida
de velocidades.FOTO 3.Modelo de ms de 7 m de altura
para esturio de rpidas escalonadas