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UNC - Estructuras hidráulicas – Vertedero Lateral. Página 1


I. INDICE

Contenido

I. INDICE ___________________________________________________________ 2

II. INTRODUCCION ____________________________________________________ 3

III. OBJETIVOS ______________________________________________________ 4

IV. IMPORTANCIA ___________________________________________________ 4

V. HISTORIA _________________________________________________________ 5

VI. DESARROLLO DEL TEMA ___________________________________________ 6

VII. EJERCICIOS APLICATIVOS. _________________________________________ 17

VIII. CONCLUCIONES _________________________________________________ 20

IX. BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS. ____________________________________ 21


II. INTRODUCCION

En la ingeniería civil el trabajo en obras hidráulicas que comprenden canales es muy

frecuente, y a veces por algunos cambios climatológicos suceden grandes

precipitaciones que hacen que los caudales aumenten de manera rigurosa, para poder

evitar la excedencia de gastos o caudales que suceden muy a menudo se ideo una

estructura que sirva para regular estos caudales, llamada vertedero lateral que tiene

como función básica la de controlar excedencia.

Un buen ingeniero debe saber cómo funciona esta estructura y su realizar su diseño

es por eso que se desarrolló el siguiente trabajo con el fin de proporcionar al

estudiante los medios utilizados científicos y técnicos utilizados para un buen diseño; y

que al momento de tener la necesidad de realizar algún tipo de trabajo que esté

relacionado con excedencias en canales esté preparado.


III. OBJETIVOS

1. Objetivos generales:

Conocer que es un vertedero

Diseñar un vertedero lateral

2. Objetivos específicos:

Conocer cuáles son las funciones de los vertederos

Determinar los tipos de vertederos

Aplicar los conocimientos a un ejercicio aplicativo

IV. IMPORTANCIA

Su importancia consiste en evacuar el exceso de caudal que se pueda presentar en

dicho canal.

Esencialmente es una obra de defensa, control y regulación de caudal excesivo que

sucede de un definido tipo de obra general (acueductos y alcantarillados, distritos de

riesgo, presas, etc.)

También son importantes debido a que no son necesarias compuertas móviles, de

manera que la obra de aliviadero prácticamente no requiere trabajos de

mantenimiento.


V. HISTORIA

La ecuación fundamental para el flujo variado espacialmente con descarga creciente,

fue establecida en primer lugar por Hinds para el diseño de vertederos laterales.

Una ecuación mas completa fue desarrollada por Favre, incluyendo el término de la

fricción y una componente de la velocidad afluente en dirección del eje del canal.

La teoría del flujo variado espacialmente con descarga decreciente fue empleada en

primer lugar en el diseño de vertederos laterales.

Primeras pruebas de laboratorio

Las primeras pruebas de laboratorio fueron desarrolladas por Engels, Coleman y

Smith. Forchheimer desarrolló el problema de los vertederos analíticamente pero

suponiendo que la línea de energía sea paralela a la cresta del vertedero y al fondo del

canal, a su vez suponiendo un perfil lineal.


VI. DESARROLLO DEL TEMA

1. MARCO TEORICO

1.1. GENERALIDADES

Otra estructura utilizada en los proyectos hidráulicos (más frecuentemente que los

orificios) está constituida por los vertederos en sus distintas variantes, de los

cuales existen, según la aplicación, diferentes diseños.

Ya sea como estructura de control de aprovechamientos hidráulicos o bien como

estructura para medición de caudales en obras de saneamiento, su aplicación es

muy difundida y una de las razones es porque permiten tener un adecuado control

del caudal por encima de su cresta siendo necesario únicamente medir una

variable que es el tirante sobre dicha cresta.

Según la forma geométrica del contorno de apertura, pueden distinguirse

vertederos rectangulares, trapeciales, triangulares, parabólicos, etc.

Además, según el espesor de la pared del vertedero o, más precisamente, la forma

en que la vena líquida toca la parte superior de la estructura, se clasifican en

Vertederos de Pared Gruesa o Delgada.

1.2. ¿QUÉ ES UN VERTEDERO?

Se llama vertedero, a un dispositivo hidráulico que consiste en una escotadura a

través de la cual se hace circular el caudal que se desea determinar. En general un

vertedero suele tener una de las dos finalidades siguientes: medir caudales y/o

permitir el rebose del líquido contenido en un reservorio o del que circula en un río

o canal y pueden ser de pared delgada, gruesa o irregular.

FIGURA N° 01

DONDE:

h = carga sobre el vertedero, espesor del chorro medido sobre la cresta.

L = longitud de cresta del vertedero (pared horizontal de la escotadura en

contacto con el líquido).

d = distancia donde se realiza la lectura de la descarga, igual o mayor que 4h.


1.3. FINALIDAD DE UN VERTEDERO

Las principales finalidades para las que se construye esta estructura hidráulica es:

Garantizar la seguridad de la estructura hidráulica, al no permitir la

elevación del nivel aguas arriba, por encima del nivel máximo.

Garantizar un nivel con poca variación en un canal de riego, aguas arriba.

Construirse en una parte de una sección de aforo del río o arroyo.

1.4. CLASIFICACIÓN DE LOS VERTEDEROS

Hay diferentes clases de vertederos según la forma que se obligue a adoptar a la

sección de la vena líquida que circula por la escotadura, de modo que puede ser:

rectangular, trapezoidal, triangular, circular o de cualquier otra sección curva.

Por su localización en relación a la estructura principal:

Vertederos frontales.

VERTEDEROS LATERALES.

Vertederos Tulipa, (situados fuera de la presa)

De acuerdo al ancho de la cresta, los vertederos pueden ser:

De cresta aguda

FIGURA N°02

De cresta ancha

FIGURA N°03


2. DEDUCCION DE FORMULAS USADAS

A) Definición:

El vertedero lateral o aliviadero lateral es una estructura hidráulica destinada a

permitir el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales,

usados en canales para eliminar excesos de gasto presentando particularidades

interesantes.

B) CALCULO DE DIMENSIONES Y CAUDAL

B.1) DEDUCCION ANALITICA:

Aunque no podemos estimar en forma racional todas las circunstancias que rodean a

este fenómeno podemos formarnos idea de algunas de ellas.

Si uno de los lados de un canal tiene el canal de una barrera de altura “a”

menor que la altura final “H1” de la figura parte del gasto “Q0” que viene será

eliminado por encima de la barrera quedando un sobrante “Q1” en el canal.

En el vertedero hay que considerar 3 particularidades propias del fenómeno, y que las

enumeraremos según su importancia:

a) Perturbaciones en los extremos del vertedero: La primera cuestión se refiere

al despegue de los filetes del borde anterior del vertedero lateral y al choque

contra el borde de aguas abajo; ambas se traducen en disminución de la

longitud útil del vertedero, disminución que aumentara de importancia

absoluta si las velocidades del canal del canal son grandes y importancia

relativa si la longitud “L” del vertedero es pequeña.

Normal Resultante


Para este aspecto no existe experimentación sistemática, pero se acepta para

vertederos laterales de longitud menor de cinco veces la carga, una disminución

de la longitud útil de por lo menos 0,2h (h: carga sobre la cresta del vertedero

lateral), despreciando su efecto cuando la longitud del vertedero lateral es mayor.

b) Segundo aspecto se refiere a la fórmula de caudal que pasa sobre el

vertedero lateral, ya que las que se encuentran normalmente son empíricas.

En las formulas experimentales cuando el régimen del canal frente al vertedero es de

régimen subcrítico o tranquilo son dadas en función de la cargar final, caso a.

Y cuando dicho es régimen es torrencial o supercrítico está en función de la carga

inicial, caso b.

F<1 F>1

Aceptada la hipótesis de variación lineal de la carga en un punto que dista x del

comienzo del vertedero:

La carga en el caso a vale:

hx=

Donde (h1-h0)/L es una pendiente.

La carga en el caso b vale:

hx=

Donde (h0-h1)/L es una pendiente.

Luego tenemos, la fórmula de gasto o caudal en vertederos:

Q= m *(2g)1/2*L*hx3/2

dQa= m *(2g)1/2 *hx3/2dx


dQb= m *(2g)1/2 *hx3/2dx

Despues :

dQa= m *(2g)1/2 *

)3/2x

dQb= m *(2g)1/2 *

)3/2x

Integrando el gasto total que escurre sobre el vertedero sera:

Qa= m *(2g)1/2 ∫

)3/2 dx

Qb= m *(2g)1/2 ∫

)3/2 dx

Desarrollo de la integral


El coeficiente “m” dependera de algunos parametros como carga “h” y altura de barrera (m) .

Qa= m *(2g)1/2 * L*

Qb= m *(2g)1/2 * L*

O que es lo mismo, introduciendo el parametro k=

(Ka o Kb, según los casos):

Qa=

⁄

√

Qb=

⁄

√


Es decir, que podemos calcular el gasto del vertedero lateral multiplicando por un coeficiente el gasto que daria la carga final en todo el vertedero en el caso de carga creciente hacia aguas abajo, y por otro coeficiente el gasto que daria la carga inicial, cuando esta es decreciente.Los coeficientes que llamaremos Φ son, pues:

Φ =

⁄

Φ =

⁄

Por lo tanto:

Qa= Φ √ -----------Subcritico

Qb= Φ √ -----------Supercritico

C) Valores de coeficientes: m, Φ.



B.2) Según la Autoridad Nacional Del Agua (ANA) tenemos:

Criterios de Diseño En el diseño de vertedero la ANA se considera la fórmula de Forcchheiner y hace sus cálculos basándose en una carga promedio que es:

hx=

El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel caudal

que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel máximo de su caja hidráulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como de máxima avenida.

El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente de caudal, siempre quedará un excedente que corresponde teóricamente a unos 10 cm encima del tirante normal.

La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn y este se calcula con el caudal de diseño del canal. Siguiendo la fórmula de Manning.

Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de fórmulas, a continuación se describe la fórmula de Forchheiner

Donde

V=0.95

µ=coeficiente de contracción

L=longitud del vertedero

h=carga promedio encima de la cresta

Los problemas que se presentan en general son sobre el cálculo de la longitud que es

menester darle para evacuar un exceso de gasto o caudal dado; o bien cuánta agua

sale por un vertedero lateral de condiciones de barrera y de longitud dadas.


El flujo del canal, deberá ser siempre subcrítico, entonces:

*Consideraciones de diseño. La fórmula da buena aproximación cuando se cumple:

Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar diferentes valores, según la forma que adopte la cresta, estos valores son los de “µ”.


El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se está eliminando por la ventana o escotadura del canal, cruza un camino, frecuentemente se utilizan cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del vertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c ó d.


VII. EJERCICIOS APLICATIVOS.

Ejercicio 1

Un canal trapezoidal de rugosidad 0.014 con taludes 1: 1 plantilla 1 m y pendiente 1 o/oo, recibe en épocas de crecidas un caudal de 9 m3/s., el canal ha sido construido para 4 m3/s, pero puede admitir un caudal de 6 m3/s. Calcular la longitud del aliviadero para eliminar el exceso de agua.

Solución

1. Cálculo de los tirantes, usando formula de Manning.


YMax= 1.71 m Q=9m3/s Altura para caudal de máxima avenida. Yn= 1.17 m Q=4m3/s Altura de barrera calculado con caudal para el cual estuvo construido el canal. Y2= 1.42 m Q=6m3/s Caudal admisible del canal. 2) Cálculo de h(carga promedio) h2= (Y2-Yn)=0.25 m h1= 0.8 x h2= 0.2 m Consideración de diseño Q = 9-6= 3 m3/s Caudal que circula por encima del tirante normal que es igual a Caudal máxima avenida menos caudal máximo admisible del canal h = (h1+h2)/2=(0.2 +0.25)/2= 0.225 m 3) Caudal a evaluar

Q = 3 m3/s 4) Cálculo de L, por formula de Forchheiner. Para μ = 0.5 y aplicando ecuación:


Ejercicio 2

Resolver el ejercicio anterior empleando consideraciones de Weisbach

h = se considera un 60% del borde libre, como un criterio práctico de diseño y según el problema anterior se tiene:

1. Cálculo de los tirantes son los mismos del ejercicio anterior.

2. Cálculo de h(carga promedio) y Caudal evaluado.

Nota: Comparando los ejercicios anteriores se puede concluir que WEISBACH da vertederos muchos más cortos que Forchheiner, razón por la cual recomendamos el uso de la fórmula de Weisbach, además ésta ha sido utilizada con buenos resultados en el Departamento de Lambayeque.


VIII. CONCLUCIONES

Se pudo conocer que es un vertedero y como es su funcionamiento el

cual se expuso en el desarrollo del tema

Se conoció los criterios para diseñar un vertedero lateral, siguiendo un

criterio analítico y otro practico.

Se logró conocer cuáles son las funciones de los vertederos y en qué

condiciones presentan.

Se determinó algunas clases de vertederos, más específicamente se

desarrolló el vertedero lateral

Aplicamos los conocimientos adquiridos por la investigación que

demando este trabajo y pudimos resolver un diseño de vertedero lateral.


IX. BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS.

Hidraulica; Francisco Javier Dominguez S.; Editorial Universitaria

Manual: criterios de diseños de obras hidraulicas para la formulacion de

proyectos hidraulicos multisectoriales y de afianzamiento hídrico;

Autoridad Nacional del Agua (ANA)

http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Froude

http://es.wikipedia.org/wiki/Vertedero_hidr%C3%A1ulico

http://artemisa.unicauca.edu.co/~hdulica/2_vertederos.pdf

http://www2.scielo.org.ve/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0556-

66062009000200004&lng=es&nrm=Iso&tlng=es

http://www.monografias.com/trabajos19/canales/canales.shtml

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