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8/18/2019 Estudio de Procesos de Erosion Aguas Abajo de Vertedores Laberinto
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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
ESTUDIO DE PROCESOS DE EROSIÓN AGUAS ABAJO DEVERTEDORES LABERINTO
Proyecto de Grado, Presentado Para Optar al Diploma Académico de
Licenciatura en Ingeniería Civil.
Presentado por: HORACIO BRAYAN BRAÑEZ SAAVEDRA
Tutor: M.Sc. Ing. Mauricio Romero Mérida
COCHABAMBA – BOLIVIA
Marzo, 2008
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DEDICATORIA
A mis padres,
Sabiendo que jamás existirá una forma de agradecer en esta vida
de lucha y superación constante, deseo expresarles que mis ideales,
esfuerzos y logros han sido también suyos y constituye el legado
más grande que pudiera recibir.
Con cariño, admiración y respeto.
Horacio Brayan
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AGRADECIMIENTOS
A mi familia por el eterno apoyo moral y estímulos brindados con infinito amor y
confianza.
Al Ing. Mauricio Romero por la amistad, el apoyo técnico y moral para hacer
posible este Proyecto.
A los Ingenieros Galo Muñoz, Marco Escobar, Edgar Montenegro por su apoyo y
colaboración.
A Julio Janko, Tatiana, y todo el personal del Laboratorio de Hidráulica por la
comprensión y la amistad brindada.
A los docentes por sus consejos y enseñanzas, haciendo de mí una persona de
bien.
A la Universidad por abrirme las puertas y cobijarme hasta la culminación mi
Carrera profesional.
Y a todos mis amigos y compañeros por la amistad, por lo que ha sido y será.
Gracias.
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FICHA RESUMEN
Un vertedor laberinto se caracteriza por el incremento de la longitud total de cresta que se
logra variando la forma del vertedor en planta, la cual consta de un eje poligonal,
generalmente con la misma forma triangular o trapezoidal, repetida periódicamente. Deaquí, que para un mismo ancho de canal de aproximación, el vertedor laberinto presenta
una longitud de descarga mayor que un vertedor recto. Por consiguiente, para un mismo
tirante de agua sobre la cresta, la descarga por unidad de ancho es sustancialmente
incrementada.
De esta manera, los vertedores laberinto se constituyen en una alternativa apropiada cuando
se trata de elevar el nivel de agua, y donde se cuenta con una cota de inundación en lospoblados aguas arriba de la estructura, la cual no es deseable alcanzar.
Por otro lado, la erosión en el fondo de un curso de agua, en el lugar en donde se implanta
una estructura, es una de las causas hidráulicas mas frecuentes de fallo cuando afectacimentaciones imperfectas o insuficientes. A raíz de ello, se ha realizado un estudio con
vertedores laberinto en lechos horizontales, cuyo objetivo principal es el de contribuir al
conocimiento sobre los procesos de erosión aguas abajo asociados a estas estructuras.Adicionalmente, como un aporte al diseño óptimo de vertedores laberinto, se proponen
medidas de protección sobre la base de los resultados de la fase experimental.
La fase experimental (modelación física) se llevo a cabo en el Laboratorio de Hidráulica de
la Universidad Mayor de San Simón, el cual cuenta con un canal de pendiente regulable de
18 m de longitud y sección rectangular de 0.80 m de ancho. Se realizaron pruebas condiferentes vertedores laberinto con la variable principal del ángulo de abertura entre sus
brazos y el ángulo de inclinación de la cresta. Se ensayaron 8 vertedores, cada uno concaudales de 10, 20 y 30 l/s, determinados con la finalidad de asegurar el funcionamiento delos vertedores en condiciones aireadas. La cuantificación de los montos de socavación fue
posible con el uso de un Escáner Láser fabricado en Universidad de Aalborg (Dinamarca).
Este equipo es capaz de realizar relevamientos de las superficies erosionadas con una
precisión de 1 mm en las lecturas. Adicionalmente, se realizaron mediciones de tirantes deagua sobre la cresta y longitudes efectivas de descarga.
A partir de un modelo digital de elevaciones, se determinaron las principales variables delos lechos erosionados como volumen erosionado, profundidad máxima de socavación,
longitud máxima de erosión, área erosionada en planta y altura máxima de berma.
Para el análisis cualitativo de los procesos de erosión, se determinaron 5 números
adimensionales con los cuales se elaboraron gráficos adimensionales para describir el
comportamiento de los procesos de erosión frente a los parámetros de vertedor h/P (tirante
de agua/altura de cresta), Cd (coeficiente de descarga), y longitud efectiva de descarga.
Finalmente, se exponen las medidas de protección propuestas que se constituyen en la
aplicación de revestimiento de enrocado (rip-rap), y estanques amortiguadores.
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Dedicatoria i
Agradecimientos iiFicha Resumen iii
Índice General iv
Índice de Figuras viii
Índice de Tablas xiii
CAPITULO 1
GENERALIDADES Página
1.1 Introducción ……………………………………………………………… 1
1.2 Antecedentes …………………………………………………………… 1
1.3 Justificación ……………………………………………………………… 5
1.4 Objetivo general ………………………………………………………… 6
1.5 Objetivos específicos …………………………………………………… 6
1.6 Resultados intermedios ………………………………………………… 6
1.7 Hipótesis del estudio …………………………………………………… 7
CAPITULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1 Vertedores Laberinto …………………………………………………… 8
2.1.1 Parámetros geométricos ………………………………………………… 8
2.1.2 Interferencia de flujo …………………………………………………… 9
2.1.3 Autolimpieza …………………………………………………………… 12
2.1.3.1 Caso Hellsgate …………………………………………………………… 12
2.1.3.2 Caso La Joya …………………………………………………………… 132.1.4 Aireación ………………………………………………………………… 16
2.1.5 Diseño de vertedores laberinto ………………………………………… 19
2.1.5.1 Consideraciones generales sobre los parámetros de diseño …………… 19
2.1.5.2 Curvas de Diseño ………………………………………………………… 22
ÍNDICE GENERAL
iv
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Índice General Estudio de procesos de erosión aguas abajo de vertedores laberinto
2.2 Procesos morfológicos asociados a vertedores ………………………… 29
2.2.1 Erosión y Socavación …………………………………………………… 29
2.2.1.1 Socavación general ……………………………………………………… 29
2.2.1.2 Socavación local ………………………………………………………… 30
2.2.2 Agradación ……………………………………………………………… 30
2.3 Medidas de protección …………………………………………………… 31
2.3.1 Revestimiento de enrocado o Rip-Rap ………………………………… 31
2.3.2 Estanques amortiguadores ……………………………………………… 32
CAPITULO 3
3.1 Planificación y diseño del modelo ……………………………………… 35
3.1.1 Determinación del área de trabajo ……………………………………… 35
3.1.2 Selección de la pendiente del canal ……………………………………… 36
3.1.3 Selección del material del lecho ………………………………………… 37
3.1.4 Cálculo de las variables de diseño de los vertederos laberinto ………… 39
3.1.5 Determinación de los caudales de trabajo ……………………………… 41
3.1.6 Determinación del tiempo de prueba óptimo …………………………… 43
3.2 Equipos y estructuras utilizadas en el estudio …………………………… 45
3.2.1 Canal de sección rectangular uniforme y pendiente regulable ………… 45
3.2.2 Sistema de circulación, almacenamiento y bombeo …………………… 47
3.2.3 Medidor de flujo electromagnético para caudales de gran magnitud …… 49
3.2.4 Medidor de pendiente …………………………………………………… 49
3.2.5 Limnímetro ……………………………………………………………… 50
3.2.6 Escáner Láser …………………………………………………………… 51
3.3 Implementación del modelo en el canal ………………………………… 543.3.1 Implementación de los vertedores ……………………………………… 55
3.3.2 Implementación del lecho ……………………………………………… 62
PLANIFICACIÓN, DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLENTACIÓN DELMODELO EXPERIMENTAL
v
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Índice General Estudio de procesos de erosión aguas abajo de vertedores laberinto
CAPITULO 4
DESARROLLO EXPERIMENTAL
4.1 Introducción ……………………………………………………………… 66
4.2 Descripción de las pruebas ……………………………………………… 66
4.3 Variables de estudio ……………………………………………………… 69
4.4 Números adimensionales considerados ………………………………… 70
4.5 Resultados experimentales ……………………………………………… 72
4.5.1 Pruebas con vertedores tipo A …………………………………………… 74
4.5.1.1 Profundidad máxima de socavación …………………………………… 74
4.5.1.2 Longitud máxima de erosión …………………………………………… 78
4.5.1.3 rea erosionada en planta ……………………………………………… 79
4.5.1.4 Altura de berma ………………………………………………………… 80
4.5.1.5 Cortes longitudinales y transversales …………………………………… 80
4.5.1.6 Transporte de sedimentos ……………………………………………… 83
4.5.1.7 Análisis de gráficos adimensionales …………………………………… 85
4.5.1.7.1 Volumen erosionado …………………………………………………… 86
4.5.1.7.2 Profundidad máxima de socavación …………………………………… 90
4.5.1.7.3 Longitud máxima de erosión …………………………………………… 94
4.5.1.7.4 rea erosionada en planta ……………………………………………… 98
4.5.1.7.5 Altura máxima de berma ………………………………………………… 102
4.5.2 Pruebas con vertedores tipo I …………………………………………… 106
4.5.2.1 Profundidad máxima de socavación …………………………………… 106
4.5.2.2 Longitud máxima de erosión …………………………………………… 107
4.5.2.3 rea erosionada en planta ……………………………………………… 108
4.5.2.4 Altura de berma ………………………………………………………… 109
4.5.2.5 Cortes longitudinales y transversales …………………………………… 109
4.5.2.6 Transporte de sedimentos ……………………………………………… 1124.5.2.7 Análisis de gráficos adimensionales …………………………………… 112
4.5.2.7.1 Volumen erosionado …………………………………………………… 114
4.5.2.7.2 Profundidad máxima de socavación …………………………………… 118
4.5.2.7.3 Longitud máxima de erosión …………………………………………… 122
vi
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Índice General Estudio de procesos de erosión aguas abajo de vertedores laberinto
4.5.2.7.4 Área erosionada en planta ……………………………………………… 126
4.5.2.7.5 Altura máxima de berma ………………………………………………… 130
4.5.3 Determinación del vertedor óptimo ……………………………………… 134
CAPITULO 5
MEDIDAS DE PROTECCIÓN
5.1 Introducción ……………………………………………………………… 136
5.2 Rip-Rap ………………………………………………………………… 136
5.3 Estanques amortiguadores ……………………………………………… 138
5.3.1 Dimensiones del estanque amortiguador ………………………………… 139
5.3.2 Aplicación al estudio …………………………………………………… 145
CAPITULO 6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1 Conclusiones …………………………………………………………… 148
6.1.1 Volumen erosionado …………………………………………………… 149
6.1.2 Profundidad máxima de socavación …………………………………… 150
6.1.3 Longitud máxima de erosión …………………………………………… 151
6.1.4 rea erosionada en planta ……………………………………………… 152
6.1.5 Altura de berma ………………………………………………………… 154
6.2 Recomendaciones ……………………………………………………… 155
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
Anexo I Propiedades de los sedimentos
Anexo II Hojas de laboratorioAnexo III Determinación de caudales de trabajo
Anexo IV Determinación de coeficientes de descarga
Anexo V Cuantificación de procesos de erosión
vii
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Página
Fig. 1.1. Vertedor laberinto de la presa de UTE (Houston, 1982) 3
Fig. 1.2. Modelo físico del proyecto La Joya, implementado en el LHUMSS 4
Fig. 2.1. 9
Fig. 2.2. Interferencia de napas según Indlekofer & Rouvé (1975) 10
Fig. 2.3. 11
Fig. 2.4. Definición de longitudes de disturbancia (Indlekofer & Rouvé, 1975) 11
Fig. 2.5. 13
Fig. 2.6. 14
Fig. 2.7. 15
Fig. 2.8. 16
Fig. 2.9. Perfiles de aireamiento (Indlekofer, 1974) 17
Fig. 2.10. 18
Fig. 2.11. Pilares de aireación en vertedor laberinto (Houston, 1983) 19
Fig. 2.12. 23
Fig. 2.13. 25
Fig. 2.14. Curvas de diseño (Tullis, 1995) 26
Fig. 2.15. Curvas de diseño (Alfaro, 2004) 28
Fig. 2.16. 32
viii
Eficiencia de aireación en función de la altura de cresta P (Wormleaton &Tsang, 2000)
Curvas de diseño para vertedores a)Trapezoidales y b)Triangulares (Hay &Taylor, 1970)
Curvas de diseño para vertedores a)triangulares y b)trapezoidales (Afshar,1989)
Tipos de colocado de Rip-Rap a)lanzado y b)manualmente (Brown &Clyde, 1989)
ÍNDICE DE FIGURAS
Parámetros geométricos del vertedor laberinto (Hay & Taylor, 1970;Ledezma, 1999)
Distribución de C(l) a lo largo de la cresta del vertedor (Indlekofer &Rouvé, 1975)
Socavación aguas arriba de un vertedor laberinto, Auto-Limpieza (Babb,1976)
Alternativas de ángulo de inclinación de la cresta, Proyecto La Joya(LHUMSS, 1999)
Flujo a través del vertedor laberinto con cresta cortada hacia aguas arriba(LHUMSS, 1999)
Flujo a través del vertedor laberinto con cresta cortada hacia aguas abajo(LHUMSS, 1999)
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Índice de Figuras Estudio de procesos de erosión aguas abajo de vertedores laberinto
Fig. 2.17. 33
Fig. 2.18. Esquema de un estanque amortiguador curvo (Peterka, 1984) 34
Fig. 3.1. Esquema del área de trabajo en canal, a) Planta y b) Elevación 36
Fig. 3.2. Compuerta elevada para cumplir con la condición de borde (18 cm) 36
Fig. 3.3. 40
Fig. 3.4. 44
Fig. 3.5. Vista lateral del canal de pendiente regulable 46
Fig. 3.6. Esquema del canal de pendiente regulable, corte longitudinal 46
Fig. 3.7. Esquema del sistema de circulación, alimentación y bombeo del LHUMSS 47
Fig. 3.8. Bombas de a)100 l/s y b)7 l/s 48
Fig. 3.9. Esquema de la disposición de tanques 48
Fig. 3.10. a)Medidor de flujo electromagnético y b)panel de control 49
Fig. 3.11. Panel de control de la pendiente y compuertas del canal inclinable 50
Fig. 3.12. Lectura de los tirantes de agua por encima el vertedor laberinto 50
Fig. 3.13. Escáner Láser o Laser Profiler 51
Fig. 3.14. 52
Fig. 3.15. Láser montado en la barra vertical del Escáner (Aalborg University, 2003) 52
Fig. 3.16. Computadora conectada al Escáner láser para la adquisición de datos 53
Fig. 3.17. 53
Fig. 3.18. Ejemplo de relevamiento en curso en el EPro 54
Fig. 3.19. Modelos de vertedores laberinto disponibles en el LHUMSS 55
Fig. 3.20. Limpieza de los vertedores 57
Fig. 3.21. Vista de los rigizadores 57
Fig. 3.22. Refacción de los vertedores con soldadura 58
ix
Ventana para definir los limites de relevamiento e intervalos de lectura enel EPro
Esquema en corte de la distribución de velocidades en un vertedor laberintosegún Savage, Frizell, y Crowder (2005) con el uso de FLOW-3D
Vista en planta, frontal y lateral derecha de los vertedores laberintoestudiados (después de Alfaro, 2004)
Mediciones realizadas en las prueba preliminares: a)profundidad máximade socavación, b)altura de berma, c)longitud de la base al punto máximo deelevación de berma y d)longitud de extensión de berma
Servomotores de control de movimiento horizontal del Escáner Láser(Aalborg University, 2003)
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Índice de Figuras Estudio de procesos de erosión aguas abajo de vertedores laberinto
Fig. 3.23. 59
Fig. 3.24. Impermeabilización de las bases con pintura al óleo 59
Fig. 3.25. Pintado de las partes del modelo a)vertedores y b)vigas de apoyo 60
Fig. 3.26. Colocado de los angulares para fijación de la viga hacia aguas arriba 61
Fig. 3.27. Sellado de los bordes del vertedor con silicona 61
Fig. 3.28. Tamices disponibles en el LHUMSS (Ávila, 2006) 62
Fig. 3.29. Obtención del material del lecho. a)proceso de tamizado y b)lavado 63
Fig. 3.30. 63
Fig. 3.31. Proceso de alisado del lecho 64
Fig. 3.32. Instalación completa del modelo experimental 64
Fig. 4.1. Ilustración del desarrollo de las pruebas, Prueba I6Q10 66
Fig. 4.1. Ilustración del desarrollo de las pruebas (continuación), Prueba A65Q20 67
Fig. 4.2. 68
Fig. 4.3. Determinación del área de relevamiento en planta por simple inspección 68
Fig. 4.4. Variables de estudio con respecto a la base del vertedor laberinto 70
Fig. 4.5. Esquema en planta de los limites del área de relevamiento 73
Fig. 4.6. Ventana Average Filter en EPro, para suavizar la superficie relevada 73
Fig. 4.7. 75
Fig. 4.8. 75
Fig. 4.9. Condición de borde de espesor de lecho alcanzada 76
Fig. 4.10. 77
Fig. 4.11. Esquema del método de extrapolación parabólico 78
Fig. 4.12. 78
Fig. 4.13. Curvas de nivel generadas con Surfer 8.0 79
x
Esquema de bases a implementar en los vertedores laberinto, lasdimensiones están en cm.
Guinche usado para implementar el material del lecho en el canal y procesode colocado
Ejemplo de superficie extrapolada en vertedores tipo A, a)antes yb)después de procesos de erosión
Vista en planta de relieves obtenido con Surfer 8.0 y de una pruebaestándar
Etapa de drenado. a)Válvula de desagüe y compuerta abierta, b)Drenado deagua bajo la base del vertedor
Vista isométrica y en planta del lecho erosionado obtenidos en Surfer 8.0,prueba A65Q20
Parábola ajustada a la parte inferior de las fosas de socavación en laspruebas A45Q20, A55Q20 y A65Q20
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Índice de Figuras Estudio de procesos de erosión aguas abajo de vertedores laberinto
Fig. 4.14. 80
Fig. 4.15. 80
Fig. 4.16. Cortes longitudinales en secciones representativas para la prueba A35Q20 81
Fig. 4.17. 82
Fig. 4.18. Berma formada aguas abajo de vertedor laberinto 84
Fig. 4.19. 84
Fig. 4.20. Gráfica 1=Ve/Vc vs h/P. Vertedores Tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 86
Fig. 4.21. Gráfica 1=Ve/Vc vs Cd. Vertedores Tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 86
Fig. 4.22. Gráfica 1=Ve/Vc vs LE/L. Vertedores Tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 87
Fig. 4.23. Gráfica 1=Ve/Vc vs . Vertedores Tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 87
Fig. 4.24. Gráfica 2=D/P vs h/P. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 90
Fig. 4.25. Gráfica 2=D/P vs Cd. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 90
Fig. 4.26. Gráfica 2=D/P vs LE/L. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 91
Fig. 4.27. Gráfica 2=D/P vs . Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 91
Fig. 4.28. Gráfica 3=Le/Lc vs h/P. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 94
Fig. 4.29. Gráfica 3=Le/Lc vs Cd. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 94
Fig. 4.30. Gráfica 3=Le/Lc vs LE/L. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 95
Fig. 4.31. Gráfica 3=Le/Lc vs . Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 95
Fig. 4.32. Gráfica 4=Ae/Ac vs h/P. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 98
Fig. 4.33. Gráfica 4=Ae/Ac vs Cd. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 98
Fig. 4.34. Gráfica 4=Ae/Ac vs LE/L. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 99
Fig. 4.35. Gráfica 4=Ae/Ac vs . Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 99
Fig. 4.36. Gráfica 5=Ab/P vs h/P. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 102
Fig. 4.37. Gráfica 5=Ab/P vs Cd. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 102
Fig. 4.38. Gráfica 5=Ab/P vs LE/L. Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 103
Fig. 4.39. Gráfica 5=Ab/P vs . Vertedores tipo A. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 103
xi
rea erosionada en planta para la prueba I6Q10 en a)Surfer 8.0 y b)modelofísico
Esquema de ubicación de cortes longitudinales y transversales para
vertedores tipo A
Ilustración de procesos erosivos incipientes para caudal de llenado de 2 l/s,prueba A65Q10 e I6Q10
Cortes transversales hacia aguas abajo en secciones representativas para laprueba A35Q20
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Índice de Figuras Estudio de procesos de erosión aguas abajo de vertedores laberinto
Fig. 4.40. 106
Fig. 4.41. 107
Fig. 4.42. Vistas diversas del chorro generado a la salida del vertedor 108
Fig. 4.43. 108
Fig. 4.44. 109
Fig. 4.45. Cortes longitudinales en secciones representativas para la prueba I6Q20 110
Fig. 4.46. 111
Fig. 4.47. Gráfica 1=Ve/Vc vs h/P. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 114
Fig. 4.48. Gráfica 1=Ve/Vc vs Cd. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 114
Fig. 4.49. Gráfica 1=Ve/Vc vs LE/L. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 115
Fig. 4.50. Gráfica 1=Ve/Vc vs . Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 115
Fig. 4.51. Gráfica 2=D/P vs h/P. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 118
Fig. 4.52. Gráfica 2=D/P vs Cd. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 118
Fig. 4.53. Gráfica 2=D/P vs LE/L. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 119
Fig. 4.54. Gráfica 2=D/P vs . Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 119
Fig. 4.55. Gráfica 3=Le/LE vs h/P. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 122
Fig. 4.56. Gráfica 3=Le/LE vs Cd. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 122
Fig. 4.57. Gráfica 3=Le/LE vs LE/L. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 123
Fig. 4.58. Gráfica 3=Le/LE vs . Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 123
Fig. 4.59. Gráfica 4=Ae/Ac vs h/P. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 126
Fig. 4.60. Gráfica 4=Ae/Ac vs Cd. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 126
Fig. 4.61. Gráfica 4=Ae/Ac vs LE/L. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 127
Fig. 4.62. Gráfica 4=Ae/Ac vs . Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 127
Fig. 4.63. Gráfica 5=Ab/P vs h/P. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 130
Fig. 4.64. Gráfica 5=Ab/P vs Cd. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 130
Fig. 4.65. Gráfica 5=Ab/P vs LE/L. Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 131
xii
Taludes de sedimentos en vertedor tipo I: a)adyacente al vertedor durantela prueba y b)posición final después de la prueba
Modelo de elevación digital del lecho aguas abajo de vertedor laberinto
para la prueba I3Q30 a)antes y b)después de la extrapolación superficial
Vista en planta de tramos erosionados en: a)prueba I9Q20 y b)pruebaI9Q30
Esquema de ubicación de cortes longitudinales y transversales paravertedores tipo I
Cortes transversales hacia aguas abajo en secciones representativas para la
prueba I6Q20
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Índice de Figuras Estudio de procesos de erosión aguas abajo de vertedores laberinto
Fig. 4.66. Gráfica 5=Ab/P vs . Vertedores tipo I. Caudales de 10, 20 y 30 l/s 131
Fig. 5.1. Esquema del estanque amortiguador formado por dos semi-parábolas 139
Fig. 5.2. 141
Fig. 5.3. 141
Fig. 5.4. Esquema del tanque amortiguador propuesto. Vista lateral 143
Fig. 5.5. 144
Fig. 5.6. 146
Fig. 5.7. 146
Fig. 5.8. 147
Fig. 5.9. 147
Gráfica XD/w vs. h/P, para la determinación de la distancia a la que se
produce la profundidad máxima de socavación
Gráfica XD/w vs. h/P, para la determinación de la distancia a la que seproduce la altura máxima de berma
Esquema del estanque amortiguador propuesto. Detalle de los bloques desalida y dados amortiguadores
Vista en elevación del estanque amortiguador diseñado para la pruebaA35Q30.
Vista en planta del estanque amortiguador diseñado para la pruebaA35Q30.
Detalle de los bloques de salida y dados amortiguadores diseñados para laprueba A35Q30
Vista isométrica del estanque amortiguador diseñado para la pruebaA35Q30.
xiii
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Página
Tabla 2.1. Coeficientes para curvas de diseño (Tullis, 1995) 27
Tabla 2.2. Coeficientes para curvas de diseño (Alfaro, 2004) 29
Tabla 3.1. Resumen de los resultados de los ensayos de análisis granulométrico 37
Tabla 3.2. Propiedades de los Sedimentos 39
Tabla 3.3. Variables de diseño de los vertedores laberinto 41
Tabla 3.4. Determinación de los caudales de prueba alto, medio y bajo 42
Tabla 3.5. Resultados obtenidos de las pruebas preliminares 45
Tabla 3.6. Diámetro de abertura de tamiz y proporción a mezclar 62
Tabla 4.1. Matriz de las pruebas realizadas 69
Tabla 4.2. Eficiencia del ángulo de abertura en el volumen erosionado 89
Tabla 4.3. 93
Tabla 4.4. Eficiencia del ángulo de abertura en la longitud máxima de erosión 97
Tabla 4.5. Eficiencia del ángulo de abertura en el área erosionada en planta 101
Tabla 4.6. Eficiencia del ángulo de abertura en la altura máxima de berma 105
Tabla 4.7. Eficiencia del ángulo de inclinación de cresta en el volumen erosionado 117
Tabla 4.8. 121
Tabla 4.9. Eficiencia del ángulo de inclinación de cresta en la longitud de erosión 125
Tabla 4.10 Eficiencia del ángulo de inclinación de cresta en el área erosionada 129
Tabla 4.11 Eficiencia del ángulo de inclinación de cresta en la altura berma 133
Tabla 5.1 Diferencia de la variable XD, entre vertedores Tipo A y Tipo I 142
Tabla 5.2 Diferencia de la variable Xb, entre vertedores Tipo A y Tipo I 143
xiv
ÍNDICE DE TABLAS
Eficiencia del ángulo de abertura en la profundidad máxima de
socavación
Eficiencia del ángulo de inclinación de cresta en la profundidad
máxima de socavación
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1
Capítulo 1
GENERALIDADES
1.1 Introducción
En el presente capítulo, se aborda el tema de manera general exponiendo los antecedentes
relacionados a estudios previos y al conocimiento general sobre aspectos relevantes en
relación el tema de investigación. También se presenta la justificación para el desarrollo del
tema de investigación y los objetivos que se pretenden lograr, los resultados intermedios
que se habrán alcanzado, y una hipótesis como base y punto de partida para el trabajo de
investigación.
1.2 Antecedentes
Se puede considerar un vertedor (o vertedero) como un muro o barrera que se interpone en
la trayectoria de un curso de agua el cual debe ser sobrepasado por la corriente (USBR,1987). Son varias las funciones de los vertederos, entre algunas de ellas se pueden
mencionar el permitir la salida de los volúmenes de agua excedentes a los de
aprovechamiento, control del nivel en embalses, aforo o medición de caudales y evacuación
de crecientes.
El concepto de un vertedor laberinto es el de proveer longitud de cresta adicional para un
ancho de canal dado, de esa manera, se requiere menor altura de cresta para descargar un
determinado caudal. La longitud adicional de la cresta es obtenida por una serie de muros
trapezoidales o triangulares dentro del ancho total del vertedor. Estos muros son delgados y
en ménsula vertical en la cara de aguas arriba y con una cierta pendiente en la cara aguas
abajo. Son soportados por una losa de concreto o adecuados a una fundación existente. La
cresta del vertedor generalmente consiste de un arco de cuarto de circunferencia en el borde
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Capítulo 1 Generalidades
2
de aguas arriba y ligeramente redondeado en el borde hacia aguas abajo.
Un vertedor laberinto es particularmente benéfico cuando el ancho del canal es limitado, el
nivel de la superficie de aguas arriba es restringido, y grandes caudales deben ser
descargados (Lux, 1989). El incremento en la longitud de la cresta debido a la
configuración del vertedor laberinto permite el paso de mayores descargas bajo menores
tirantes de agua. Allí donde un caudal de diseño se ha incrementado y la capacidad del
reservorio debe ser también incrementada, un vertedor laberinto es una excelente
alternativa frente a los métodos tradicionales de construir otro vertedor. Los vertederos
laberinto han sido usados también como estructuras de control en canales y ríos. El tirante
aguas arriba puede ser también incrementado porque la cresta del vertedor puede ser
colocada a una mayor elevación que la de un vertedor recto, aun descargando el caudal
requerido.
El patrón de flujo de un vertedor laberinto es complicado. Los parámetros primarios que
afectan el funcionamiento son (Hay & Taylor, 1970): la magnificación del flujo, el ángulo
de abertura, el caudal de diseño y altura máxima del tirante de agua (cota de inundación).
Se han construido varios vertedores laberinto alrededor del mundo, principalmente en
Estados Unidos y Europa, algunos de ellos antes de que se haya estudiado con detalle el
comportamiento y las características hidráulicas por las que se rigen.
La primera y más extensiva investigación de vertedores laberinto fue desarrollada por Hay
& Taylor (1970). Su trabajo presentó un método para evaluar la descarga teórica de un
vertedor laberinto en relación a un vertedor recto. Ambos autores determinaron que la
eficiencia de un vertedor laberinto en particular puede ser expresada como Ql /Qn donde: Ql
es igual a la descarga sobre el vertedor laberinto de longitud L, bajo una altura de tirante
aguas arriba dada, y, Qn igual a la descarga sobre un vertedor de cresta recta de longitud, W
(ancho del canal de aproximación), para la misma altura de tirante aguas arriba.
En Estados Unidos, la presa UTE ubicada en el río Canadian, a 3.2 Km. al este de Logan,
Nuevo-México, fue completada en 1962, con una altura de 36.88 m y 256.03 m de ancho
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Capítulo 1 Generalidades
3
libre de flujo a la salida. El diseño original incluía vertedores de compuerta de 8.23 m de
altura los cuales no fueron instalados. Sin compuertas que permitan incrementar la
capacidad del reservorio, los requerimientos futuros no podrían ser alcanzados. En 1982 se
presento un estudio para incrementar la capacidad de este reservorio con la implementaciónde un vertedor laberinto. El diseño preliminar se basó en el método de Hay & Taylor y a
través del estudio en un modelo físico se cumplieron los requerimientos de descarga y nivel
de la superficie de agua. El diseño final cuenta con un vertedor laberinto con forma de
series trapezoidales visto en planta, con 9.14 m de altura y 1024.13 en longitud efectiva de
cresta, distribuida en 14 ciclos.
Fig. 1.1. Vertedor laberinto de la presa de UTE (Houston, 1982)
En Sydney, Australia, la Metropolitan Water Sewerage and Drainage Board ha construido
dos vertedores laberinto, sirviendo como estructura de control para crecidas en reservorios.
El primero fue completado en 1941 en la presa Woronora, el segundo en 1970 en la presa
Avon. El eje longitudinal del vertedor en el plano es recto en el caso del vertedor de
Woronora, y curvo hacia aguas abajo en el caso de Avon. El vertedor de Woronora tiene
una altura de cresta de 2.20 m, longitud total de cresta de 31.20 m y altura de diseño de
tirante aguas arriba igual a 1.36 m. El vertedor de la presa de Avon tiene una altura de
cresta de 3.0 m, longitud efectiva de cresta de 26.5 m y altura de diseño de tirante aguas
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Capítulo 1 Generalidades
4
arriba igual a 2.20 m.
En Bolivia, se tiene el proyecto de un vertedor laberinto en el río Desaguadero en el sector
denominado La Joya, el cual se encuentra ubicado al nordeste del departamento de Oruro
aproximadamente a 40 Km. de la ciudad. El Laboratorio de Hidráulica de la Universidad
Mayor de San Simón (LH-UMSS), realizó el estudio correspondiente con el objetivo de
controlar el caudal existente y prever la derivación controlada de 30 m³/s hacia un
denominado brazo izquierdo con fines de aprovechamiento agrícola y conservación, en
cuanto el brazo derecho tiene la finalidad de conducir el resto del flujo, así como los
sedimentos.
Fig. 1.2. Modelo físico del proyecto La Joya, implementado en el LHUMSS,
Uno de los aspectos importantes en el estudio de una obra hidráulica, es el de la erosión, del
cual dependen el buen funcionamiento y la estabilidad de la estructura. La erosión es la
combinación de distintos procesos, unos a largo plazo y otros transitorios (avenidas),
aunque la mayoría de los fallos ocurren durante las avenidas, también los procesos a largo
(LHUMSS, 1999)
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Capítulo 1 Generalidades
5
plazo pueden llevar al fallo de las estructuras, que entonces se presentarían
inesperadamente. Es fundamental considerar los procesos de erosión en inmediaciones del
lugar de emplazamiento de la obras.
Los procesos de erosión no dejan de ser importantes en el estudio de vertedores laberinto
debido a la magnitud de estas estructuras y a la importancia de su funcionamiento.
Lamentablemente no se tienen datos sobre estudios realizados sobre el tema de erosión para
este tipo de vertederos.
En este estudio se abordará el tema con el objetivo de hacer posible la cuantificación de
procesos de erosión aguas abajo de vertedores laberinto en función a las variables que
gobiernan su desempeño, tales como longitud efectiva de la cresta, ángulo de apertura,ángulo de inclinación de la cresta, altura de tirante aguas arriba. El desarrollo experimental
de este estudio se implementará en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Mayor
de San Simón (LH-UMSS), que para tal efecto se cuenta un canal de sección rectangular
uniforme y pendiente regulable, además de todos los equipos adicionales y herramientas
necesarias.
1.3 Justificación
La erosión en el fondo de un curso de agua, en el lugar en donde se implanta una estructura,
es una de las causas hidráulicas mas frecuentes de fallo cuando afecta cimentaciones
imperfectas o insuficientes. A menudo no es posible observar el proceso de erosión porque
todo ocurre bajo el agua cuando esta se torna turbia y debido a ello se ignora el problema
hasta que se manifiesta irremediablemente como un fallo.
Se considera importante el estudio de procesos de erosión aguas abajo de vertederos
laberinto bajo los siguientes puntos:
• El tema se constituye en un aporte importante al conocimiento sobre los procesos
morfológicos asociados a estas obras hidráulicas.
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Capítulo 1 Generalidades
6
• El conocimiento del comportamiento de estos procesos erosivos permitirá un mejor
entendimiento tanto sobre la ubicación de implementación de la estructura, así como los
montos de socavación originados durante su funcionamiento. Dichos montos podrán ser
analizados en función de las variables de diseño de los vertedores.
• Se dispondrán de medidas de protección contra la erosión, aplicables a los procesos de
erosión aguas abajo de vertedores laberinto.
1.4 Objetivo general
• Contribuir al conocimiento sobre procesos de erosivos aguas abajo de vertederos
laberinto instalados en un lecho horizontal y proponer medidas de protección.
1.5 Objetivos específicos
• Cuantificar experimentalmente montos de socavación producidos por diversos
vertedores laberinto, aguas abajo de los mismos.
• Identificar el vertedor laberinto que origine menores montos de socavación en el lecho
en función a sus variables de diseño.
• Disponer de alternativas de protección de las estructuras estudiadas ante procesos de
socavación aguas abajo.
1.6
Resultados intermedios
Entre los resultados intermedios se tienen:
• Se habrán cuantificado montos de socavación producidos aguas abajo de cada estructura
en función a sus variables de diseño.
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Capítulo 1 Generalidades
7
• Se identificará el vertedor laberinto que origine menores montos de socavación aguas
abajo de la estructura.
• Se dispondrá de alternativas de protección para las estructuras consideradas sobre la
base de los resultados obtenidos.
1.7
Hipótesis del estudio
Las variables de diseño de vertedores laberinto (ángulo de abertura, longitud efectiva de
descarga, tirante de agua, etc.) originan montos de socavación diferentes (volúmenes
erosionados, profundidades máximas de socavación, áreas erosionadas en planta, etc.), y es
posible el identificar el vertedor que produzca las menores alteraciones en el lecho aguas
abajo de la estructura.
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8
Capítulo 2
MARCO TEÓRICO
2.1
Vertedores Laberinto
Un vertedor laberinto se caracteriza por el incremento de la longitud total de cresta que se
logra variando la forma del vertedor en planta, permitiendo el paso de descargas mayores
para un mismo tirante de agua sobre la cresta. Su forma en planta se caracteriza por un eje
poligonal, generalmente con la misma forma triangular o trapezoidal, repetida
periódicamente. De aquí, para un mismo ancho de canal de aproximación, el vertedor
laberinto presenta una longitud de cresta mas larga que un vertedor recto.
Consecuentemente, para un mismo tirante sobre la cresta, la descarga por unidad de ancho
es sustancialmente incrementada (Hay & Taylor, 1970; Lux, 1989).
2.1.1 Parámetros geométricos
La figura 2.1 ilustra los parámetros geométricos que definen a un vertedor laberinto, los
cuales son (Hay & Taylor, 1970; Ledezma, 1999):
: Ángulo de abertura entre los brazos del vertedor.
: Ángulo de inclinación de la cresta.
L: Longitud total del vertedor laberinto.
w: Ancho de un ciclo del vertedor.
a: Ancho de las puntas del vertedor. B: Longitud individual del brazo.
P : Altura de la cresta del vertedor.
Adicionalmente se pueden definir las siguientes variables:
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Capítulo 2 Marco Teórico
9
W : Ancho total del vertedor ó ancho del canal de aproximación.
n: número de ciclos del vertedor.
t : Espesor de la cresta.
h: Tirante de agua sobre la cresta.
Canal Aguas Arriba
Canal Aguas Abajo
w
a
a
B
A A
L = 4a + 2BL: longitud total de la cresta
Vista en Planta
P
Flujo
Canal deAproximación
P'
B
B
tP
h
Corte B-B
Corte A-A
Fig. 2.1. Parámetros geométricos del vertedor laberinto (Hay & Taylor, 1970;
Ledezma, 1999)
2.1.2 Interferencia de flujo
Las napas de dos vertedores colocados con cierto ángulo entre ellos, tendrán un impacto
sobre el límite de la longitud de la cresta del vertedor, como se muestra en la figura 2.2.
Este impacto es llamado interferencia de napa (Indlekofer & Rouvé, 1975). El efecto de la
interferencia de napa es el de disminuir la descarga. La interferencia ocurre cuando el
chorro de un brazo de vertedor laberinto o de una punta intersecta con el del brazoadyacente.
Indlekofer & Rouvé (1975) tomaron la definición anterior y concluyeron que el grado de
interferencia o área disturbada está en función del tirante de agua sobre el vertedor h, la
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Capítulo 2 Marco Teórico
10
altura de la cresta P , y el ángulo de abertura, .
B
Ld
B
Ld
Area Disturbada Ld
P
h
B
Nivel de agua
IsométricaPlanta
Fig. 2.2. Interferencia de napas según Indlekofer & Rouvé (1975)
Debido a que la longitud de interferencia en la punta está en relación con la longitud del
brazo B, y el ángulo de abertura incluido , la interferencia puede ser expresada como
(Indlekofer & Rouvé, 1975):
( ), , ,d h
L f h P f P
= =
(2.1)
Ambos autores determinaron que la longitud de disturbancia Ld , se incrementa linealmente
con la altura de flujo. Para definir el problema, usaron un coeficiente de disturbancia, el
cual se define como:
( ) r
d
C C l
C = (2.2)
Donde:
C r : Coeficiente de descarga reducido para el vertedor causado por la interferencia.C d : Coeficiente de descarga para un flujo a través de un vertedor recto sin interferencia.
La distribución de C(l) a lo largo de la cresta y el valor del coeficiente de disturbancia
medio C m, se muestran en la figura 2.3
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Capítulo 2 Marco Teórico
11
B
0
1.0
DisturbanciaZona de
Cm
C =
C r
C d
Ld
Fig. 2.3. Distribución de C(l) a lo largo de la cresta del vertedor
(Indlekofer & Rouvé, 1975)
Indlekofer & Rouvé usaron dos definiciones para la longitud de disturbancia. Una es la
longitud de disturbancia Ld , y la otra es la longitud efectiva de disturbancia Lde. La relación
entre ambas está dada por:
( )/
··
·de m d
3 2
d m
3 Q L 1 C L B
2 C 2gh= = (2.3)
Donde:
B: Longitud de la cresta (un brazo), en metros.
hm: El tirante de agua medido sobre el vertedor, en metros.
B
0
1.0
Longitud de disturbancia efectiva
C =
Lde = Ld(1-Cm)
Ld
C r
C d
Fig. 2.4. Definición de longitudes de disturbancia (Indlekofer & Rouvé, 1975)
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Capítulo 2 Marco Teórico
12
Las variables independientes de la ecuación 2.3, B, Q, C d y hm, pueden ser determinados
experimentalmente de modelos físicos, en los cuales el coeficiente de descarga C d , es el
correspondiente a un vertedor recto y es determinado usando una ecuación apropiada según
el tipo de cresta, por ejemplo la ecuación de Rehbock para vertedores con cresta delgada.Físicamente, el significado de Ld y Lde se ilustra en la figura 2.4
La longitud de disturbancia Ld , es la longitud de la cresta sobre la cual la descarga es
afectada por la interferencia. La longitud efectiva de descarga Lde, es la longitud de la cresta
sobre la cual el coeficiente de descarga es igual a cero. El flujo sobre la longitud restante se
da con un coeficiente de descarga igual al de un vertedor recto.
2.1.3
Autolimpieza
Las características de sedimentación y/o auto-limpieza de vertedores laberinto son
importantes para canales que llevan grandes montos de sedimento o material erosionable
aguas arriba. En proyectos ubicados dentro de cursos de agua aluviales o en aquellos que
transportan altos montos de sedimento, el cual puede depositarse aguas arriba del vertedor
laberinto durante los caudales bajo. Como consecuencia, estudios en modelos se han
desarrollado con el objetivo de determinar si el sedimento puede ser transportado hacia
aguas abajo a grandes caudales. A continuación se describen dos estudios que ilustran esta
característica. Uno de ellos fue llevado a cabo en la Universidad del Estado de Colorado
(1976), proyecto “Hellsgate”; y el otro fue desarrollado por el Laboratorio de Hidráulica de
la Universidad Mayor de San Simón (1999) para el proyecto “La Joya”.
2.1.3.1 Caso Hellsgate
En el estudio del modelo del vertedor laberinto Hellsgate se llenaron los canales de aguasarriba del vertedor con grava que correspondía a guijarros de 100 mm de diámetro en el
prototipo. Luego se observaron los montos de socavación tomando como nivel de
referencia el nivel de la cresta. En la figura 2.5, se observan los resultados después de 6.3
minutos de prueba. El tirante sobre la cresta corresponde a un h/P aproximadamente igual a
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Capítulo 2 Marco Teórico
13
0.1. La altura de la cresta es 2.12 m (prototipo). La socavación se encuentra por debajo del
nivel del nivel de la base de la cresta porque no se considero una base rígida para los
vertedores.
Fig. 2.5. Socavación aguas arriba de un vertedor laberinto, Auto-Limpieza (Babb,
1976)
Para un tirante correspondiente a un h/P aproximado a 0.4, los procesos de erosión fueron
aun más marcados. Estas pruebas mostraron que el vertedor laberinto es capaz de remover
sedimento de entre los brazos del vertedor y del canal de aproximación.
2.1.3.2 Caso La Joya
Con el objetivo de optimizar la autolimpieza de sedimentos del vertedor laberinto, se
probaron diferentes alternativas, con variaciones en la forma de instalación del vertedor y
un ángulo de inclinación de la cresta. Las alternativas probadas fueron tres, las cuales se
esquematizan en la figura 2.6.
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Capítulo 2 Marco Teórico
14
P
a) Vertedor con cresta y base inclinada
PP'
b) Vertedor con cresta cortada hacia aguas arriba
P P'
c) Vertedor con cresta cortada hacia aguas abajo
Flujo
Flujo
Flujo
Fig. 2.6. Alternativas de ángulo de inclinación de la cresta, Proyecto La Joya
(LHUMSS, 1999)
El vertedor con base y cresta inclinadas hacia aguas arriba, consta del mismo vertedor, el
cual se encuentra inclinado hacia aguas arriba manteniendo la parte mas elevada haciaaguas abajo.
Finalizada las pruebas, se observó que esta estructura es menos efectiva en su auto-
limpieza, comparada con la estructura original. Después y durante la prueba, se evidencia la
poca remoción de sedimentos, y la gran deposición en la parte interna y mas elevada de
cada ciclo que conforma el vertedor.
Para el vertedor laberinto con cresta cortada hacia aguas arriba, se utilizo el termino “crestacortada” para referirse a un ángulo de inclinación en la cresta. El vertedor así concebido,
consta de una variación en la altura de la cresta, con menor altura hacia aguas arriba.
En las pruebas se observó que el vertedor tiende a verter sus aguas por las puntas de aguas
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Capítulo 2 Marco Teórico
15
arriba, evitando que al interior de los ciclos se originen flujos helicoidales, lo cual incide
negativamente en los montos de sedimento a ser limpiados.
q
q
q
Q
constante
Sub-Cauces
Fig. 2.7. Flujo a través del vertedor laberinto con cresta cortada hacia aguas arriba
(LHUMSS, 1999)
En la figura 2.7 se observa claramente que cada sub-cauce que pasa a través del vertedor,
comienza a verter sus aguas por las puntas de aguas abajo de cada ciclo, y pasadirectamente sin chocar contra las paredes del vertedor. Como consecuencia de esta
situación, no existe turbulencia ni arrastre de sedimentos, como ocurre con el vertedor de
cresta horizontal.
Se concluye que esta alternativa no mejora la auto-limpieza de sedimentos en la zona de
aguas abajo de la estructura.
Para el vertedor laberinto con cresta cortada hacia aguas abajo, se tiene una variación en laaltura de la cresta, con menor altura hacia aguas abajo.
La figura 2.8 muestra un esquema de esta alternativa, donde se observa que las líneas de
corriente, a su paso por el vertedor, colisionan contra las paredes, produciendo flujo
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Capítulo 2 Marco Teórico
16
helicoidal al interior de los ciclos, existiendo resuspensión de los sedimentos y auto-
limpieza de la parte interna de los ciclos.
Punto donde se iniciael flujo helicoidalq
q
q
Q
Sub-Cauces
Fig. 2.8. Flujo a través del vertedor laberinto con cresta cortada hacia aguas abajo
(LHUMSS, 1999)
Como conclusión se determinó que esta variante es más favorable y más eficiente en lo que
se refiere a auto-limpieza en la parte de aguas arriba, comparada con los casos anteriores.
Los estudios aquí presentados (Hellsgate y La Joya) han mostrado que un vertedor laberinto
tiene la capacidad de autolimpieza. Esto significa que, cualquier sedimento depositado en
las vecindades del vertedor durante caudales bajos, son erosionados hacia aguas abajo por
la acción turbulenta desarrollada en las esquinas de aguas abajo.
2.1.4 Aireación
El agua desfogada por un vertedor de cresta delgada no está en contacto con el cuerpo de la
cresta en su lado de aguas abajo, donde se encierra una bolsa de aire a consecuencia de la
napa de agua. Continuamente se da una remoción de aire por las aguas efluentes formando
una zona de subpresión. Esta subpresión reduce el radio de las líneas de corriente y pega el
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Capítulo 2 Marco Teórico
17
chorro contra la pared de la cresta, que resulta en un aumento en la descarga del vertedor.
Este efecto inicialmente ventajoso tiene el riesgo de producir cavitación y dañar la
estructura (LHUMSS, 1999).
La cavitación, según Falvey (1990) es la formación de burbujas o cavidades dentro de un
fluido cuando este proceso, de pasar del estado liquido a estado gaseoso, se realiza con
cambios en la presión local y manteniendo la temperatura constante.
Así mismo, Indlekofer (1974), esquematiza las condiciones de flujo que pueden presentarse
sobre una cresta de media circunferencia, las cuales se ilustran en la figura 2.9.
Presurizada Atmosférica Cavitante Subatmosférica
Fig. 2.9. Perfiles de aireamiento (Indlekofer, 1974)
En el caso de flujo presurizado, la presión sobre toda la cresta es positiva (mayor a la
atmosférica), semejante a la descarga sobre un vertedor de cresta ogee con bajo tirante de
agua. A medida que el tirante aumenta, un punto es alcanzado en el cual la presión sobre la
cresta es atmosférica. El caso de flujo atmosférico es análogo al tirante de diseño vertido
sobre una cresta ogee. A mayores valores de tirante, la presión sobre la cresta se hace
subatmosférica. Si la napa hacia aguas abajo puede ser aireada, la presión de la cresta se
hará atmosférica. Sin embargo, si la napa no puede ser aireada, entonces se formara un flujo
subatmosférico. Entre estos dos casos, puede formarse paquetes o cavidades de aire, lo cual
es llamado flujo cavitante. El flujo cavitante es usualmente inestable y dependiendo del
nivel de aguas abajo el flujo estará entre atmosférico y subatmosférico.
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Capítulo 2 Marco Teórico
18
Wormleaton & Tsang (2000), condujeron estudios de aireación sobre vertedores laberinto.
Las pruebas fueron realizadas sobre vertedores rectos, rectangulares y trapezoidales. En la
figura 2.10 se observa los resultados de estas pruebas expresadas en función de la eficiencia
de aireación E 20 y la altura de caída del chorro P .
Fig. 2.10. Eficiencia de aireación en función de la altura de cresta P (Wormleaton &
Tsang, 2000)
La conclusión mas relevante que se obtiene de la figura anterior es (Wormleaton & Tsang,
2000): Un vertedor rectangular es mas eficiente que un triangular, y un vertedor triangular
es mas eficiente que uno recto, en el mejoramiento de la concentración de oxigeno aguas
abajo (ó eficiencia de aireación). Esta observación es importante porque ilustra el efecto de
la interferencia sobre la aireación en vertedores triangulares.
Para la aireación del vertedor laberinto del proyecto La Joya, ubicado en el río
Desaguadero, el Laboratorio de Hidráulica LHUMSS, optó por colocar una tubería de
aireación al lado derecho del vertedor, que lleva el aire de la superficie del río a la zona de
subpresión. El dimensionamiento de las tuberías de aireación está descrito en Bos (1989).
La implementación de pilares ubicados sobre la cresta, es otra solución que se ha
implementado en diversos proyectos. Hinchliff & Houston (1983) recomiendan que los
pilares sean ubicados a una distancia entre 8% y 10% de la longitud del brazo del vertedor,
medidos desde las puntas de aguas abajo. La altura de los pilares no tiene que ser lo
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Capítulo 2 Marco Teórico
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suficientemente alta para cubrir todo el rango de tirantes de agua, sino solamente el rango
de operación en la fase aireada (Lux, 1989). Este sistema de aireación se ilustra en la figura
2.11.
Fig. 2.11. Pilares de aireación en vertedor laberinto (Houston, 1983)
2.1.5 Diseño de vertedores laberinto
2.1.5.1 Consideraciones generales sobre los parámetros de diseño
Diferentes estudios realizados sobre vertedores laberinto han demostrado que los
parámetros de mayor importancia en el diseño de estas estructuras son, W/L (ancho del
vertedor / longitud total de la cresta), h/P (tirante de agua / altura de la cresta), (ángulo de
abertura), W/P (ancho total del vertedor/altura de la cresta). Otro parámetro, de menor
influencia, es el tipo de cresta. Finalmente, el número de ciclos n no es un parámetro de
importancia en la descarga de vertedores laberinto. Las condiciones de flujo y del canal de
aproximación, son también parámetros con gran influencia en la determinación del
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Capítulo 2 Marco Teórico
20
coeficiente de descarga de vertedores laberinto. En los siguientes párrafos se describen
cada uno de los parámetros mencionados.
a) Parámetro h/P . Debido a que el coeficiente de descarga disminuye con el incremento
del tirante, los vertedores laberinto tienen mayor aplicación en situaciones donde el
tirante es pequeño. Lux (1989) recomienda que el valor máximo de h/P está entre 0.45 a
0.50. No obstante, algunos vertedores laberinto han sido diseñados con valores de h/P
mayores a 1. El máximo valor de h/P depende más del modelo con el que los
coeficiente de descarga han sido determinados que algún valor absoluto. Tullis (1995)
determinó coeficientes de descarga para valores de h/P hasta 0.9. Por otro lado, Lux
menciona que un vertedor laberinto se constituye en una solución económica como tal,
para valores de h/P hasta 0.7. Más allá de este valor, existen otros tipos de vertedores en
los que el coeficiente de descarga se incrementa con el incremento en el tirante, tales
como un vertedor tipo Ogee, que puede ser una alternativa más efectiva
económicamente.
b)
Parámetro W/P . Hay & Taylor (1970) recomienda que para minimizar el efecto de la
interferencia de napas, el parámetro W/P debe ser mayor a 2. Para propósitos de diseño
y dimensionamiento inicial (o prediseño), un valor entre 2 y 2.5, es recomendado porLux (1989). Valores de W/P mayores a 2.5, resultan en una estructura más ancha y por
consiguiente menor ganancia en la longitud total de descarga. Valores de W/P menores
a 2 no deben usarse ya que la eficiencia del vertedor laberinto disminuye, esto debido a
que los ciclos no son lo suficientemente amplios para permitir el flujo sin considerable
interferencia de las napas.
c) Parámetro L/W . Lux (1989) indica que para valores de L/W mayores a 6, se obtienen
pequeños incrementos en la eficiencia, a menos que el tirante de agua sea pequeño
(h/P
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Capítulo 2 Marco Teórico
21
d) Ángulo de abertura . Este factor es de principal importancia en la determinación de la
eficiencia del vertedor laberinto. Valores pequeños de ángulos de abertura, resultan en
problemas de interferencia de napas ya que el ancho de ciclo disminuye a medida que lohace el ángulo de abertura. Hay & Taylor (1970) manifiestan que los vertedores
triangulares deberían ser usados donde sea posible. Si un vertedor triangular no es
aceptable por alguna razón, un vertedor trapezoidal con un ángulo de abertura no menor
a 1.5T, donde es el ángulo de abertura para un vertedor triangular, puede ser usado sin
pérdidas grandes en la eficiencia del vertedor. El ángulo de abertura se define como el
ángulo que existe entre brazos adyacentes de un vertedor laberinto (ver Fig. 2.1)
e) Ángulo de inclinación de la cresta . Ledezma (1999), realizó pruebas con distintos
vertedores y ángulos de inclinación de cresta, manteniendo constante el ángulo de
abertura . Dicho autor, determinó que para ángulos de inclinación de cresta
aproximadamente mayores a 9º, la eficiencia del vertedor incrementa en comparación
de un ángulo igual a 0º. Este incremento se produce solamente en condiciones
aireadas y para valores de h/P aproximadamente menores a 0.5. Adicionalmente,
LHUMSS (1999) determinó que la inclusión del ángulo de inclinación en la cresta
mejora las propiedades de auto-limpieza del vertedor laberinto. Similarmente, Alfaro(2004), realizó un estudio para la determinación de coeficientes de descarga en
vertedores laberinto, donde se incluyó un grupo de vertedores con ángulo de inclinación
de cresta, los cuales, una vez más presentaron mayor eficiencia en cuanto a aireación
respecto a vertedores sin inclinación de cresta.
f)
Tipo de cresta. Bajo condiciones sumergidas, el coeficiente de descarga tiende a ser
independiente del tipo de cresta (Lux, 1989). En consecuencia, el uso de complejostipos de cresta es innecesario cuando los vertedores podrían trabajar bajo dichas
condiciones. Los tipos de cresta, afilada, de cuarta y media circunferencia son los más
comunes y su uso mejora la eficiencia de los vertedores siempre que estos funcionen en
la fase aireada.
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Capítulo 2 Marco Teórico
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g) Condiciones de flujo en el canal de aproximación. Debido a su forma en planta y su
gran capacidad de descarga, el vertedor laberinto es particularmente afectado por las
condiciones de flujo en el canal de aproximación. Según Lux (1989), dos factores
principales afectan la eficiencia del vertedor: la dirección del flujo en el canal de
aproximación respecto del eje longitudinal de los ciclos del vertedor, y la forma de las
estructuras, o topografía, existente a la entrada aguas arriba del vertedor. La orientación
óptima para el vertedor, se sitúa con su eje longitudinal paralelo a las líneas de flujo.
Esta configuración produce una distribución de flujo uniforme sobre el vertedor, de tal
forma que, cada ciclo trabaja bajo las mismas condiciones. Sin embargo, algunos
vertedores laberinto instalados en canales están orientados con un cierto ángulo respecto
de su eje longitudinal, con pequeñas perdidas en su eficiencia. Como ejemplos se puede
citar, el vertedor laberinto de la presa de Hyrum en Denver Colorado y el vertedor
laberinto del proyecto La Joya en el río Desaguadero en Bolivia.
2.1.5.2 Curvas de Diseño
Varios investigadores han desarrollado curvas para diseño de vertedores laberinto. Algunos
usan la altura de agua sobre la cresta y otros la altura total aguas arriba (la altura de agua
más la altura de velocidad). Algunas curvas son para vertedores ubicados en canal, y otros
son para vertedores ubicados al inicio de canales (presas). Algunas de las más comunes
curvas de diseño se exponen a continuación.
a) Hay & Taylor (1970)
En los experimentos desarrollados por Hay & Taylor (1970), la descarga fue considerada en
términos adimensionales, dividiendo la descarga a través del vertedor laberinto entre la
descarga sobre un vertedor recto, para un mismo ancho de canal. De esta manera, una
familia de curvas que representa las características dadas es:
( ) L N
Q h f PQ
= (2.4)
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Capítulo 2 Marco Teórico
23
Donde:
QL: Descarga total a través del vertedor laberinto.
QN: Descarga a través de un vertedor recto con el mismo ancho del vertedor
laberinto.h: Tirante de agua sobre la cresta.
P: Altura de la cresta.
Las curvas de diseño preparadas por Hay & Taylor (1970) se muestran en la figura 2.12.
Estas curvas son para vertedores laberinto ubicados en canales.
Fig. 2.12. Curvas de diseño para vertedores a)Trapezoidales y b)Triangulares (Hay &
Taylor, 1970)
La descarga para un vertedor recto en estos estudios fue determinada con la ecuación de
Kindsvater & Carter (1959):
/· · 3 2k k e eQ C L h= (2.5)
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Donde el coeficiente de descarga C k viene por:
. .k h
C 3 22 0 40 P
= + (2.6)
La longitud equivalente de cresta Leq, está dado por:
.eq L L 0 003= (2.7)
Y la altura de agua sobre la cresta está dada por:
.eqh h 0 003= + (2.8)
Donde:
Leq: Longitud de cresta equivalente, en pies.
heq: Altura de agua equivalente, en pies.
Las unidades empleadas en las ecuaciones 2.5 a 2.8 son pies y segundos. Las correcciones a
la longitud y la altura de agua, hacen diferencia solo en valores pequeños de h/P que
pueden ser observados en modelos físicos. Para dimensiones de prototipos, estas
correcciones son despreciables, pero en un modelo con pequeños tirantes, estas
correcciones son significativas.
b) Afshar (1988)
Afshar (1988) comenta que las pruebas efectuadas por Lux & Hinchliff (1985), fueron
realizados en vertedores de cresta redondeada. Un estudio similar al realizado por Lux fue
llevado a cabo empleando vertedores de cresta delgada. Los cálculos del caudal de descarga
son similares a los descritos por Lux & Hinchliff (1985). Las curvas de diseño
determinadas para vertedores triangulares y trapezoidales, se ilustran en la figura 2.13
Lux & Hinchliff (1985) y Afshar (1989), definen cuatro fases por las que el flujo pasa a
medida que el tirante de agua aumenta. Estas cuatro fases han sido denominadas:
totalmente aireada, parcialmente aireada, transicional y sumergida.
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Capítulo 2 Marco Teórico
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Fig. 2.13. Curvas de diseño para vertedores a)triangulares y b)trapezoidales (Afshar,
1989)
En la fase totalmente aireada , el flujo cae libremente sobre toda la longitud de la cresta. El
tirante es pequeño, y, ni el espesor de la napa, ni las condiciones de aguas abajo tienenefecto alguno en el coeficiente de descarga. En esta fase, el vertedor se comporta casi
idealmente comparado a un vertedor recto.
A medida que el tirante se incremente sobre la cresta, el chorro crece y las napas convergen
entre si en las puntas de aguas arriba. Esta interferencia de las napas dificulta la aireación
en las puntas. El comienzo de la interferencia de napas define el inicio de la fase
parcialmente air eada . Debido a la interferencia de napas, el flujo en las puntas de aguas
arriba se hace sumergido y el aire bajo la napa es desplazado hacia las puntas aguas abajo
para mantener la aireación. Un paquete de aire estable se forma a lo largo de los brazos del
vertedor y en las puntas de aguas abajo.
Para un mayor incremento en el tirante de agua, la napa se hace sumergida en varios
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Capítulo 2 Marco Teórico
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lugares a lo largo de la cresta. El paquete de aire estable se divide en paquetes de aire más
pequeños que intermitentemente se mueven hacia las puntas de aguas arriba. Este es el
inicio de la fase transicional . Visualmente es difícil distinguir entre la fase parcialmente
aireada y la fase transicional, pero la región de transición puede ser fácilmente identificadacomo una discontinuidad en la curva del coeficiente de descarga (Fig. 2.13).
Finalmente, cuando el flujo sobre la cresta forma una napa no aireada, el flujo se encuentra
en la fase sumergida . A medida que el tirante sobre la cresta se incrementa aun más, esto
lleva a la sumergencia total del vertedor laberinto. El vertedor laberinto estará
completamente sumergido cuando el nivel de aguas abajo se encuentre por encima del nivel
de la cresta (Hay & Taylor, 1970).
c)
Tullis (1995)
La siguiente figura muestra las curvas de diseño para diversos ángulos de abertura
Fig. 2.14. Curvas de diseño (Tullis, 1995)
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Tullis (1995) definió un coeficiente de descarga que usa la altura total de agua sobre la
cresta. La ecuación de descarga propuesta es:
.1 5 L T
2Q C L 2 g Ho3
= (2.9)
Los coeficientes de descarga para vertedores triangulares mostrdos en la figura 2.17., están
en función de el ángulo que el brazo del vertedor forma con la dirección del flujo (mitad del
ángulo de abertura ).
Los datos graficados fueron ajustados a una ecuación de la forma:
2 3 4o o o o
T 1 2 3 4 5
H H H H C A A A A A
P P P P
= + + + +
(2.10)
Los coeficientes de A se muestran en la siguiente Tabla 2.1.
Tabla 2.1. Coeficientes para curvas de diseño (Tullis, 1995)
F A1 A2 A3 A4 A56 0.49 -0.24 -1.20 2.17 -1.03
8 0.49 1.08 -5.27 6.79 -2.8312 0.49 1.06 -4.43 5.18 -1.9715 0.49 1.00 -3.57 3.82 -1.3818 0.49 1.32 -4.13 4.24 -1.5025 0.49 1.51 -3.83 3.40 -1.0535 0.49 1.69 -4.05 3.62 -1.1090 0.49 1.46 -2.56 1.44 0.00
Para determinar valores intermedios del ángulo T, se debe calcular los coeficientes de
descarga para dos ángulos adyacentes y luego interpolar entre estos valores. No debeninterpolarse los coeficientes A. Los coeficientes de descarga para vertedores laberinto son
validos en el rango de H o /P con límite superior igual a 0.9. Para vertedores rectos este
límite es de 0.7. Estos límites no son restrictivos ya que el diseño es generalmente limitado
para un valor de H o /P menor a 0.7.
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Capítulo 2 Marco Teórico
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d) Alfaro (2004)
Alfaro (2004) definió un coeficiente de descarga que usa la altura de agua sobre la cresta.
La ecuación de descarga propuesta es:
.1 5 L d
2Q C L 2 g H
3= (2.11)
Los coeficientes de descarga para vertedores triangulares se muestran en la figura 2.15., en
función de el ángulo de inclinación de cresta, para un ángulo de abertura igual a 60º.
Cd Vs Ho/P
0.570
0.590
0.6 10
0.630
0.650
0.670
0.690
0.7 10
0.730
0.750
0 .10 0 0.120 0.14 0 0.16 0 0 .180 0.2 0 0 0 .22 0 0 .2 40 0 .2 60 0.28 0 0.3 0 0
Ho/P
C d
Fig. 2.15. Curvas de diseño (Alfaro, 2004)
Los datos graficados fueron ajustados a una ecuación de la forma:
(2.12)
Los coeficientes de A se muestran en la siguiente Tabla 2.2.
2 3
o o o1 2 3 4
H H H Cd A A A A
P P P
= + + +
G=0ºG=3º
G=9º
G=6º
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Capítulo 2 Marco Teórico
29
Tabla 2.2. Coeficientes para curvas de diseño (Alfaro, 2004)
G A1 A2 A3 A40 1.03 -1.85 1.26 0.49
3º 1.99 -2.96 1.51 0.476º 1.20 -1.78 0.92 0.569º 1.65 -2.55 1.28 0.50
2.2 Procesos morfológicos asociados a vertedores
A continuación, se hace un breve descripción de los procesos morfológicos asociados a
vertedores en general.
2.2.1 Erosión y Socavación
La erosión en un cauce es el descenso del fondo debido al transporte de partículas
acumuladas como consecuencia de los fenómenos de dinámica fluvial naturales o
suscitados por obras del hombre (Vide, 2003).
Se denomina socavación al resultado de los procesos erosivos causados por el flujo del
agua, se pueden distinguir dos tipos de socavación, socavación general y socavación local.
2.2.1.1 Socavación general
La socavación general es la que se produce en lechos aluviales o cohesivos por efecto de la
dinámica de las corrientes. Es un fenómeno a largo plazo, sin embargo, eventos extremos,
como ser una crecida pueden acelerarlo (Urquieta, 2003; Romero, 2004). La socavación
general del fondo se puede explicar por la acción de un flujo de agua caracterizado
simplemente por una velocidad media (Vide, 2003). Afecta a tramos largos del cauce ysería la única o primordial en un cauce recto, prismático y sin ninguna singularidad.
En la medida que el flujo arrastra más material, alcanza rápidamente su capacidad potencial
de arrastre, el mismo que es función de la velocidad. En ese punto ya no produce
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Capítulo 2 Marco Teórico
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socavación, la sección, orillas y fondo son estables.
2.2.1.2 Socavación local
Este fenómeno se presenta en sitios particulares del cauce, y es ocasionado por el paso de
las crecidas y por el efecto de obras civiles como ser pilas y estribos de puentes, obras de
encauzamiento, obras transversales de control, etc. (Romero, 2004). La socavación local del
fondo se explica por la acción de un flujo más complejo, que en una sección de la corriente
requeriría una descripción bidimensional de las velocidades (Vide, 2003). Se presenta
asociada a obstáculos y afecta a una pequeña extensión del lecho. El flujo local tiene una
fuerte turbulencia y desarrolla vórtices.
Los casos más típicos de socavación localizada son aquellos que se dan al pie de taludes;
alrededor del pilas y estribos de puentes o inmediatamente aguas abajo de un embalse o
vertedor. El embalse o vertedor retiene casi la totalidad del transporte solidó del rió, así, el
agua que es descarga aguas abajo de la estructura está casi totalmente libre de sedimentos,
teniendo por lo tanto una capacidad de erosión considerable.
La erosión local aguas abajo de un vertedor recto es más aguda cuanto más
perpendicularmente incide el agua sobre el lecho (Vide, 2003). El proceso de erosión es
particularmente complejo y depende de la interacción de factores hidráulicos y
morfológicos. El principal peligro de este tipo de socavación local es la vulnerabilidad de la
estabilidad de la estructura, ya sea debido a una falla estructural o a la filtración
incrementada (Breusers y Raudkivi, 1991).
2.2.2 Agradación
La agradación es el proceso que ocurre cuando la capacidad de transporte es superada, cesa
o no es alcanzada (Romero, 2004). Una deposición de sedimento ocurre cuando la
velocidad de arrastre y la turbulencia disminuyen (Van Rijn, 1986), y cuando la carga de
sedimentos es mayor que la energía del río. A medida que el flujo avanza fuera de la zona
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Capítulo 2 Marco Teórico
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de erosión local, las velocidades disminuyen y la corriente deposita el material que
transporta.
2.3
Medidas de protección
El control de la erosión puede ser proporcionado por diversos materiales y métodos. A
continuación se describen dos métodos de protección, uno de ellos es el de revestimiento de
enrocado o Rip-Rap, y el otro es acerca del método de estanques amortiguadores.
2.3.1 Revestimiento de enrocado o Rip-Rap
El Rip-Rap se describe como una capa o superficie de roca, lanzada o colocada
manualmente para prevenir la erosión, socavación o desgaste de una estructura o terraplén.
Otros materiales descritos como Rip-Rap son por ejemplo, roca fragmentada, escombros de
edificios o pedazos de concreto, y formas prefabricadas de concreto. Estos materiales son
similares a la roca y pueden ser lanzados o colocados manualmente en un terraplén para
formar un revestimiento flexible.
El Rip-Rap o enrocado lanzado son piedras gradadas colocadas en un terraplén de tal
manera que forman una capa de piedras sueltas; estas piedras pueden ajustarse a
movimientos del material de la base.
El enrocado colocado manualmente, consiste en piedras puestas cuidadosamente a mano o
por maquinaria que siguen un patrón definido; los espacios entre piedras grandes son
rellenados con piedras pequeñas quedando una superficie relativamente uniforme. La
necesidad de trabar piedras manualmente, requiere que la piedra sea relativamente uniforme
en tamaño y forma (cuadrada o rectangular).
En la figura 2.16 se ilustra los dos tipos de colocado de Rip-Rap.
El procedimiento básico de diseño involucra principalmente la determinación del tamaño
de la roca del revestimiento de enrocado o rip-rap, y varios otros parámetros como la
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Capítulo 2 Marco Teórico
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longitud de protección, la gradación del rip-rap, y el espesor del revestimiento.
Fig. 2.16. Tipos de colocado de Rip-Rap a)lanzado y b)manualmente (Brown &Clyde, 1989)
Los parámetros de diseño para revestimiento de enrocado, y el procedimiento de diseño
están descritos en Scott A. Brown & Eric S. Clyde, 1989, “Design of Rip-Rap Revetment”,
U.S Department of Transportation – Federal Highway Administration, Marzo 1989. Brown
& Clyde (1989), proponen una metodología para la determinación del diámetro medio de
partícula del rip-rap, basados en la teoría de la fuerza tractiva y considerando a la velocidad
de flujo como su principal parámetro.
2.3.2 Estanques amortiguadores
Son dispositivos para reducir la velocidad de flujo a la salida de embalses o vertedores
antes que este retorne al canal del río. En situaciones donde la energía del flujo a la salida
de un vertedor debe ser disipada antes que retorne al canal del río, los estanques
amortiguadores son un adecuado dispositivo para reducir la velocidad de salida a un estado
tranquilo. El resalto que ocurre en un estanque amortiguador tiene distintas características y
asume una forma definida, dependiendo de la relación entre la energía de flujo que debe ser
disipada y la profundidad de flujo. La U.S. Bureau of Reclamation ha desarrollado una
serie de pruebas para determinar las propiedades de dicho resalto hidráulico. La forma del
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Capítulo 2 Marco Teórico
33
resalto y las características del flujo pueden ser relacionadas al número de Froude. Los
estanques amortiguadores propuestos por la USBR (1984), tienen distintas aplicaciones que
dependen del tipo de estructura que descarga el agua, y primordialmente del tipo de resalto
(número de Froude) asociado a la salida de estas estructuras.
Por otro lado, debido al complejo flujo tridimensional a la salida del vertedor laberinto, la
distribución de velocidades se hace irregular y por tanto la determinación del número de
Froude de difícil a imposible. Savage, Frizell, y Crowder (2005), realizaron la modelación
del flujo sobre un vertedor laberinto a través de un modelo computacional CFD (FLOW-
3D). Con la finalidad de ilustrar la distribución de velocidades a la descarga de un vertedor
laberinto, determinaron las graficas que se observan en la figura 2.17.
Fig. 2.17. Esquema en corte de la distribución de velocidades en un vertedor laberinto
según Savage, Frizell, y Crowder (2005) con el uso de FLOW-3D
Una alternativa de estanque amortiguador introducido por Perterka (1984) se muestra en la
figura 2.18. Cuando el flujo es considerablemente turbulento e irregular, las altas energías
pueden ser disipadas con el uso de este tipo de estructuras. El comportamiento hidráulicode este tipo de disipador es manifestado principalmente por la formación de remolinos en la
parte curva del estanque. El movimiento de estos remolinos junto con el efecto mezclador
del flujo entrante, efectivamente disipan la energía del agua y previene la excesiva erosión
hacia aguas abajo (Peterka, 1984). A manera de ilustración, en la figura 2.18 se muestra un
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Capítulo 2 Marco Teórico
34
esquema de este tipo de estanque amortiguador.
Fig. 2.18. Esquema de un estanque amortiguador curvo (Peterka, 1984)
El diseño de estas estructuras envuelve la determinación de radios de curvatura, u otras
características principalmente relacionadas a su configuración geométrica, así como el
rango funcionamiento en cuanto a profundidades de flujo a los que estará expuesto.
Los métodos de rip-rap y estanques amortiguadores serán analizados en el Capítulo 5 con la
finalidad de obtener resultados aplicables a vertedores laberinto.
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35
Capítulo 3
PLANIFICACIÓN, DISEÑO, CONSTRUCCIÓN
E IMPLENTACIÓN DEL MODELO EXPERIMENTAL
3.1 Planificación y diseño del modelo
La planificación del modelo utilizado en la etapa experimental del estudio, se dividió en
seis etapas, las mismas definen las condiciones de borde o alcance del trabajo. Estas etapas
se describen a continuación.
3.1.1 Determinación del área de trabajo
El canal de sección rectangular y pendiente regulable instalado en el laboratorio de
hidráulica LHUMSS dividido en tres tramos los cuales se observan claramente en una vista
en planta del mismo (Fig. 3.1). A lo largo de los 18 m de longitud total que posee, en los
primeros 5.7 metros se encuentra un bloque de concreto alivianado con espesor de 15 cmsobre la base del canal, los siguientes 4.5 m están destinados para implementación del
modelo y material del lecho (15 cm de espesor) a ser usados en las pruebas. A continuación
se encuentra otro bloque de concreto alivianado con espesor de 15 cm y que se extiende 5.0
m hacia aguas abajo terminado en el lugar donde ubicado el desarenador del canal. La
sección del canal es rectangular e uniforme con 0.8 m de ancho en toda su longitud y 1.2 m
de longitud.
Se ubicaron los vertederos a una distancia de 1.50 m hacia aguas abajo medidos desde la
parte final del primer bloque de concreto, es decir, el material del lecho utilizado fue
colocado tanto aguas arriba como aguas abajo de la estructura. La longitud del lecho aguas
abajo varia desde 2.35 a 2.67 m aproximadamente, según las dimensiones del vertedor que
se estudie.
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Capítulo 3 Planificación, diseño, construcción e implementación del modelo experimental
36
5.7 m4.5 m5.0 m
Desarenador
2.8m
18m
FLUJO
5.7 m4.5 m5.0 m
Bloque de concreto alivianado
Bloque de concreto alivianado
2.8m
Bloque de concretoAlivianado Material del lecho 0
. 1 5 m
a) Planta
b) Elevación
FLUJOBloque de concreto
AlivianadoDesarenador
Tuberia desuministro de caudal
Fig. 3.1. Esquema del área de trabajo en canal, a) Planta y b) Elevación
3.1.2
Selección de la pendiente del canal
La pendiente dispuesta se mantendrá constante durante la realización de todas las pruebas
programadas. Se seleccionó un valor de 0.1% tomando en consideración la función
principal que tiene un vertedor, la cual es la de subir el nivel de aguas para fines de reserva
y aprovechamiento.
Fig. 3.2. Compuerta elevada para cumplir con la co