Serie: Tcnica Agua y Suelo N 1

ESTRUCTURAS DE MEDICION DE CAUDAL

VERTEDEROS DE PARED DELGADA - Rectangular y Triangular -

Daniel Vega B.

Centro Andino para la Gestin y Uso del Agua

Cochabamba, 2004

PRESENTACION Esta gua es parte de la serie: Mtodos y Estructuras de Medicin de Caudales que el Centro AGUA ha elaborado como parte de sus objetivos de apoyo a la enseanza de pre-grado de la Facultad de Ciencias Agrcolas y Pecuarias Martn Crdenas. Esta gua tambin est dirigida a profesionales que trabajan en el rea de recursos hdricos. El documento aborda conceptos bsicos y principios de funcionamiento de los vertedores de pared delgada; asimismo, las condiciones y requerimientos para su utilizacin se exponen en forma amplia. Finalmente, paso a paso y con ejemplos, se explican los procedimientos para la toma de datos necesarios y la evaluacin de la descarga con este tipo de estructuras. La gua es producto de la sistematizacin de informacin existente sobre el tema y de la experiencia adquirida. El texto, de consulta rpida, brinda informacin esencial para realizar una apropiada medicin del caudal con vertedores de pared delgada.

El autor

RECONOCIMIENTO

La presente publicacin fue posible gracias al apoyo institucional del Centro AGUA y su equipo de trabajo. Agradezco especialmente a Paul Hoogendam, Fidel Amurrio, Carlos Rojas, Ivn del Callejo y Oscar Delgadillo por sus valiosos comentarios.

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIN---------------------------------------------------------------------------------------- 1 2. VERTEDEROS DE PARED DELGADA------------------------------------------------------------ 2

2.1. DESCRIPCIN ------------------------------------------------------------------------------------------ 2 2.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO -------------------------------------------------------------------- 2 2.3. CONDICIONES PARA SU UTILIZACION --------------------------------------------------------------- 3

2.3.1. Descarga libre ---------------------------------------------------------------------------------- 3 2.3.2. Caudales a ser medidos ----------------------------------------------------------------------- 4 2.3.3. Caractersticas del canal o cauce natural -------------------------------------------------- 4 2.3.4. Caractersticas del flujo ----------------------------------------------------------------------- 4

2.4. SITIO DE AFORO E INSTALACIN DEL VERTEDERO ------------------------------------------------- 5 2.4.1. Eleccin de sitio de aforo --------------------------------------------------------------------- 5 2.4.2. Instalacin del vertedero ---------------------------------------------------------------------- 6

2.5. MEDICIONES HIDRULICAS NECESARIAS Y PROCEDIMIENTO DE TOMA DE DATOS ------------- 7 2.5.1. Altura a la cresta y ancho de espejo de agua----------------------------------------------- 7 2.5.2. Niveles de agua --------------------------------------------------------------------------------- 8

2.6. ELECCIN DEL TIPO DE VERTEDERO ---------------------------------------------------------------- 9 2.6.1. Prdida de carga requerida------------------------------------------------------------------- 9 2.6.2. Rango de medicin de caudales -------------------------------------------------------------- 9 2.6.3. Capacidad para transportar material slido ----------------------------------------------10 2.6.4. Sensibilidad ------------------------------------------------------------------------------------10

3. VERTEDERO DE PARED DELGADA RECTANGULAR ------------------------------------12 3.1. DESCRIPCIN -----------------------------------------------------------------------------------------12 3.2. EVALUACIN DE LA DESCARGA --------------------------------------------------------------------13 3.3. REQUERIMIENTOS PARA SU USO --------------------------------------------------------------------15 3.4. PLANILLAS DE TOMA DE DATOS --------------------------------------------------------------------16 3.5. EJEMPLO DE APLICACION----------------------------------------------------------------------------16

4. VERTEDERO DE PARED DELGADA TRIANGULAR ------------------------------------------19 4.1. DESCRIPCIN -----------------------------------------------------------------------------------------19 4.2. EVALUACIN DE LA DESCARGA --------------------------------------------------------------------20 4.3. PLANILLA DE TOMA DE DATOS----------------------------------------------------------------------23 4.4. EJEMPLO DE APLICACION----------------------------------------------------------------------------24

BIBLIOGRAFA ----------------------------------------------------------------------------------------------26 ANEXOS --------------------------------------------------------------------------------------------------------27

INDICE DE FIGURAS FIGURA 1 VERTEDERO TRIANGULAR DE PARED DELGADA ---------- SISTEMA DE RIEGO CHIYARA QOCHI

SACABAMBA-COCHABAMBA ------------------------------------------------------------------------------ 1 FIGURA 2 VERTEDERO DE PARED DELGADA.---------------------------------------------------------------- 2 FIGURA 3 CONDICIONES DE DESCARGA DE LA LMINA VERTIENTE.-------------------------------------- 3 FIGURA 4 SITIO RECOMENDADO PARA EL AFORO. ---------------------------------------------------------- 5 FIGURA 5 POSICIN DEL VERTEDERO RESPECTO A LA DIRECCIN DEL FLUJO. -------------------------- 6 FIGURA 6 INSTALACIN VERTEDERO DE PARED DELGADA ------------------------------------------------ 6 FIGURA 7 ALTURA A LA CRESTA Y ANCHO DE ESPEJO DE AGUA.------------------------------------------ 7 FIGURA 8 ALTURA DE CARGA VERTEDEROS DE PARED DELGADA -------------------------------------- 8 FIGURA 9 MEDICIN DE LA ALTURA DE CARGA.------------------------------------------------------------ 9 FIGURA 10 VERTEDERO RECTANGULAR DE PARED DELGADA ------------------------------------------12 FIGURA 11 VALORES DE KB PARA EL CLCULO DEL ANCHO EFECTIVO DE DESCARGA (BE)----------14 FIGURA 12 VERTEDERO TRIANGULAR DE PARED DELGADA --------------------------------------------19 FIGURA 13 VALORES DE CE VERTEDERO TRIANGULAR CON CONTRACCIN COMPLETA.----------21 FIGURA 14 VALORE DE CE VERTEDERO TRIANGULAR DE 90 CON CONTRACCIN PARCIAL. -----21 FIGURA 15 VALORES DE COEFICIENTE DE AJUSTE DE LA ALTURA DE CARGA (KH) -------------------22 FIGURA 16 DISTINTOS MTODOS Y ESTRUCTURAS PARA LA MEDICIN DEL CAUDAL. ---------------29 FIGURA 17 ENERGA ESPECFICA --------------------------------------------------------------------------31 FIGURA 18 DESCENSO Y SALTO HIDRULICO-------------------------------------------------------------32 INDICE DE TABLAS TABLA 1 RANGO DE CAUDALES - VERTEDEROS RECTANGULAR Y TRIANGULAR PORTTILES .......... 4 TABLA 2 RANGO DE MEDICIN - VERTEDEROS RECTANGULAR Y TRIANGULAR ............................. 10 TABLA 3 COEFICIENTES EFECTIVOS DE DESCARGA ........................................................................ 13 TABLA 4 LMITES RECOMENDABLES DE APLICACIN - VERTEDEROS TRIANGULARES..................... 20 INDICE DE ANEXOS ANEXO 1 HIDROMETRA CONCEPTOS TILES------------------------------------------------------------28 ANEXO 2 SISTEMA DE UNIDADES Y FACTORES DE CONVERSIN-----------------------------------------30 ANEXO 3 ENERGA ESPECFICA Y REGMENES DE FLUJO. ------------------------------------------------31 ANEXO 4 COEFICIENTES EFECTIVOS DE DESCARGA (CE) V. RECTANGULAR DE PARED DELGADA-33 ANEXO 5 PLANILLAS DE TOMA DE DATOS -----------------------------------------------------------------34

1

1. INTRODUCCIN Los vertedores de pared delgada son estructuras de medicin de caudales de alta precisin, cuando funcionan en condiciones apropiadas, y usualmente son empleados para el aforo de caudales a nivel de la red de distribucin y en parcela. Numerosos tipos de vertederos de pared delgada han sido desarrollados1: o Vertedero rectangular o Vertedero triangular o Vertedero trapecial (Cipoletti) o Vertedero circular o Vertedero proporcional (Sutro)

Figura 1 Vertedero triangular de pared delgada Sistema de riego Chiyara Qochi

Sacabamba-Cochabamba

La gua aborda los vertederos de pared delgada rectangulares y triangulares, debido a su sencillez constructiva y por ser los ms comunes en nuestro medio. Vale remarcar que slo se abordan vertederos porttiles, las estructuras fijas salen del alcance de la presente gua, sin embargo los temas desarrollados son igualmente aplicables a estas ltimas. En un principio, el documento se enfoca sobre aspectos generales relacionados a los vertederos de pared delgada: principio de funcionamiento, condiciones para su empleo, mediciones requeridas y seleccin del sitio y estructura de aforo. Posteriormente, se detallan los vertederos rectangular y triangular: descripcin de la estructura, evaluacin de la descarga, requerimientos para su uso, planillas para la toma de datos y ejemplos de aplicacin.

1 Referencias detalladas de las diversas estructuras de medicin de caudales se pueden encontrar en Bos, 1989: Discharge measurement structures. 3 ed. ILRI publication 20. Wageningen, The Netherlands. 401 p.

2

2. VERTEDEROS DE PARED DELGADA

2.1. DESCRIPCIN

Los vertederos de pared delgada son estructuras que represan el flujo para provocar su descarga por encima de las mismas, dando lugar a una lmina vertiente sobre el cuerpo del vertedero con lneas de flujo fuertemente curvadas. Estas estructuras se denominan de cresta o pared delgada porque la misma tiene un espesor menor o igual a 2 mm, en muchos casos este espesor se consigue biselando (afilando) los lados de la ventana del vertedero, ver Figura 2.

Figura 2 Vertedero de pared delgada.

En general, estas estructuras son empleadas cuando se requiere alta precisin en la medicin de caudales. Los vertederos de pared delgada presentan las siguientes ventajas y desventajas:

Ventajas Desventajas Medicin precisa para un amplio rango de

caudales. Fcil construccin e instalacin en canales

de tierra. Econmico.

Ocasiona una fuerte prdida de carga. Muy mala capacidad para el paso de sedimentos y

material flotante arrastrado por el flujo. Inapropiados para canales revestidos* (estructuras

porttiles). * Revestimientos de hormign o piedra. Sin embargo, es posible dejar guas para la instalacin del vertedor, en estos casos, las dimensiones del mismo sern especficas para cada caso particular.

2.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

En los vertederos de pared delgada el concepto de flujo crtico no es aplicable (Bos, 1989). La derivacin de la relacin entre el caudal y la altura de carga se basa en el principio de Torricelli ( gHv 2= ), la cual puede ser expresada de manera general como sigue:

Q = caudal K = coeficiente h1 = altura de carga

El valor de u puede variar de 1.0 a 2.5 de acuerdo a la forma geomtrica del vertedero.

Vertedero u Rectangular 1.5 Triangular 2.5

uKhQ 1=

p1

h1

h2

1 a 2 mm

Aguas arriba

3

La precisin de los vertederos de cresta delgada es alta, en condiciones apropiadas puede tener errores de menos del 1%. Por lo general, en condiciones de campo se tienen errores de alrededor del 5%. Al respecto, tanto el vertedero rectangular como el vertedero triangular de pared delgada presentan una alta precisin.

2.3. CONDICIONES PARA SU UTILIZACION

El uso de los vertederos de pared delgada porttiles est condicionado a los siguientes aspectos principales:

2.3.1. Descarga libre

Para obtener esta elevada precisin es necesario que la lmina vertiente descargue completamente libre, asegurando que la presin sobre la misma sea la atmosfrica. Una altura de carga suficiente (3 a 5 cm) y un nivel aguas abajo lo suficientemente bajo generan condiciones apropiadas para no interferir con la ventilacin adecuada de la lmina vertiente (descarga libre), ver Figura 3.

Figura 3 Condiciones de descarga de la lmina vertiente.

LAMINA VERTIENTE LIBRE

AIRE (Presin atm.)

LAMINA VERTIENTE LIBRE

LAMINA VERTIENTE

LIBRE LAMINA

VERTIENTE NO AIREADA

4

En consecuencia, se requiere una prdida de carga considerable (diferencia de nivel aguas arriba y aguas abajo) para el apropiado funcionamiento del vertedor. Este aspecto es considerado como una de las mayores desventajas de este tipo de estructuras de aforo. Sin embargo, en la zona montaosa de nuestro pas, por lo general no existen limitaciones al respecto, al contrario, se dispone de carga hidrulica.

2.3.2. Caudales a ser medidos

Los vertederos de pared delgada permiten medir un amplio rango de caudales: menores a 1 l/s hasta mayores a 100 l/s, en caso de vertederos fijos pueden medirse caudales de hasta 800 l/s. En la Tabla 1 se resumen los valores de caudales que pueden ser medidos con vertederos porttiles de dimensiones usuales. Tabla 1 Rango de caudales - Vertederos rectangular y triangular porttiles

Tipo de vertedero Ancho (bc) cm

Altura (H) cm

Caudal mnimo (l/s)

Caudal mximo (l/s)

Rectangular 30 cm 20 3.0 30.0 45 cm 25 4.5 70.0 60 cm 30 6.0 130.0

Contraccin completa 0.8 Contraccin completa

18 Triangular

90 35 Contraccin parcial 0.8

Contraccin parcial 70.0

Los valores de caudal indicados han sido calculados tomando en cuenta algunas dimensiones usuales y parmetros recomendados para el adecuado funcionamiento de estas estructuras (ver 3.1 y 4.1).

2.3.3. Caractersticas del canal o cauce natural

El uso de estos vertederos (porttiles) est condicionado a canales que no presenten alta permeabilidad2.

El canal debe presentar suficiente bordo libre para evitar el desbordamiento del flujo aguas

arriba debido al remanso ocasionado por el vertedero. La pendiente del canal tiene que ser suave a moderada y uniforme. En canales con pendiente

pronunciada, el vertedero ocasionar resalto hidrulico (fuerte turbulencia). En canales con cortes profundos se dificulta la medicin.

2.3.4. Caractersticas del flujo

Este tipo de estructuras de aforo no es recomendable usarlas en casos de que el flujo arrastre mucho material flotante pues tienden a obstruirse. Tampoco es recomendable usarlas cuando el flujo arrastra material de fondo y/o en suspensin, pues constituye una barrera al flujo que

2 Se considera canal a cauces naturales y acequias.

bc H

5

ocasiona la acumulacin de material al pie de la estructura, modificando progresivamente el valor de p1 (altura a la cresta del vertedor). Otras condicionantes generales, relacionadas a la realizacin de mediciones con estructuras de aforo, son desarrolladas a continuacin.

2.4. SITIO DE AFORO E INSTALACIN DEL VERTEDERO

2.4.1. Eleccin de sitio de aforo

En la mayora de los casos la eleccin del sitio de aforo puede ser realizada por inspeccin visual, para este fin se recomienda tomar en cuenta los siguientes aspectos: El sitio debe ser fcilmente accesible e identificable (referenciado).

El flujo en el sitio debe ser preferentemente normal (permanente y uniforme) y tener rgimen

subcrtico, para mayores detalles ver Anexo 3. El canal debe tener un tramo lo ms largo y recto posible, con una seccin regular. Se

recomienda que, para asegurar mediciones precisas, la longitud aguas arriba sea diez veces o ms el ancho promedio de la seccin (La ar 10B), ver Figura 4.

Figura 4 Sitio recomendado para el aforo.

Las condiciones del canal aguas abajo no tienen importancia siempre que la lmina vertiente

sobre la cresta del vertedor sea libre. La velocidad del flujo de aproximacin a la estructura (aguas arriba) debe ser inferior a

0.15 m/s (15 cm/s)3, este lmite se recomienda para evitar turbulencia y lograr una superficie de agua lo suficientemente tranquila para la medicin exacta de la altura de carga.

El canal debe estar libre de perturbaciones: remolinos, remansos o retorno de flujos, observar

cambios sbitos de seccin, juntas, obstrucciones, entradas o salidas de flujo. Evitar otras estructuras aguas abajo que pudiesen influenciar el nivel de agua, el vertedero

funcionar adecuadamente en condiciones de lmina vertiente libre. La adecuada eleccin del sitio contribuye a lograr una mayor precisin en las mediciones. Al respecto, es importante tener en cuenta que si no existen condiciones ideales para el aforo, por lo general, es posible crearlas. 3 Al respecto, se recomienda que el nmero de Froude [Fr = v1/raiz(g*A1/B1)] no sea mayor a 0.5 (Fr 0.5).

L a ar 10B

B

Aguas arriba

Aguas abajo

Sitio de aforo

6

Una vez elegido el sitio de aforo se procede a la instalacin del vertedero, para ello se cuidarn los siguientes aspectos:

2.4.2. Instalacin del vertedero

El plano del vertedero debe ser perpendicular a la direccin del flujo y la arista de la cresta ubicada aguas arriba, ver Figura 5.

Figura 5 Posicin del vertedero respecto a la direccin del flujo.

La cresta debe ser recta y estar nivelada de manera que quede horizontal. Conviene

comprobar peridicamente la horizontalidad de la cresta. La altura de la cresta sobre el fondo del canal de llegada (p1) no debe estar a menos de 10 cm

de altura (ver Figura 2), por ello se debe controlar este valor a medida que se realiza el hincado de la estructura en el canal, es til que el vertedero tenga marcas para conocer el valor de p1 sin necesidad de medir. Otros vertederos presentan un tope para el hincado de forma que el valor de p1 es fijo y conocido.

Impermeabilizar cuidadosamente los laterales entre la estructura y las paredes del canal para

evitar filtraciones. Por lo general no es necesario impermeabilizar el fondo, sin embargo, cuando el material del canal es sensiblemente permeable ser necesario hacerlo, aunque en estas condiciones no es recomendable el aforo con este tipo de estructuras.

Instalado el vertedero, como se muestra en la Figura 6, se proceder a la toma de datos.

Figura 6 Instalacin vertedero de pared delgada

FLUJO

Aguas arriba

Aguas abajo

Arista cresta vertedero

90

p1

90

7

2.5. MEDICIONES HIDRULICAS NECESARIAS Y PROCEDIMIENTO DE TOMA DE DATOS

Una vez instalado el vertedero se debe esperar un tiempo para que el flujo se estabilice, generalmente 15 a 20 minutos, entonces se podrn realizar las mediciones necesarias para el clculo del caudal.

2.5.1. Altura a la cresta y ancho de espejo de agua

La altura a la cresta del vertedero (p1) y el ancho de espejo de agua (B1) son variables de importancia para la determinacin del caudal en los vertederos de pared delgada, ambas se obtienen por medicin directa, ver Figura 7.

FLUJO

p 1

FLUJO B 1

Figura 7 Altura a la cresta y ancho de espejo de agua.

Primero se toma la medida de la altura a la cresta del vertedero (p1), esta medida se toma desde el fondo del canal, aguas arriba de la estructura. Posteriormente, se mide el ancho promedio del espejo de agua (B1) correspondiente a h1, en el tramo de aproximacin aguas arriba del vertedor. En canales con seccin poco uniforme se recomienda tomar varias medidas del ancho de espejo de agua a lo largo del tramo de aproximacin (aguas arriba) para tomar un valor promedio. Sin embargo, es recomendable elegir tramos uniformes o de lo contrario acondicionar el mismo con ayuda de un azadn. En canales de seccin trapecial o parablica, como son la mayora de los canales no revestidos, el valor de B1 podra ser ajustado a un valor promedio segn su variacin de acuerdo con la forma del canal, sin embargo, por razones prcticas no se recomienda realizar este ajuste. Por ejemplo: Canal trapecialVertedor rectangular

(1) Ancho cresta bc 30 cm Valor medido(2) Altura de carga h1 14 cm Valor medido(3) Talud canal z 0,5 Valor calculado(4) Ancho espejo de agua

(superficie) B1' 84 cm Valor medido

(5) Ancho a nivel de la cresta B1

'' 70 cm (4) - 2*(2)*(3)(6) Ancho espejo de agua

(promedio) B1 77 cmPromedio entre:(4) y (5)

(7) Relacin bc/B1' 0,36 (2) / (4)

(8) Relacin bc/B1 0,39 (2) / (6)

B1

B1

8

En el ejemplo anterior se puede observar que los valores de la relacin (bc/B1) calculados con el ancho de espejo de agua (ancho en la superficie) y con el ancho promedio prcticamente no difieren y como se ver ms adelante (4.2) no tienen significancia para el clculo del caudal. Por tanto, para una mayora de situaciones prcticas no ser necesario ajustar el valor de B1.

2.5.2. Niveles de agua

La medicin de niveles de agua, con el propsito de determinar la altura de carga (h1) sobre el vertedero, constituye la tarea principal en este tipo de estructuras y merece el mayor de los cuidados. La altura de carga debe ser medida aguas arriba del vertedero a una distancia entre 3 a 4 veces la carga mxima esperada (d = 3 a 4h1max), con relacin a la cresta del vertedero, ver Figura 8.

Vista en Planta Vista A-A

Figura 8 Altura de carga vertederos de pared delgada

La altura de carga sobre la cresta del vertedero puede ser medida directamente o indirectamente. Sin embargo, es recomendable hacerlo de forma indirecta para lograr mayor precisin, para ello se recomienda el uso de un limnmetro, instrumento adecuado para realizar esta medicin. Sin embargo, en condiciones de campo normalmente no se dispone de un limnmetro, por ello se suele emplear un perfil metlico o listn recto sin deformaciones, el cual constituir el nivel de referencia para la medicin, y una regla o flexmetro. El perfil metlico o listn de madera tiene que ser lo suficientemente largo para atravesar desde el vertedero hasta la berma del canal, ver Figura 8 (vista en planta). Una vez nivelado el listn, se toma la altura desde el mismo hasta la cresta del vertedero (Hc), valor constante. Posteriormente, se mide la altura desde el listn (nivel de referencia) hasta la superficie del agua (Hs). Recordar que esta medicin debe ser realizada a una distancia aguas arriba del vertedero 3 a 4 veces la altura de carga mxima esperada (h1max.) sobre la cresta del vertedero. Finalmente, la altura de carga sobre el vertedero (h1) se calcula por diferencia:

sc HHh =1

d = 3 a 4h1 Nivel de referencia

(listn)

A A

Aguasarriba

d = 3 a 4 h1

Nivel de referencia

Hc

Hs

h1

9

La forma usual para la medicin en campo de la altura de carga se ilustra en la Figura 9. Con estos datos ser posible calcular por diferencia el valor de la altura de carga sobre la cresta del vertedero (h1). En algunos casos es posible emplear una manguera para determinar el nivel de agua aguas arriba del vertedero, el cual comparado con el nivel de la cresta nos permite determinar la altura de carga. Esta forma presenta limitaciones cuando la manguera es susceptible a taponamientos a causa de materiales arrastrados por el agua.

Figura 9 Medicin de la altura de carga.

La adecuada y cuidadosa medicin de niveles de agua contribuye a lograr una mayor precisin en la medicin del caudal. Durante el tiempo en que se realizan las mediciones, es recomendable comprobar peridicamente la correcta instalacin del vertedero de modo que no existan fugas en la estructura y que la estructura se mantiene nivelada y vertical. En caso contrario se debe corregir la posicin y verificar nuevamente el nivel, la verticalidad y la distancia del fondo del canal a la cresta (p1), adems se tendr que esperar un tiempo hasta que el flujo se estabilice nuevamente y continuar con las mediciones. Adems, se recomienda controlar la existencia de piedras, sedimentos, hierbas y material de arrastre que pueden afectar el adecuado funcionamiento del vertedero.

2.6. ELECCIN DEL TIPO DE VERTEDERO

La eleccin del tipo de vertedero depende de los siguientes aspectos principales:

2.6.1. Prdida de carga requerida

Estructuras con alta capacidad de descarga se caracterizan por altos coeficientes de descarga (Cd) y por ende requieren de menor prdida de carga. El vertedero rectangular presenta coeficientes de descarga ligeramente superiores al vertedero triangular, en consecuencia, para un mismo caudal provocar un menor remanso aguas arriba de la estructura.

2.6.2. Rango de medicin de caudales

El rango de medicin de caudales est definido como: = Qmax/Qmin. Los vertederos triangulares alcanzan mayores rangos de medicin que los rectangulares:

10

En la Tabla 2 se muestra un ejemplo comparativo de rango de medicin para un vertedor rectangular y un vertedor triangular: Tabla 2 Rango de medicin - Vertederos rectangular y triangular

Vertedero rectangular hmin (cm) hmax (cm) Qmin (l/s) Qmax (l/s) =Qmax/Qmin Ancho cresta (bc): 45 cm 5.0 15 9 46 ~5

Vertedero triangular

Angulo: 90 5.0 24 0.8 39 ~50 En el ejemplo, los valores de hmn y hmx responden a las condiciones para un funcionamiento adecuado de estas estructuras (ver 4.1 y 5.1). Se observa que el rango de medicin del vertedor triangular es mucho mayor al del vertedor rectangular, alrededor de 10 veces ms. Por esta razn, los vertederos triangulares se acomodan mejor a situaciones en las que el flujo presenta altas variaciones en cortos periodo de tiempo, por ejemplo descarga de pequeos estanques o atajados.

2.6.3. Capacidad para transportar material slido

En general, los vertederos de pared delgada presentan una pobre capacidad de transporte de material slido: sedimentos y material flotante. No obstante, tratndose de estructuras de medicin porttiles es posible controlar, durante la medicin, posibles obstrucciones por material flotante (ramas, hojas, etc). La sedimentacin al pie de la estructura podra ser despreciable debido a los periodos relativamente cortos de medicin, siempre que el flujo no arrastre excesivo material, de otro modo, la altura desde la solera a la cresta del vertedor podra variar rpidamente, ocasionando imprecisiones en la medicin del caudal.

2.6.4. Sensibilidad

La precisin con la cual puede ser determinado el caudal, no slo depende del error en el coeficiente de descarga, tambin depende de la sensibilidad (S) de la estructura de aforo. La sensibilidad se expresa como la variacin de la descarga a causa de los cambios relativos en el nivel de agua aguas arriba o errores en la medicin de la altura de carga. En consecuencia, una mayor sensibilidad de la estructura de aforo implica un mayor error probable en la medicin de la descarga.

1hhuS = , u = potencia en la ec. Q=Kh1u

Los orificios son estructuras menos sensibles (u=0.5) y los vertederos triangulares de pared delgada, entre otros, los ms sensibles (u=2.5). La sensibilidad se incrementa para valores mayores de u y para valores pequeos de h1, razn por la cual, en caso de vertederos triangulares y alturas de carga pequeas se deben extremar esfuerzos para realizar con exactitud la medicin de h1.

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Ejemplo:

En el ejemplo anterior se asume que se comete un error en la medicin de la altura de carga (h1) del orden de 0.5 cm (5 mm), este error puede traducirse en un error en la medicin del caudal similar al valor de la sensibilidad, para el vertedero rectangular se estara cometiendo un error algo menor al 15% en la medicin del caudal, y en el caso del vertedero triangular un error algo menor al 25%. A continuacin se presenta un resumen comparativo entre ambos tipos de vertederos. El vertedero rectangular con respecto al vertedero triangular: Presenta mayores coeficientes de descarga. Ocasiona menor remanso (menor bordo libre requerido). Permite la medicin de caudales mayores. Presenta mayor capacidad de transporte de material flotante. Tiene menor sensibilidad y en consecuencia menor error probable en la medicin del caudal

en condiciones de campo. Menos apropiado para casos de alta variabilidad de caudal en el flujo.

Algunas diferencias son poco significativas comparadas con otras estructuras de aforo.

Vertedor Rectangular Vertedor Triangular

Expresin para el clculo de la descarga

Valor de "u" 1,5 2,5

Condicin de descarga Contraccin completa Contraccin completaAltura de carga medida (h1) 0,050 m 0,050 mVariacin de la altura de carga (h) 0,005 m 0,005 mSensibilidad (S=u*h/h1) 15,0 % 25,0 %

5.2)2

tan(2158

ee hgCQ=5.12

32

eee hbgCQ =

12

3. VERTEDERO DE PARED DELGADA RECTANGULAR

3.1. DESCRIPCIN

Los vertederos rectangulares de pared delgada se caracterizan porque la forma de la ventana creada para el vertido del flujo es rectangular, existen tres tipos: Vertedero de contraccin completa (bc < B1) Vertedero sin contraccin lateral (vertedero Rehbock: bc = B1) Vertedero de contraccin parcial

En general, los tres tipos de vertederos deben ser empleados en canales rectangulares. Sin embargo, el vertedero rectangular de contraccin completa puede ser empleado independientemente de la forma del canal, siempre que la velocidad del flujo de aproximacin sea despreciable (B1(h1 + p1) 10bch1), por esta razn es el ms ampliamente utilizado, ver Figura 10.

Figura 10 Vertedero rectangular de pared delgada

Fuente: Bos, 1989 Para un adecuado funcionamiento del vertedero y una medicin confiable se recomiendan los siguientes lmites (Bos, 1989):

Lmina vertiente

3 a 4 veces h1 max.

B1 bc 4h1 h1/p1 0.5, hasta un mximo de h1/p1 2 h1/bc 0.5 3 cm h1 60 cm bc 15 cm p1 10 cm

13

3.2. EVALUACIN DE LA DESCARGA

La ecuacin de descarga del vertedero rectangular de pared delgada es la siguiente:

5.1123

2 hbgCQ ce= (1) El coeficiente efectivo de descarga (Ce) depende de la relacin bc/B1 y h1/p1. Su valor puede ser calculado segn la Tabla 3. Tabla 3 Coeficientes efectivos de descarga

bc/B1 Ce 1.0 0.602 + 0.075 h1/p1 0.9 0.599 + 0.064 h1/p1 0.8 0.597 + 0.045 h1/p1 0.7 0.595 + 0.030 h1/p1 0.6 0.593 + 0.018 h1/p1 0.5 0.592 + 0.011 h1/p1 0.4 0.591 + 0.0058 h1/p1 0.3 0.590 + 0.0020 h1/p1 0.2 0.589 - 0.0018 h1/p1 0.1 0.588 - 0.0021 h1/p1

0.0 0.587 - 0.0023 h1/p1 Fuente: Kindsvater y Carter, 1957 en Bos, 1989 Se puede esperar un error en el coeficiente efectivo de descarga (Ce) menor al 1%, cuando la estructura ha sido construida en forma cuidadosa. Los valores de Ce tambin pueden ser obtenidos grficamente (ver Anexo 4), este procedimiento se justifica cuando se desea realizar un clculo rpido del caudal. Muchas veces, la relacin bc/B1 no tienen un valor exactamente igual a los indicados en la tabla anterior, en estos casos se recomienda tomar la relacin ms prxima para el clculo del coeficiente efectivo de descarga (Ce), ver ejemplo:

Donde: Q = Caudal (m3/s) Ce = Coeficiente efectivo de descarga g = Aceleracin de la gravedad (9.81 m/s2) bC = Ancho de la cresta del vertedor (m) h1 = Altura de carga sobre el vertedor (m)

14

Datos de campo:

bc B1 bc/B1 bc/B1 aprox0,3 0,8 0,38 0,40

h1 p1 h1/p10,08 0,2 0,4

bc/B1 Exp. clculo Ce Ce Q Error (Q/Q)0.4 0.591 + 0.0058 h1/p1 0,593 11,890.3 0.590 + 0.0020 h1/p1 0,591 11,84

0,4%

5.1123

2 hbgCQ ce=

En el ejemplo anterior se observa que aproximar la relacin bc/B1 inducira a cometer un error menor al 0.4 %, que para fines prcticos no es significativo. Para el clculo del caudal con mayor precisin, Kindsvater y Carter (1957) recomiendan ajustar el valor del ancho de la cresta del vertedero (bc) y la lectura de la altura de carga medida (h1) de la siguiente manera: he = h1 + Kh, Kh = 0.001 m be = bc + Kb, Kb (ver Figura 11)

Figura 11 Valores de Kb para el clculo del ancho efectivo de descarga (be)

Fuente: Kindsvater y Carter, 1957 en Bos, 1989

Relacin bc/B1

Valores de Kb (m)

5.1232

eee hbgCQ = (2)

15

A continuacin se muestra un ejemplo de ajuste:

Vertedor Rectangular

Expresin para el clculo de la descarga

Condicin de descarga Contraccin completaAltura de carga medida (h1) 0,050 m (1)Coeficiente de ajuste altura de carga (Kh) 0,001 m (2) PreestablecidoAltura de carga efectiva (he) 0,051 m (3)=(1)+(2)Ancho cresta vertedor (bc) 0,450 m (4)Coeficiente de ajuste ancho cresta (Kb) 0,003 m (5) Figura 11Ancho efectivo del vertedor (be = bc + Kb) 0,453 m (6)=(4)+(5)Coeficiente efectivo de descarga (Ce) 0,60 (7)

Caudal sin ajustar (Q) 8,97 l/s (8)=Frmula 1

Caudal ajustado (Qajust) 9,24 l/s (9)=Frmula 2

Q 0,27 l/s (10)=(9)-(8)Error (Q/Qajust) 2,9 % (11)=(10)/(9)*100

5.1232

eee hbgCQ =

En el ejemplo anterior, se tendra un error de alrededor del 3% si el caudal no fuese ajustado. El porcentaje de error relacionado al ajuste ser menor a medida que los valores de altura de carga sean mayores, esto significa que cuando se tienen valores pequeos de altura de carga (h1) se deben maximizar esfuerzos para realizar las mediciones con precisin.

3.3. REQUERIMIENTOS PARA SU USO

El empleo del vertedero rectangular de pared delgada requiere de una sola persona, tanto para su instalacin como para la toma de datos. En caso de caudales por encima de los 15 l/s es recomendable la participacin de dos personas para su adecuada instalacin, la fuerza del flujo puede dificultar la instalacin cuando slo una persona quiere hacerlo. El tiempo aproximado para la instalacin y preparacin para la toma de datos es de 30 minutos. Los materiales y equipos requeridos se listan a continuacin:

Vertedero Nivel de albail Flexmetro Azadn Combo Plstico Listn o perfil metlico (rectos) Regla o varilla Tablero Planilla de campo

16

3.4. PLANILLAS DE TOMA DE DATOS

Con la finalidad de facilitar y sistematizar la toma de datos acerca del aforo se sugieren dos planillas: Planilla de informacin general del aforo. Planilla de toma de datos aforo con vertedero rectangular de pared delgada.

En el Anexo 5 se presentan ambas planillas en blanco para ser fotocopiadas.

3.5. EJEMPLO DE APLICACION

17

18

Responsable(s): Daniel Vega Cdigo de aforo:

Oscar Delgadillo

Fecha: 01-Ago-03

Frmula vertedor rectangular

Datos de campo (m):

Ancho cresta vertedor: bc 0,30 (1)

1 2 3Altura cresta vertedor: p1 0,20 (2)

Ancho espejo de agua: B1 0,90 (3)

Altura a la cresta: Hc 0,330 (4)

Altura superficie libre de agua: Hs 0,245 (5)

Relacin: bc/B1 0,30 (6)= (1)/(3)

Altura de carga: h1 0,085 (7)= (4) - (5)

Relacin: h1/p1 0,43 (8)= (7)/(2)

Coeficiente efectivo de descarga: Ce 0,591 (9)= Tabla 2 (bc/B1=0,3)

Coeficiente de ajuste: Kh 0,001 (10)= preestablecido

Altura de carga efectiva: he 0,086 (11)= (7) + (10)

Coeficiente de ajuste: Kb 0,0027 (12)= Figura 11

Ancho efectivo de la cresta: be 0,303 (13)= (1) + (12)

Caudal (m3/s) Q 0,013 (14)= Frmula 2

Caudal (l/s) Q 13,3 (15)= (14) * 1000

N de hoja: 3

01-II-03

PLANILLA DE CALCULO - VERTEDOR RECTANGULAR DE PARED DELGADA

5.1232

eee hbgCQ =

19

4. VERTEDERO DE PARED DELGADA TRIANGULAR

4.1. DESCRIPCIN

Los vertederos triangulares de pared delgada se caracterizan porque la forma de la ventana creada para el vertido del flujo es triangular. El vertedero triangular de pared delgada es uno de las estructuras ms precisas para la medicin de un amplio rango de caudales, este tipo de vertedero tambin es conocido como vertedero Thomson, ver Figura 12.

Figura 12 Vertedero triangular de pared delgada

Fuente: Bos, 1989 Los vertederos triangulares, por las caractersticas de su descarga, comprenden dos tipos: Vertedero con contraccin parcial, se presenta cuando no existe una contraccin completa a

lo largo de los lados de la ventana del vertedero debido a su proximidad con las paredes o fondo del canal de aproximacin.

Vertedero con contraccin completa, se presenta cuando las paredes y fondo del canal de aproximacin se hallan lo suficientemente alejadas de la ventana del vertedero, de forma tal que se produce una contraccin completa del flujo al atravesar la misma.

Para cada uno de los casos indicados existen limites caractersticos y rangos recomendables de aplicacin, ver Tabla 4:

Lmina vertiente

3 a 4 veces h1

20

Tabla 4 Lmites recomendables de aplicacin - vertederos triangulares

Vertedero con contraccin parcial

Vertedero con contraccin completa

h1/p1 1.2 h1/B1 0.4 p1 10 cm B1 60 cm 5 cm < h1 60 cm = 90

h1/p1 0.4 h1/B1 0.2 p1 45 cm B1 90 cm 5 cm < h1 38 cm 25 100

Fuente: ISO 1971, Francia en Bos, 1989 De la tabla anterior puede intuirse, desde un punto de vista hidrulico, que para alturas de carga pequeas, el vertedero funciona con contraccin completa y a medida que se incrementa la altura de carga tiende a funcionar como parcialmente contrado. Los vertederos que se espera funcionen con contraccin parcial deben ser instalados solamente en canales de aproximacin rectangulares. Adems, debido a la falta de informacin experimental sobre coeficientes de descarga para amplios rangos de h1/p1, h1/B1, slo se recomienda usar vertederos con un ngulo de escotadura de = 90. En el caso de vertederos triangulares con contraccin completa es posible instalarlos en canales de aproximacin no rectangulares, siempre que la seccin transversal de dicho canal no sea menor que la de un canal rectangular, como se recomienda en la Tabla 4.

4.2. EVALUACIN DE LA DESCARGA

La ecuacin de descarga para vertederos triangulares de pared delgada, tanto con contraccin completa como con contraccin parcial, es la siguiente:

5.21)2

tan(2158 hgCQ e

= (3) El coeficiente efectivo de descarga (Ce) depende de los siguientes parmetros: h1/p1, h1/B1, . Vertedero triangular con contraccin completa En caso de vertederos con contraccin completa, cuando se cumple h1/p1 0.4 y h1/B1 0.2, el valor de Ce depende nicamente del valor del ngulo de la escotadura () como se muestra en la Figura 13.

21

Figura 13 Valores de Ce Vertedero triangular con contraccin completa.

Fuente: Bos, 1989 Vertedero triangular con contraccin parcial En caso de vertederos con contraccin parcial, el valor de Ce, adems de ser funcin del ngulo de la escotadura (), tambin depende de las relaciones h1/p1, h1/B1. La estimacin del valor de Ce para un ngulo de escotadura = 90 se determina con ayuda de la Figura 14.

Figura 14 Valore de Ce Vertedero triangular de 90 con contraccin parcial.

Fuente: British Standard e ISO/TC 113/GT2 Francia, 1971, en Bos, 1989. Vale recordar que para estos casos (contraccin parcial) se recomienda slo el uso de vertederos con un ngulo de escotadura = 90, de lo contrario ser necesario que el vertedero sea especficamente calibrado en laboratorio o campo. En situaciones en las cuales se presentan variaciones importantes de carga (h1), se recomienda que el ngulo de la escotadura del vertedero sea de 90.

Angulo de escotadura en grados ()

Valor de Ce

Valor de Ce

Valor de h1/P1

22

La precisin en la determinacin del coeficiente efectivo de descarga del vertedero triangular (Ce) puede esperarse que sea del 1% para el caso de vertederos con contraccin completa y entre 1% y 2% para vertederos con contraccin parcial, siempre que la estructura sea construida siguiendo las recomendaciones indicadas para su adecuado funcionamiento. Al igual que para el vertedero rectangular de pared delgada, Kindsvater y Carter (1957) recomiendan ajustar la lectura de la altura de carga medida (h1) de la siguiente manera: he = h1 + Kh, Kh (ver Figura 15)

Figura 15 Valores de coeficiente de ajuste de la altura de carga (Kh)

A continuacin se muestra un ejemplo de ajuste:

Vertedor Triangular

Expresin para el clculo de la descarga

Condicin de descarga Contraccin completaAltura de carga medida (h1) 0,0500 m (1)Coeficiente de ajuste altura de carga (Kh) 0,0008 m (2) Figura 15Altura de carga efectiva (he) 0,0508 m (3)=(1)+(2)Angulo de la escotadura ( ) 90 (4)Coeficiente efectivo de descarga (Ce) 0,578 (5)=Figura 13

Caudal sin ajustar (Q) 0,76 l/s (6)=Formula 3

Caudal ajustado (Qajust) 0,79 l/s (7)=Formula 4

Q 0,03 l/s (8)=(7)-(6)Error (Q/Qajust) 3,9 % (9)=(8)/(7)*100

5.2)2

tan(2158

ee hgCQ=

Valor de Kh (mm)

Angulo de escotadura en grados ()

5.2)2

tan(2158

ee hgCQ= (4)

23

Observe en el ejemplo anterior que se obtendra un error de alrededor del 4% si el caudal no fuese ajustado. Al igual que para el vertedero rectangular, el porcentaje de error relacionado al ajuste ser menor a medida que los valores de altura de carga sean mayores. Sin embargo, en el vertedero triangular el error para alturas de carga pequeas puede ser ms alto debido a que tiene mayor sensibilidad (S) que el vertedero rectangular (ver acpite 3.6.1). Finalmente, los requerimientos para el uso de este tipo de vertedero y la toma de datos son iguales a los indicados para el vertedero rectangular de pared delgada, ver 4.3. y 4.4. Al respecto, vale aclarar que la medicin de la altura de carga en el vertedero triangular debe ser realizada en forma mucho ms cuidadosa por las razones antes expuestas.

4.3. PLANILLA DE TOMA DE DATOS

Las planillas de informacin general del aforo es la misma que para el vertedero rectangular

y la planilla de toma de datos presenta una pequea modificacin. En el Anexo 5 se presentan las planillas correspondientes en blanco para ser fotocopiadas.

24

4.4. EJEMPLO DE APLICACION

El sitio de aforo para el ejemplo mostrado a continuacin es el mismo que fue mostrado en el ejemplo para el vertedero rectangular, por esta razn ya no se muestra la planilla general del aforo (ver planilla pgina 20).

25

Responsable(s): Daniel Vega Cdigo de aforo:

Oscar Delgadillo

Fecha: 01-Ago-03

Frmula vertedor triangular

Datos de campo (m):

Angulo de escotadura (): 90 (1)1 2 3

Altura cresta vertedor: p1 0,15 (2)

Ancho espejo de agua: B1 1,00 (3)

Altura a la cresta: Hc 0,420 (4)

Altura superficie libre de agua: Hs 0,264 (5)

Altura de carga: h1 0,156 (6)= (4) - (5)

Relacin: h1/p1 1,0 (7)= (6)/(2)

Relacin: h1/B1 0,16 (8)= (6)/(3)

Control tipo de contraccin: FALSO c. parcial (9)= segn Tabla 3

Coeficiente efectivo de descarga: Ce 0,581 (10)= Segn (9) c. completa: Figura 13

c. parcial: Figura 14

Coeficiente de ajuste: Kh 0,001 (10)= Figura 15

Altura de carga efectiva: he 0,157 (11)= (6) + (10)

Caudal (m3/s) Q 0,013 (12)= Frmula 4

Caudal (l/s) Q 13,2 (13)= (12) * 1000

N de hoja: 3

01-II-02

PLANILLA DE CALCULO - VERTEDOR TRIANGULAR DE PARED DELGADA

5.2)2

tan(2158

ee hgCQ=

26

BIBLIOGRAFA

(1) BOS, M. G. 1989. Discharge measurement structures. 3 ed. Wageningen, The Netherlands.

International Institute for Land Reclamation and Improvement (ILRI). 401 p. (2) BOITEN, W. 2000. Hydrometry. Rtterdam, The Netherlands. Balkema. IHE Delft lecture

notes series. 246 p.

27

ANEXOS

28

Anexo 1 Hidrometra conceptos tiles

HIDROMETRA Definicin Hidrometra significa medicin del agua. Actualmente, la hidrometra se define como la medicin del flujo (caudal) en cursos de agua abiertos (canales, cauces naturales), complementada con la medicin de niveles de agua, niveles de lecho (fondo) y transporte de sedimentos (Boiten, 2000). En el presente manual nos centramos en la medicin de caudales, que constituye la parte principal de la hidrometra, por tanto no se abarcan temas como: batimetra y medicin de sedimentos, tampoco se trata el aforo en conductos a presin. Aplicaciones generales De acuerdo con la definicin arriba indicada, las aplicaciones de la hidrometra son amplias, especficamente las relacionadas con la medicin de flujo giran alrededor de la determinacin de la oferta de agua superficial, sub-superficial y subterrnea y/o su disponibilidad. Estas aplicaciones pueden ser: Planificacin para el aprovechamiento de recursos hdricos. Desarrollo de modelos hidrolgicos (predicciones). Balances hdricos. Diseo de obras hidrulicas: presas, reservorios, tomas, estructuras de aforo, drenaje, etc. Diseo de obras de proteccin. Gestin del agua: asignacin y distribucin de agua. Evaluacin de eficiencias de uso del agua. Usos del agua: caudales manejados, volmenes y lminas empleadas. Mediciones de caudales La medicin del caudal es bsicamente indirecta, por ser una magnitud fsica derivada4, aunque algunos instrumentos o estructuras de medicin puedan proporcionarnos registros directos de caudales. La determinacin de caudales est sustentada en las diferentes relaciones existentes entre el caudal y otras magnitudes fsicas, teniendo como principio la definicin de caudal. En base a estas relaciones se han desarrollado varios mtodos y estructuras de medicin de caudales (aforo), ver Figura 16:

4 La magnitud fsica derivada es la que tiene una relacin funcional con las magnitudes fundamentales. Por ejemplo: Caudal (Q) = f([L], [T]), por tanto el caudal es una magnitud fsica derivada (cinemtica) y est relacionada funcionalmente con las magnitudes fsicas fundamentales Longitud [L] y Tiempo [T].

29

Relacin: Caudal, Volumen y Tiempo

tVQ =

Definicin de Caudal

AvQ *=

Relacin: Caudal, Velocidad y Area

AvQ *=

Relacin: Caudal, Pendiente y Area

ba igeomKQ *.)(*=

Relacin: Caudal, Tirante o Altura de carga

uhKQ *=

- Volumtrico - Gravimtrico- Dilucin

- Flotador- Molinete- Sensor electromagntico- Chorro

- Pendiente - Area

- Vertederos pared delgada- Aforador RBC- Aforador Parshall

Figura 16 Distintos mtodos y estructuras para la medicin del caudal.

Los Vertederos de Pared Delgada son estructuras en las cuales la medicin del caudal se fundamenta en la relacin entre el Caudal y el tirante o altura de carga.

30

Anexo 2 Sistema de unidades y factores de conversin

Prefijos usuales y sus smbolos unidad 1 1 (c) centi 10-2 0.01 (m) mili 10-3 0.001 Sistemas de unidades

Sistema Longitud [L]

Masa [M]

Tiempo [T]

Fuerza [F]

Mtrico MKS Absoluto (Sistema Internacional)

Metro (m)

Kilogramo masa (Kg) Segundo (s)

Newton (N)

N=Kg*m/s2

Ingls Ingeniera Pie Libra masa

(lb) Libra fuerza

(lbf) Magnitud derivada

Magnitudes fsicas mencionadas en este manual Magnitud Definicin Sistema Internacional

(MKS absoluto) Dimensin Unidad Distancia d [L] m Tiempo t [T] s

Equivalencias de unidades Unidades de longitud [L]

Sistema mtrico Sistema ingls mm cm m pulg. pie

mm 1 0.1 0.001 pulg. 1 1/12 cm 10 1 0.01 pie 12 1 m 1000 100 1 yarda 36 3

2.54 cm 1 pulg (inch)

31

Anexo 3 Energa especfica y Regmenes de flujo.

Energa especfica El concepto de Energa especfica fue introducido por primera vez por Bakhmeteff (1912). La energa especfica (H) en un canal se define como la energa por kilogramo de agua que fluye a travs de la seccin, medida con respecto al fondo del canal. A partir de las ecuaciones de:

Continuidad: uAQ = Bernoulli:

guPzH2

2

++= En esta ltima, considerando el fondo (solera) del mismo como nivel de referencia, se tendr:

Pzy += (tirante).

La energa especfica puede ser expresada como:

guyH2

2

+= o 2

2

2gAQyH +=

La ecuacin anterior muestra que para una seccin determinada (A) y un caudal constante (Q), la energa especfica slo depender de la altura de agua o tirante (y). Dibujando los valores de (y) con relacin a su correspondiente valor de energa especfica (H), para un determinado caudal (Q), se obtiene la Figura 17:

Figura 17 Energa especfica

Fuente: Bos, Replogle, Clemmens, 1986

H > Hc

32

y 2 y 1

Regmenes de flujo La curva de la Figura 17 muestra que para un valor determinado de caudal y energa especfica existen dos tirantes posibles, los cuales se denominan tirantes alternos o correspondientes: tirante subcrtico (rgimen subcrtico) y tirante supercrtico (rgimen supercrtico). Adems, se observa que para el punto correspondiente al valor de energa especfica mnima (Emin) los tirantes alternos son iguales (coinciden), por tanto existe un nico valor de tirante para un determinado valor de caudal, este valor se conoce como tirante crtico (yc) y el rgimen de flujo como Rgimen crtico. Cuando el tirante del flujo es mayor al tirante crtico (y1 > yc), el flujo es denominado Subcrtico y en caso de que el tirante sea menor al tirante crtico (y1 < yc), el flujo es denominado Supercrtico, ver figura anterior. Es posible que se produzcan cambios de uno a otro tipo de flujo debido, por ejemplo, a cambios en la pendiente del canal. El cambio rpido de flujo subcrtico a supercrtico se presenta con una depresin pronunciada del tirante que es llamada descenso hidrulico, ver Figura 18a. A su vez, el cambio rpido de flujo supercrtico a subcrtico se presenta con un incremento brusco del tirante que es llamado resalto hidrulico, ver Figura 18b. a) Descenso hidrulico b) Salto hidrulico

Figura 18 Descenso y salto hidrulico

En campo es posible determinar por simple observacin el rgimen de flujo de la siguiente manera: Se genera una onda en el flujo con una pequea piedra o rama y se observa su desplazamiento. Flujo subcrtico: Cuando la onda generada se remonta aguas arriba. Flujo supercrtico: Cuando la onda generada no se remonta aguas arriba. Flujo crtico: Cuando no puede observarse la onda,

este es un fenmeno localizadoy por ello difcil de identificarse.

y1 y2

33

Anexo 4 Coeficientes efectivos de descarga (Ce) V. rectangular de pared delgada

Fuente: Instituto de tecnologa de Georgia en Bos, 1989.

Valor de Ce

Valor de h1/p1

34

Anexo 5 Planillas de toma de datos

35

Cuenca mayor: Responsable(s): Cdigo de aforo:Cuenca:

Localidad: Fecha:Hora inicio aforo:

Municipio: Hora fin aforo:

Nombre de la fuente de agua:Descripcin:

Nombre del sitio de aforo:Descripcin:

Ubicar detalladamente el sitio de aforo

N de hoja:

Informacin general del aforo

PLANILLA DE CAMPO PARA EL AFORO DE CAUDALES

Croquis del sitio de aforo

Materiales y/o equipos empleados

36

Responsable(s): Cdigo de aforo:

Fecha:

Hora inicio aforo:

Hora fin aforo:

Croquis del sitio de aforo

Datos (cm):

Ancho cresta vertedor: bc

1 2 3Altura cresta vertedor: p1

Ancho espejo de agua: B1

Altura a la cresta: Hc

Altura superficie libre de agua: Hs

* Cuando no existen variaciones de nivel (caudal) las mediciones 2 y 3 son de control.

Observaciones:

N de hoja:

PLANILLA DE DATOS - VERTEDOR RECTANGULAR DE PARED DELGADA

HC HS

p1 B1 bc

37

Responsable(s): Cdigo de aforo:

Fecha:

Hora inicio aforo:

Hora fin aforo:

Croquis del sitio de aforo

Datos (cm):

Angulo de escotadura (): 90 1 2 3

Altura cresta vertedor: p1

Ancho espejo de agua: B1

Altura a la cresta: Hc

Altura superficie libre de agua: Hs

* Cuando no existen variaciones de nivel (caudal) las mediciones 2 y 3 son de control.

Observaciones:

N de hoja:

PLANILLA DE DATOS - VERTEDOR TRIANGULAR DE PARED DELGADA

HC HS

p1 B1