Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática Carrera de Ingeniería Civil
CHAMBA CRISTHIAN CHIRIBOGA DANIELA MÉNDEZ XAVIER NIETO CAREN OCAPANA JENNIFER PUEBLA SEBASTIÁN RODRIGUEZ EMILIO SORIA MERCY
Semestre y paralelo: Sexto /Primero Fecha de Entrega: Jueves 18 de Enero del 2018
Cuando hablamos de una obra o estructura hidráulica, como una presa o una captación, se debe tener la idea que el agua adquiere velocidades en diferentes puntos de la estructura, ya sea por cambios de pendientes, cotas, etc. Estos cambios de velocidades se pueden presentar principalmente en vertederos, en donde se crea una forma de escurrimiento poco favorable velocidad que trae el caudal y las consecuencias, si no se toman las medidas necesarias, pueden graves para la estructura, ya que se produce un resalto hidráulico que se disipa en el aire. Es así que para evitar estos inconvenientes, en la mayoría de las obras hidráulicas generalmente se toman medidas que permitan disipar la energía producida por la caída del agua y para ello se emplean estructuras complementarias llamadas disipadores de energía como el denominado “Salto Sky”.
El salto en esquí es un disipador de energía que involucra el efecto de la dispersión de un chorro de agua en el aire, permitiendo disipar una parte significativa de la energía hidrodinámica del flujo proveniente del vertedero de exesos de una presa o aliviaderos, teniendo como objetivo incrementar la distancia entre la estructura y el sitio de impacto del chorro para evitar socavaciones peligrosas al pie del cimacio vertedor. Se utiliza para grandes descargas, principalmente en los vertederos. Ésta se hace directamente sobre el río. Se utilizan unos trampolines trampolines para hacer saltar el flujo hacia un punto aguas abajo reduciendo así la la erosión en el cauce y el pie de la presa. La trayectoria del chorro depende de la descarga, de su energía en el extremo y del ángulo con el que sale del trampolín. Su funcionamiento se ve con la formación de dos remolinos uno en la superficie sobre el trampolín y el otro sumergido sumergido aguas abajo; la disipación de la energía se hace por medio de éstos.
Salto en Esquí convencional. Existen dos modelos, trampolín liso y trampolín estriado, ambos con igual funcionamiento hidráulico y con las mismas características, que difieren únicamente en la forma de salir el agua del trampolín.
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En el liso el agua sale con mayor ángulo y choca con la superficie, creando remolinos y haciendo que el flujo aguas abajo no sea uniforme. Mientras que en el estriado, el agua sale con menor ángulo lo que hace que el choque con la superficie sea más suave y que el flujo aguas abajo sea uniforme. Debido a que el trampolín estriado tiene dos ángulos diferentes de lanzamiento, incorpora aire y también genera remolinos horizontales disipando mayor cantidad de energía. El trampolín estriado genera mejor disipación de energía, con menos perturbación, para grandes descargas. Utiliza unos trampolines para hacer saltar el flujo hacia un punto aguas abajo reduciendo así la erosión en el cauce y el pie de la presa. La trayectoria del chorro depende de la descarga, de su energía en el extremo y del ángulo con el que sale del trampolín medio. Cuando la descarga es insuficiente (mínima), el chorro empuja el remolino a lo largo del cauce, produciendo erosión aguas abajo. Al aumentar el caudal, el remolino empieza a remontar, desplazándose aguas arriba, llegando al comportamiento ideal, pero el caudal sigue aumentando y cuando es demasiado grande, se produce el fenómeno de chorro ahogado. El chorro ya no se eleva al salir del trampolín si no que sigue por el fondo del canal, y el remolino se forma en la superficie, lo que produce erosión.
Su simplicidad en el diseño, construcción, mantenimiento, e independencia de fluctuaciones en el nivel aguas debajo de la estructura Cuando la roca de cimentación es lo suficientemente dura, es una alternativa económica de disipasión de energía El agua se proyecta a una distancia suficiente para que la socavación producida en el lecho aguas abajo no sea un peligro para la presa
Cuando el material de cimentación no es lo suficientemente duro, la vibración que produce la descarga del salto en esquí, puede causar asentamientos importantes y por ende fallas en la estructura La desintegración del choro puede causar problemas a la casa de máquinas, paredes, etc. Especialmente en climas frios ya que las gotas pueden transformarse en partículas de hielo las cuales al caer con gran energía producen daños importantes de las estructuras mencionad
Para el diseño de esta estrutura complementaria se deben considerar los siguientes puntos: Flujo de Aproximación en el Aliviadero. Desviación y Despeje del flujo.
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Dispersión del agua en el aire. Zona de impacto del chorro. Aguas abajo del impacto del chorro.
.1 Conocer los conceptos fundamentales para el funcionamiento y comportamiento del “Salto de Esquí o Trampolín” Diseñar académicamente un disipador tipo “Salto de Esquí o Trampolín”
Analizar los diferentes tipos o modelos de Salto de Esquí. Establecer una metodología adecuada para el diseño del Salto de Esquí. Determinar los parámetros básicos para el diseño de un disipador de energía tipo Salto de Esquí Realizar un esquema representativo del Salto de Esquí. Determinar la geometría del disipador Salto de Esquí.
Se le conoce como Disipador de energía tipo Esquí debido a que tiene un gran parecido con una rampa para esquiar, el cual le permite al deportista elevarse a grandes alturas con el fin de demostrar su habilidad con los esquís en la caída, es por esta razón que se optó por darle dicho seudónimo, pues al dar un impulso hacia los aires permite en su caída disipar la energía de forma muy abrupta e inmediata. Escogido como un disipador de energía, en el grafico mostrado a continuación observamos como el agua en este tipo de estructuras es lanzada como un chorro dirigido hacia arriba para luego caer en el cauce a cierta distancia del extremo de la sección del Esquí. (Hinostroza)
Esquema Disipador Salto de Esquí. Página 3 de 25
Empleamos este tipo de deflector si el terreno es muy resistente, la cortina es más o menos alta. Para grandes descargas, principalmente en los vertederos, esta se hace directamente sobre el rio. En una gran presa, los saltos de esquí son elementos sumamente importantes, porque son las únicas estructuras capaces de cumplir con la disipación de energía satisfactoria para velocidad de salida mayor a 20 (m/s).
Un punto importante que se debe tomar en cuenta es en la trayectoria de chorro pues dependerá de la energía del flujo en el extremo y del ángulo con el que el chorro sale del trampolín.
Esquema Geometría del disipador Salto de Esquí.
4.
Su geometría es variable y depende del punto de vista en que se analice ya sea en planta o en perfil. No es lógico el uso de trampolines convergentes ya que esto implicaría el aumento en el gasto específico sobre el trampolín y con ello un aumento de la socavación aguas abajo.
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TIPO
ESQUEMA
PENDIENTE ADVERSA
FONDO CURVO
HORIZONTAL
TIPO
ESQUEMA
PLANO O PRISMÁTICO
DIVERGENTE
Existen dos modelos, trampolín liso y trampolín estriado, ambos con igual funcionamiento hidráulico y con las mismas características, que difieren únicamente en la forma de salir Página 5 de 25
el agua del trampolín. Dentro de los modelos estriados es muy frecuente el uso de dientes deflectores con el fin de fragmentar el chorro ya su vez airearlo. Existen distintos tipos de dientes deflectores y estos pueden ser clasificados como:
Tipos de dientes deflectores.
Cuando el sitio donde se pretende conseguir la derivadora es favorable en cuanto a impermeabilidad y resistencia, la descarga del agua se controla, mediante estructuras deflectoras construidas al pie de la cortina. El objeto de estos dispositivos es alejar de la estructura el agua de descarga, hasta un sitio en el que sus efectos, como la erosión y socavación, ya no sean peligrosos para la estabiidad de la cortina. Existen varios tipos de deflectores cuya forma y efectividad han sido estudiadas por varios investigadores, y esto ha permitido obtener ciertas relaciones geométricas para aplicarlas en el diseño de otros casos, basándose en las leyes de semejanza. Dentro de los deflectores mas comunes y especificos a las caracteristicas antes mencionadas se pueden presentar los siguientes:
Ejemplos de estructuras deflectoras. Página 6 de 25
Para la ubicación de un trampolín se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones: Se deberá ubicar el trampolín siempre por encima del nivel de agua del canal de evacuación para que la descarga de flujo se realice libremente. Al no cumplirse con esto el disipador puede destruirse. La posición final del trampolín debe garantizar una velocidad en el chorro, para que el flujo sea lanzado lo más lejos posible de la obra. Se debe tener en consideración que cuando el chorro al caer sobre el agua lo haga con una inclinación β = 30° - 35°
Los trampolines pueden estar sujetos por pilotes o dentellones. En el caso de los pilotes se toma con frecuencia como factor de seguridad la longitud, que no deberá ser nunca menor que la profundidad del cono de socavación. Esto pilotes son elementos constructivos utilizados para cimentación de obras, que permite trasladar las cargas hasta un estrato resistente del suelo, cuando este se encuentra a una profundidad tal que hace inviable, técnica o económicamente, una cimentación más convencional mediante zapatas o losas.
Trampolín libre.
Para el desarrollo de obras hidráulicas se utilizan varios ensayos para determinar el tipo de suelo que se tiene para la realización de la obra, entre estos tenemos: Cimentación en Terreno Suelto Cimentación en roca
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DESCRIPTIVAS: para describir las condiciones geológicas e hidrogeológicas del sitio de implantación de la estructura. ENSAYOS IN SITU: Incluyen el análisis de los estudios obtenidos en los sondeos. GEOTÉCNICAS: Para encontrar Módulo de elasticidad, Índice de Poisson para rocas, Permeabilidad, Cohesión y ángulo de fricción interna de rocas y suelos. GEOLOGICAS: Proporcionan información a menor costo, participan geólogo, geofísico, sismólogo, expertos en mecánica de suelos y de rocas. GEOFISICAS: Se usan perfiles de resistividad geo eléctrica permitiendo definir el tipo de suelo atravesado con la onda, el nivel freático, fallas, cavernas, canales de filtración de agua, porosidad y permeabilidad de suelos.
RESISTENTE: debe ser resistente para soportar cualquier eventualidad ESTABLE: las deformaciones del terreno deben ser menores que las que pueda absorber la estructura. ESTANQUEIDAD: para que las fugas no produzcan un mal aprovechamiento del agua.
Estudio de Disponibilidad de Recursos Hídricos (caudales medios mensuales, medios diarios si se requiere). Estudio de Crecidas (Qmi v/s Período de retorno).
En el trampolín se asume que el tirante de salida es igual que el tirante de entrada.
Trampolín-disipador salto esquí. Página 8 de 25
h1 = tirante al final de la rápida (m). Lmin = longitud mínima del trampolín (m). P = Distancia vertical medida desde el fondo del trampolín hasta la superficie libre del agua, aguas abajo (m). β = Inclinación del chorro (°). Lv = Longitud de vuelo del flujo (m). Lvc = Longitud de vuelo del flujo por el cono (m). BL = Borde libre (m). to = Longitud del cono (m).
El vertedero Creager es un perfil utilizado para evacuar caudales de creciente, pues la forma especial de su cresta permite la máxima descarga al compararlo con otra forma de vertedores para igual altura de carga de agua. Funciona como una barrera que permite elevar el nivel de un caudal o río. Por lo general son estructuras de hormigón y su sección transversal es de forma curvilínea para adaptarse a los principios de la mecánica de fluidos, de esta manera se minimiza el rozamiento del agua con la superficie del perfil para evitar la erosión. 5.
EJERICIO DE APLICACIÓN: Se desea proyectar en un vertedero que evacua Q = 50 m³/s, un trampolín prismático horizontal y con dientes deflectores, para la disipación de la energía. Se conoce además que el ancho del río es de 10 m y el paramento del azud es 11,5 m. Para el cálculo de la geometría del flujo se conoce que la altura de caída P es 3m, el tirante en el canal de salida Y3 es de 2m y el lecho aguas abajo está constituido de grava con d90=5cm
Qe = Q = YZ FR hLi LLvv
Caudal de diseño (m3 /s). B= ancho de la rápida (m). = altura del deflector (m). = ancho del deflector (m). N= número de deflectores. = número de Froude en la entrada del trampolín. = inclinación del chorro de agua al caer (°). = tirante al final de la rápida (m). = longitud mínima del trampolín (m). P= distancia vertical medida desde el fondo del trampolín hasta la superficie libre de agua, aguas abajo (m). =longitud de vuelo del flujo (m). =longitud del vuelo del flujo por el cono (m). Página 9 de 25
BL= borde libre (m). =longitud del cono (m). b = Ancho de la rápida V1 = Velocidad (V1)
t
= 50.0 ⁄ ℎ íí = 10.0 = 11.5 = 9.81 ⁄ . = 2
Para el diseño del Azud se debe tener en cuenta que se lo debe realizar de una forma ligeramente redonda para así facilitar el paso del agua.
= :
Altura de diseño : Altura del azud : Radio de Curvatura 1 : Radio de Curvatura 2 : Diámetro de Curvatura 1 : Diámetro de Curvatura 2 Radio de Ingreso al Zampeado
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= ∗− ∗ →
= ∗∗ = [ ∗ ]
C: Coeficiente de descarga del vertedero
: =
Caudal por encima del vertedero
: Ancho del río efectiva= 8
=
Altura de diseño
⁄
] = [ ∗ 50 = [2∗8] = . = ∗− ∗
: : = =
Coordenadas en el eje x Coordenadas en el eje y Altura de diseño
Parámetros que dependen de aguas arriba del azud; en nuestro caso utilizamos un perfil de pared vertical entonces utilizamos la siguiente tabla.
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2,000 1,936 1,939 1.873
1,827.5 1,836 1,810 1,776
vertical 3a1 3a2 3a3
= ∗− ∗ = 1.827.5 ∗0.647..− ∗ 11,5 11 10,5 10 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0
7,7205 7,5372 7,3500 7,1587 6,9630 6,7624 6,5567 6,3453 6,1277 5,9034 5,6716 5,4315 5,1819 4,9217 4,6492 4,3625 4,0587 3,7342 3,3837 2,9993 2,5673 2,0620 1,4177 0,0000
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PERFIL CREAGER Coordenadas del eje x (m) 0.0000
1.0000
2.0000
3.0000
4.0000
5.0000
6.0000
7.0000
8.0000
9.0000
0
2
4 )
m ( y 6 e j e l e d 8 s a d a n e10 d r o o C 12
14 PERFIL DE CREAGER
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= . ∗
:
Altura de diseño
: Radio de Curvatura 1
:
Altura de diseño
: Radio de Curvatura 2
= . ∗ == 0..5∗0. 137 = . ∗ = . ∗
= . ∗
:
Altura de diseño
: Radio de Curvatura 1
:
Altura de diseño
: Radio de Curvatura 2
:
Altura de diseño
= . ∗ == 0..5∗0. 137 = . ∗ = . ∗ == 0..2∗0.137 = .∗ =. ∗ = =0..282∗0. 1 37 = .∗
: Diámetro de Curvatura 1
:
Altura de diseño
=. ∗ = =0..175∗0. 1 37
: Diámetro de Curvatura 2
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0.603
0.374
1.069
0.427
Velocidad a la salida del vertedero
:
√ = ∗∗ . = √ ∗∗ . ⁄ ⁄ = = √ 2√∗9. ∗∗ . 8 1∗ =1.1.52.1⁄37 0.5∗11.5
Altura de diseño
g: Gravedad : Altura del azud V: Velocidad a la salida del vertedero
+. ∗ + . ∗ + =
: ℎ
Altura de diseño
V: Velocidad a la salida del vertedero : Altura del azud
⁄ Página 15 de 25
+.∗+ + = ..+..∗.∗+ ∗. + ==10. ≅ . = = = √ = ⁄ ⁄ = : 1.000.95 = √ = 0.95√ 2 ∗9.8111.6.18052.1370.4 = = = . = ∗ = √ ∗ ⁄ : == = ∗ 50m³/s404 m V1 = 8 m∗0. = . / :
Radio de Ingreso al Zampeado
g: Gravedad : Altura desde el fondo de la solera hasta el espejo de agua Calado contraído 1 al pie del azud K: Coeficiente de perdida para azud sin compuertas asumimos 0.95
;
Caudal por encima del vertedero : Ancho del río efectiva= 8
h1=d1: Calado a la entrada del trampolín
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= √ ∗ Fr1 = 9. 815.1 m483m/s ∗ 0.404m = . < 1 < 39 ó í. = .∗ ℎ1: ≈ = .∗ FRx = 4.32 ∗0.0.440404 10 = . <
Calado a la salida del azud
Hatm-Hv 10m
Como
se podrá usar deflectores pues no existe peligro de que ocurra cavitación en ellos.
= = 4∗0.404 = . = ,~,. Página 17 de 25
= 0,35∗0.404 = , = . = 2∗0,141 = , = = , = . = 00,.5283∗8 = . ≅
Se selecciona un número impar de deflectores, para garantizar la colocación de uno de ellos en el eje del trampolín.
= , = 0,25∗0,283 = , = = , Página 18 de 25
∗ = , 13 ∗ 0.283 = 8 2,5133 = , BL: borde libre [m]
= ,∗ = 0,6 ∗0.404 = . = ℎ = 0.4040.242 = .
1 ∗ ∗cos 1 = 1∗cos ∗ ∗ 2 ℎ1 ℎ ∗ V1= Velocidad de flujo (m/s) K = 0.9 (Recomendaciones de USBR) g = Gravedad (m/s2)
( ψ , ψi) = Valores tomado de la tabla 3.6
1ℎ1 = 00.,144104 = 0.35 Página 19 de 25
= φ = 12.5°7° 2 = .° ∗ ∗ = ∗ ∗ ∗ ∗ 15. 4 8 = ∗ 9,9.8715∗cos9. 75 15.48∗cos9.75 7 5 230. 4 04 ∗ 15.48∗9. 9.81 0.404 ∗0.9 = . ẞ
V1= Velocidad de flujo (m/s) h1= calado a la entrada del trampolín (m) P = Altura de Caída (m/s 2)
ẞ = ∗∗ ∗ 4 04 ẞ = 9.750 2∗9,15.4881∗30. ∗ 9.75 =29.36°
ẞ
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Como dato sabemos que aguas abajo del trampoín se encuentra con un suelo suelto grava, para el cálculo se utiliza de :
= . =30.= .40415.2.94.881 = . 50 ℎ = 9.81.8 = . = . ^.
d0 = 0.2mm recomendado por Amirov d90= 5cm
= 1 4.0.50120^0.3 = 0.781 . = . ∗() → < ° . 15. 6 2 =4.43∗(= .1.58 ) . = .( ) . 1. 5 8 = 0.903(15.621) Página 21 de 25
= . 0.70 coeficiente de estructura 0.70 coeficiente de deflector
= ∗∗∗∗ = 0.781∗3.541∗0. 6 41∗0. 7 0∗ 0. 7 0 = . to = 0.869 * 15.621 0.25 * 1.585 0.75
= = 15.685 ta n29.2.439355 = . 6.
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7.
El uso del salto en esquí como disipador de energía es una alternativa segura y económica, cuando las condiciones geológicas de la zona, características de la presa y características del flujo son las adecuadas, es decir, cuando el material del lecho sea roca, el cauce sea suficientemente ancho para captar el chorro y no afectar las laderas, la presa sea alta, la pendiente de la rápida sea menor a 4 Vertical: 1 Horizontal y cuando la velocidad del flujo supere los 20 m/s. Cuando el uso de un salto en esquí convencional no satisfaga todas las necesidades de disipación, es posible utilizar formas especiales del salto en esquí. La forma especial del mismo dependerá tanto de la orientación del o los vertederos y de la presión de cavitación en la estructura, así también como de las condiciones aguas abajo. En el salto en esquí ocurre principalmente la disipación de energía debido a la interacción del chorro con el aire y por la correspondencia del chorro con el cauce aguas abajo. Esta última es la que mayor cantidad de energía disipa debido a que el chorro impacta al colchón y seguidamente el lecho del cauce, produciendo la fractura de la roca y la consecuente socavación hasta el punto de equilibrio, en el que la potencia del chorro es menor a la necesaria para producir este fenómeno. Para el diseño de saltos en esquí convencionales es necesario definir principalmente: el radio del cucharón, debido a que incide en la longitud del mismo y en la distribución de presiones; el ángulo de salida, ya que afecta el alcance del chorro y la profundidad de socavación; la elevación del fondo de cucharon y la elevación de la salida del salto en esquí, para prevenir que la estructura de disipación trabaje sumergida.
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Para el diseño de saltos en esquí con deflectores es necesario definir: la forma de los deflectores, ya sean rectangulares o trapezoidales; los ángulos de salida adecuados tanto del cucharon como del deflector, para disminuir posibles problemas de cavitación; las dimensiones del ancho, espaciamiento, radio, longitud y número de deflectores a utilizar. Para el diseño de saltos en esquí con estrechamiento gradual de paredes es necesario definir: el ángulo de salida tanto del cucharon como del chorro, ya que estos definirán el alcance del mismo; el ángulo, la longitud y la relación de contracción adecuados, para evitar disturbios en el flujo; el perfil del flujo y el número de Froude para conocer las condiciones de salida del chorro.
8.
Se recomienda que para la elección del salto en esquí, se tome en consideración los siguientes aspectos: Disipación de energía (profundidad de socavación) o Alcance y dirección del chorro o Facilidad de construcción y mantenimiento. o Es recomendado analizar la línea de gradiente hidráulica parar saber qué cantidad de energía estamos disipando Se debe tener en cuente que el cálculo del radio depende de varias propiedades físicas del canal y del tipo de flujo que tenemos. En este tipo de disipadores todo los dimensionamientos son en función del radio del cucharón.
9.
ChenSheng, H., & Chen Minlin, L. G. (2002). Estructuras hidráulicas. China: China Water Power Press.
Toapaxi, J. (2014). Bases y Criterios para el Dimensionamiento hidráulico de formas especiales de saltos en esquí en presas. Quito: EPN.
Villamarín, S. (2013). Manual Básico de Diseño de Estructuras de Disipación de Energía Hidráulica. Quito : ESPE.
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