Vertederos de Cimacio-VORD

8/18/2019 Vertederos de Cimacio-VORD

1/30

1. DISEÑO HIDRÁULICO DE CIMACIOS

1.1. ANTECEDENTES

El control del nivel del aga ! la reglaci"n de de#carga# sonnecesarios para propósitos de irrigación, energía hidroeléctrica,conservación del agua, prevención y control de avenidas, navegacióninterior, etc. Para ello se dispone de una amplia variedad dee#trctra# $idr%lica# de control, adecuadas a las necesidadesparticulares que varían desde vertedore# o co&'erta# utilizadas enpequeños ríos y canales, hasta o(ra# de e)cedencia en grande#'re#a#.

Las obras hidrulicas accesorias en los sistemas de aprovechamientotienen como ob!etivo controlar y conducir el volumen de agua

necesaria hasta el sitio en que se aprovecha o hacia el cauce del río.La obra de e"cedencia, la obra de toma y la obra de desvío sone!emplos de obras hidrulicas accesorias de gran utilidad en losaprovechamientos super#iciales.

Para alcanzar su ob!etivo, estas obras estn constituidas de di#erentescomponentes, que involucran distintos 'ro(le&a# de di#e*o, que serelacionan con las condicione# to'ogr%+ica# ! geol"gica#, diseñodel va#o de al&acena&iento, control de la# de#carga#,necesidades de operación y servicio y daños a otras estructuras o alsitio de descarga, pero e#encial&ente con#ideran la econo&,a-

co&o na varia(le +nda&ental.

El diseño tiene dos aspectos el #uncionamiento del cimacio parade#cargar avenida# en la &agnitd reerida, como el de conocerqué controles pueden inter#erir o a$n dominar la #orma del 'er+illongitdinal del +l/o del aga. Lo anterior tiene como ob!etivoadicional incluir aquellas consideraciones particulares que ameritanmención especial, teniendo presente la di#icultad que conlleva lageneralización de conceptos y criterios aplicados a una obradeterminada.

1.0 ERTEDORES DE CIMACIO1.0.1 AS2ECTOS 3ENERALES

Los vertedores de cimacio consisten de una cre#ta de control de'ared gre#a- cuyo 'er+il tiene apro"imadamente la #orma de la#'er+icie in+erior de na l%&ina ventilada que vierte librementesobre la cresta, esto permite alcanzar un &e/or coe+iciente dede#carga y mantener la e#ta(ilidad e#trctral a través del pesodel concreto utilizado en el cuerpo de la obra. El per#il puedeabandonar dicha #orma, una vez que se garantiza poco cambio en elcoe#iciente de descarga. %ormalmente contin$a con una rpidatangente, de gran pendiente y relativamente corta, que remata en otrasuper#icie de curvatura contraria a la de la cresta y termina en


2/30

tangente a la plantilla de un canal de conducción, tanque deamortiguación.

El cimacio constituye una &sección de control& cuya descarga puede ser

li(re o controlada. En el de descarga libre no se utilizan elementosadicionales para regular las descargas, y el vertido se produceli(re&ente #o(re la cre#ta, permitiendo que su #orma en plantapueda ser recta o curva. En el de de#carga controlada se utilizandi#erentes tipos de co&'erta# #o(re la cre#ta y su #orma en plantasólo puede ser recta o poligonal, con 'ila# inter&edia# 'ara a'o!ode las compuertas.

Para conducir el agua hasta el vertedor suele necesitarse un canal deacce#o corto, casi siempre horizontal, que capte el agua del vaso dealmacenamiento y la conduzca hasta la cresta del cimacio con

velocidad pequeña, de distribución transversal uni#orme para eliminarzonas muertas, y en dirección perpendicular a la cresta en cada punto.La velocidad del agua en el canal de acceso y la 'ro+ndidad de ésterespecto de la cre#ta vertedora tienen in+lencia importante en lade#carga ! en el di#e*o del 'er+il del ci&acio.

La l%&ina vertiente sobre el cimacio en su caída libre, se acelera yproduce un +l/o r%'ida&ente variado por los cambios tan (r#co#! +recente# en la curvatura de las l,nea# de corriente y !unto conel #alto $idr%lico, constituyen los casos ms #recuentes deocurrencia.

1.0.0. CIMACIOS DE CRESTA LI4RE

1.0.0.1 CONDICIONES DE DISEÑO

El cadal que vierte sobre un cimacio y la carga #o(re la cre#ta sonen general, varia(le#, seg$n la magnitud de los e"cedentes que sedesea desalo!ar del almacenamiento. 'in embargo, es evidente que el'er+il del ci&acio puede adaptarse de manera "'ti&a a la lminavertiente que corresponde a n #olo cadal DQ " carga D H y#unciona con &enor o &a!or e+iciencia en otras condicione# de

operación. Es motivo de anlisis establecer qué cadal o condici"nde de#carga debe elegirse como la 5condici"n del di#e*o5 del'er+il del ci&acio.

(on #recuencia dicha condición se elige de manera que)corresponda ala de ga#to o carga &%)i&a que se espera descargue el vertedor* enotros casos puede ser una inter&edia, pero en la elección #inal debetratar de lograrse el &e/or +nciona&iento de la obra paracalier condici"n de operación.

El diseño del per#il del cimacio implica entonces elegir una 5carga de

di#e*o5 D H " &ga#to de di#e*o5 DQ de los que dependen la +or&ay dimensiones de dicho per#il.


3/30

6ig. 1 ertido li(re #o(re n ci&acio

'eg$n se indica en la +ig. la carga de diseño incluye la carga develocidad de llegada en el canal de acceso -correspondiente al caudalde diseño la que a* su vez depende de las dimensiones y pro#undidadP -respecto de la cresta en dicho canal.

0hh H d d +=

g

V h

2

2

0

0 =

1.0.0.0 CA2ACIDAD DE DESCAR3A

La ca'acidad de de#carga de un cimacio, para la condici"n dedi#e*o o para cualquier otra condición de o'eraci"n, es #unción de lalongitd e+ectiva de la cresta vertedora, de la carga real con queopere, de la geo&etr,a del 'er+il y de las di&en#ione# ypro#undidad del canal de acce#o.

En el caso de vertido li(re -+ig./, con o sin pilas intermedias, laecuación para el clculo de la capacidad de descarga es la general devertedores0

2/3CLeH Q =

1onde

( (oe#iciente de descarga, en m/ 2s


4/30

3 (arga total de operación, incluyendo carga de velocidad dellegada, en m

Le Longitud e#ectiva de cresta, en m

4 1escarga, en m5 2s

En el clculo de 3 se considera que0 g

V h H

2

2

0+=

H P

qV

+=

0

=0

V 6elocidad de llegada y q gasto unitario en el canal de llegada.

1. 0. 0. 7 Coe+iciente De De#carga

El coe#iciente (, depende 'rinci'al&ente de la carga H con queo'era el vertedor, de la carga D H elegida para di#e*ar el 'er+il delci&acio, de la 'ro+ndidad del canal de acceso, del tald de lacara aga# arri(a y del grado de a$oga&iento de la de#carga. Lainterrelación de ( con todos estos elementos ha sido obtenida$nicamente de manera e"perimental por la 7.'. 8ureau o# 9eclamation.

La +ig. / muestra la gr#ica principal que relaciona el valor de (, que

en este caso adquiere el valor 0C , con el ded H

P -'ro+ndidad del

canal de acce#o entre carga de di#e*o para el caso en que lacarga de operación sea igual a la de diseño y el paramento aguasarriba vertical0

1= Hd

H

'e observa que cuando 705.1 _0 0 == C P , que corresponde a un vertedor de

cresta ancha y que cuando 2 crece, C8, también crece hasta unm"imo de 0.191, a partir del cual es constante.


5/30

6ig. 0 Coe+iciente de de#carga en ci&acio# de 'ar%&etro aga#arri(a vertical- vertiendo con la carga de di#e*o

(uando la carga de o'eraci"n es di#tinta a la de diseño y semantiene vertical la cara aguas arriba, el coe#iciente de descarga varía

con la relaci"nd H

H - como lo muestra la +ig.5, en la que 0C es el

coe#iciente obtenido de la +ig. /. 'e observa que el coe#iciente C e#&a!or e 0C , cuando la carga de o'eraci"n e# &a!or e la dedi#e*o.

Esto implica, que es conveniente elegir una carga de di#e*o que sea&enor e la &%)i&a con que opere el cimacio, a #in de lograrme!ores condiciones cuando la $ltima se presente* esto tiene la

li&itaci"n de 're#i"n negativa &%)i&a tolerable sobre la espaldadel cimacio.


6/30

6ig. 7 Coe+iciente de de#carga en ci&acio# de 'ar%&etro aga#arri(a vertical- vertiendo con carga# di+erente# a la de di#e*o

: #in de satis#acer requisitos de e#ta(ilidad e#trctral, puede sernecesario que el paramento aguas arriba del cimacio sea inclinado.

Para una carga de o'eraci"n igal a la de di#e*o, el coe#iciente de

descarga varía con la relaciónd

H

P y con el talud de inclinación del

paramento, como lo muestra la +ig. ; en la que C vertical es elcoe#iciente obtenido de las +ig. 5 y /.

'e observa que el e#ecto de inclinaci"n del 'ara&ento es ms

apreciable para valores 'ee*o# ded H

P * en la medida que

d H

P

crece, el coe+iciente del paramento inclinado tiende al valor del'ara&ento vertical.


7/30

6ig. : Coe+iciente de de#carga en ci&acio# de 'ara&ento aga#arri(a inclinado- vertiendo con la carga de di#e*o

1e esta manera, el valor #inal del coe#iciente C en2/3

CLeH Q =

resulta del producto de 0C , obtenido en 6ig. 0, por la correcci"n dela 6ig. 7 y cuando el 'ara&ento #ea inclinado, adems por lacorrecci"n de la 6ig. :.

La elevación relativa del 'i#o ! #'er+icie li(re, aguas aba!o delcimacio tienen también e#ectos importantes sobre las condiciones enque se produce el vertido* van desde la 'er&anencia del +l/o#'ercr,tico sin ning$n e#ecto hasta la #ormación de #alto$idr%lico, a$oga&iento de la de#carga y grande# redccione#del coe+iciente C .

La +ig. < presenta los resultados e"perimentales, obtenidos por la7.'.8.9.* con ella puede determinarse el decremento del coe#iciente dedescarga en cimacios de cara vertical aguas arriba, en porcenta!e delcorrespondiente a descarga libre obtenido de las +igs. / y 5.

1e acuerdo con los valores de

H

d z y

H

z − _ _

, resultara un punto ubicado en la

+ig.


8/30

• 7n salto hidrulico parcial o incompleto ocurre inmediatamente

aguas aba!o del cimacio

• 'e presenta un salto hidrulico verdadero

• =curre un salto ahogado en el que la lmina vertiente desciende

a gran velocidad sobre la espalda del cimacio y después contin$aen trayectorias errticas y #luctuantes por una distanciaconsiderable hacia aguas aba!o

• %o ocurre salto, la lmina vertiente se separa de la espalda del

cimacio, se desacelera y se di#unde sobre la super#icie, libreaguas)aba!o, por una distancia corta.

6ig .; E+ecto del nivel del 'i#o ! de la #'er+icie li(re aga# a(a/o-en el vertido #o(re ci&acio# U.S.4.R.

La +ig. > muestra los e#ectos particulares del nivel del piso aguas aba!osobre el coe#iciente de descarga, cuando ocurren las condicionesdescritas para las dos primeras zonas.


9/30

1e hecho, presenta la misma in#ormación que la +ig.


10/30

Esto se muestra en la +ig. @ que indica la relación entre loscoe#icientes de descarga0 el modi#icado por el e#ecto de las condicionesde ahogamiento aguas aba!o y el de descarga libre.Esta #igura presenta los datos obtenidos de las líneas horizontales

discontinuas en el lado derecho de la +ig.


11/30

1.0.0.: LON3ITUD E6ECTIA DE CRESTA

La longitd real de la cresta vertedora reduce su magnitud por e#ectode las contraccione# que e"perimenta el +l/o, debidas a la presencia

de e#tri(o# ! 'ila# las sobre el cimacio.Los estribos son muros laterales verticales que sirven para con#inar el#lu!o* la presencia de pilas intermedias obedece a la necesidad deconstruir un puente sobre el vertedor y normalmente de utilizarcompuertas para controlar la descarga.

La longitud que resulta después de considerar dichos e#ectos se conocecomo longitud e#ectiva0

H NKp Ka L Le )(2 +−=

3 carga total de operación, en mBa coe#iciente de contracción por e#ecto de estribosBp coe#iciente de contracción por e#ecto de pilasL longitud total de cresta, en mLe longitud e#ectiva de cresta, en m% n$mero de pilas colocadas sobre el cimacio

En el clculo del cadal de#cargado por vertedore#, con o sin pilasintermedias, la longitd e+ectiva de cresta corresponde a la obtenidade la ecuación anterior, siendo el coe+iciente de de#carga el &i#&oen ambos casos.

El coe+iciente de contracci"n por e#tri(o# se ve a#ectado por la+or&a del e#tri(o, por el %nglo que #orma el &ro de acce#oaguas arriba con la direcci"n del +l/o, por la relaci"n entre cargade o'eraci"n ! carga de di#e*o y por la magnitud de la velocidad dellegada.

La +ig. A. presenta los resultados e"perimentales de los valores de a K

para el caso de cortinas de gravedad vertedoras con seccionesadyacentes de concreto y enrocamiento.

6ig. 9. Coe+iciente de contracci"n en e#tri(o#- #eg>n U.S.4.R.


12/30

El coe+iciente de contracci"n 'or 'ila# varía principalmente con la+or&a y 'o#ici"n del ta/a&ar, # e#'e#or, la carga de o'eraci"nrespecto de la de diseño, el tirante del +l/o de llegada -aguasarriba y cuando hay compuertas, de la operación de las adyacentes a

la que se mane!a. 'eg$n (reager, cuando una compuerta est abiertay las adyacentes cerradas, los coe#icientes de contracción aumentanapro"imadamente /.< veces.


13/30

6ig .? Coe+iciente de contracci"n 'or e#tri(o# en #eccione# gravedadvertedora#- #eg>n @ES

Los resultados e"perimentales del 7.'. :rmy Engineers -CE',relativos a contracción por pilas, se presentan en la +ig. ? paradi#erentes #ormas del ta!amar, con su e"tremo coincidiendo en plantacon el inicio del per#il del cimacio de la #orma CE' -sección ../.;.


14/30

En la #igura los valores de P K se obtienen a partir de la relaci"nd H

H .

:unque la pila tipo ; es la mas #avorable desde el punto de vista de lacontracción, induce presiones negativas, por lo que se recomiendan los

tipos / y 5. La #ig. muestra el e#ecto que tienen prolongar alta!amar hacia aguas arriba para el caso de la pila tipo /.

6ig. 11 Coe+iciente de contracci"n 'or 'ila# ti'o 0- ta/a&ar 'rolongado $acia

aga# arri(a ! velocidad de llegada de#'recia(le(uando di#&in!e la 'ro+ndidad del canal de acceso empieza atener e+ecto la velocidad de llegada y la +ig. / muestra losresultados para este caso.

6ig. 10 Coe+iciente de contracci"n 'or 'ila# ti'o 0 con#iderando el

e+ecto de la 'ro+ndidad del canal de acce#o- velocidad dellegada a'recia(le.


15/30

En ausencia de datos, para velocidades de llegada apreciable en pilasde otra #orma, pueden usarse los coe#icientes de la +ig. ?.

1.0.0. 2ER6IL DEL CIMACIO

(reager #ue uno de los primeros que estudiaron la #orma del per#il deun cimacio y al que obtuvo por muchos años, se le conoció como Dper#il(reager.

Para calier tald de la cara aga# arri(a del cimacio ycalier 'ro+ndidad del canal de acceso, el per#il en la zona delcadrante aga# a(a/o tiene la ecuación general0

n

d d H

x K

H

y

=

y K

H x

n

d n

1−

=

1onde " y y son coordenadas de un sistema cartesiano como en la +ig5.a.

3d F carga de diseño elegida% y G F son coe#icientes e"perimentales que dependen del talud

del paramento aguas arriba y de la pro#undidad del canalde acceso.

a Ele&ento# de lo# 2er+ile# de ci&acio con la +or&a de la&ina

vertiente


16/30

El 7.'.8.9. recomienda los valores de n y B obtenidos de las +igs. 5,en #unción de la relación carga de velocidad de llegada2 carga dediseño -ha23d y talud del paramento aguas arriba del cimacio. En elcaso de cimacios altos, la carga de velocidad de llegada es despreciable

y ha23d F ?.

alore# de N6ig. 17 6actore# B ! n 'ara el di#e*o del 'er+il de n ci&acio conel 'ara&ento aga# arri(a de calier inclinaci"nU.S.4.R.


17/30

El 7.'.8.9. considera que el per#il en la zona del cuadrante aguasarriba se puede asimilar a dos arcos de círculo tangentes, cuyos radiosy restante geometría se pueden obtener de la +ig. ;

6ig. 1: alore# )cHd- !cHd ! RHd 'ara el di#e*o del 'er+il de

n ci&acio- con 'ara&ento aga# arri(a de calierinclinaci"n- U.S.4.R.


18/30

En el caso de ci&acio# alto# 1> H

P , y velocidad de llegada

de#'recia(le, la carga de diseño d H , se con#unde con la carga sobrela cresta d h .

En el caso de velocidad de llegada a'recia(le -(imacios ba!os o

1< H

P , se recomienda inclinar el 'ara&ento aga# arri(a del

cimacio hasta ;


19/30

6ig. 1< 2er+il de n ci&acio ti'o @ES con velocidad de llegadade#'recia(le ! 'ar%&etro aga# arri(a con tald 8.77112Hd 1.

6ig. 1= 2er+il de n ci&acio ti'o @ES con velocidad de llegadade#'recia(le ! 'ar%&etro aga# arri(a con tald 8.


20/30

La +ig. A presenta los valores que adquieren n ! 1B para los per#ilestipo @ES con velocidad de llegada de#'recia(le y distintasinclinaciones de la cara aguas arriba.

6ig. 19 alore# de n ! 1B en la Ecaci"n 'ara el 'er+il de n ci&acioti'o @ES- velocidad de llegada de#'recia(le ! 'ar%&etro

aga# arri(a con di+erente# inclinacione# 2Hd 1

Los per#iles @ES aparentemente desarrollan una &e/or di#tri(ci"nde 're#ione# que los U.S.4.R para la inclinaciones del parmetroaguas arriba que se indican cuando dicha inclinación es de ;


21/30

El punto de tangencia P.. -+ig 5 entre el per#il y la recta sedetermina igalando la derivada de la ecaci"n del 'er+il con latangente F1a del ngulo de inclinación de la recta y la horizontal,esto es0

a x

H

Kn

dx

dy nt n

d

111

== −−

de donde0

( ) 1/1 −=

n

d

t Kan

H x

La ordenada t y se obtiene substituyendo t x en la ecuación del per#il.

La +ig. I permite deter&inar la# coordenada# del 'nto detangencia para el per#il @ES Mostrado en la +ig.


22/30

1.0.0.


23/30

Al centro de la# 2ila#

323d F ?.


24/30

2er+il en contacto con la 2ila#

323d F ?.


25/30

6ig. 00 2er+il de aga #o(re el ci&acio @ES- con 'ila# ! e#tri(o# &o#trando

el e+ecto entre claro# contigo# 'ara HHd G 1.88

6ig. 07 2er+il de aga #o(re el ci&acio @ES- con 'ila# ! e#tri(o# &o#trandoel e+ecto entre claro# contigo# 'ara HHd G 1.7;


26/30

1.0.0.=. 2RESIN SO4RE EL CIMACIO

En teoría no debern desarrollarse presiones sobre un cimaciooperando con la carga seleccionada para el diseño de su per#il. 'in

embargo en la prctica se de#arrollan pequeñas 're#ione#, a$n paraesa condición de operación que a&entan cuando el cimacio #uncionacon carga# &enore# que la de diseño y di#&in!en hasta valoresnegativo# cuando lo hace con carga# &a!ore#.

'e ha evaluado la di#tri(ci"n de 're#ione# sobre un ci&acio tipo@ES- #in 'ila# ! con ella#, ba!o tre# carga# di+erente# deo'eraci"n, los resultados se muestran en las +igs. /; y /< para elcaso de velocidad de llegada despreciable. Las presiones para carga#inter&edia pueden ser obtenidas 'or inter'olaci"n.

a 2re#ione# #o(re el ci&acio #in 'ila#6ig 0: Di#tri(ci"n de're#ione# #o(re n ci&acio ti'o @ES con

velocidad de llegada de#'recia(le ! 'ar%&etro aga#arri(a vertical


27/30

( 2re#ione# #o(re el ci&acio #in 'ila#

6ig 0: Di#tri(ci"n de're#ione# #o(re n ci&acio ti'o @ES convelocidad de llegada de#'recia(le ! 'ar%&etro aga#arri(a vertical

La 're#i"n $idro#t%tica e!ercida sobre la cara aguas arriba de uncimacio se ve reducida por el e#ecto de la conversión de la energía encinética. Esta reducción en tr&ino# de la 're#i"n total, no essigni#icativa, pero en ci&acio# alto# hay que tomarla en cuentadebido al gran (raJo de 'alanca que tiene con re#'ecto a laci&entaci"n.El método usual de anlisis que supone una distribución lineal depresiones cerca de la cresta se traduce en #o(re di#e*o delvertedor, particularmente en presa alta, donde com$nmente seacepta al proporcionar un #actor adicional de seguridad.


28/30

6ig 0; Di#tri(ci"n de 2re#ione#- #o(re n Ci&acio Ti'o @ES-con 2ila# ! en contacto con la# &i#&a#


29/30

(on base en pruebas desarrolladas por el 7.'.8.9 y la o#icina del CE',se han valuado las 're#ione# re#ltante# en n ci&acio- o'erando(a/o la carga de di#e*o. Los resultados se muestran en la 6ig. 0 son las resultantesvertical ! $oriJontal de las +erJa# de aga# re#'ectiva&ente, laprimera para la super#icie aguas arriba de la cresta, la segunda para lasuper#icie curva de la creta hacia aguas aba!o.La #uerza horizontal R1 tiene le sentido indicado y debe considerarsecon!untamente con la #uerza resultante del diagrama de presiónhidrosttica para tomar en cuenta el empu!e horizontal sobre elparamento aguas arriba que act$a desde la cresta del cimacio hasta labase del mismo.

6ig 0< 6erJa# re#ltante#- 'or &etro de longitd de cre#ta enci&acio ti'o @ES o'erando con la carga de di#e*ovelocidad de llegada de#'recia(le- cara aga# arri(avertical ! #in 'ila#. La carga de di#e*o- no incl!e la cargade velocidad de llegada 2Hd l.


30/30

1.0.0.9. SELECCIN DE LA CAR3A DE DISEÑO

(omo se indico en la sección ././.., la carga de di#e*o del per#il deun cimacio con +recencia #e elige igal e la &%)i&a con que se

operar el vertedor.

'in embargo, la necesidad de lograr coe+iciente# de de#carga&a!ore# para disminuir longitd de cre#ta -señalada en la sección././.5 hace pensar que la carga de di#e*o podría seleccionarse deuna de las inter&edia#, con la $nica re#tricci"n en las 're#ione#negativa# que podrían generarse con carga# &a!ore#, comoresultado de la tendencia a la #e'araci"n de la lmina vertiente.

(uando la carga de di#e*o del cimacio es &enor que la m"ima deoperación, al cimacio se conoce como de 'er+il Kde'ri&ido.

La distribución de presiones negativas desarrolladas a lo largo del'er+il de'ri&ido con y sin pilas intermedias, corresponde a los

presentados en las +ig. /; y /< para 33.1=d H

H . Para relaciones

33.1<d

H

H , pueden hacerse inter'olacione# lineales en dichas #iguras.

En el caso de 'er+ile# US4R pueden utilizarse los &i#&o#re#ltado#.

Las +ig. /; y /< permiten calcular las presiones negativas producidassobre un cimacio deprimido. La carga de diseño m"ima del cimacioque todavía produ!era presiones negativas in#eriores a las devaporización seria la elegida para evitar cavitación.

El 7'89 recomienda que la carga de diseño sea &a!or o igal e

8.=; MAX H ,

< 33.1

d

MAX

H

H

=tros autores como 9ouse, consideran todavía adecuado el diseño del

per#il con una carga de di#e*o de la &itad de la &%)i&a 2=d

MAX

H H ,

ya que consideran que de 're#entar#e cavitaci"n para estascondicione# de o'eraci"n, esto ocurrir por 'eriodo# corto#, y acambio de ellos se a&entar,a el coe+iciente de de#carga.

Documents

Vertederos de Cimacio-VORD