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HIDRAULICA DE CANALES. INSTITUTO TECNOLIGICO NACIONAL.

Unidad III Tanque de amortiguamiento y salto de sky. POR: Julio Cesar Solis Monterola DOCENTE: DR. ANA LUZ TEJEDA GUTIERREZ.

Instituto Tecnológico de Zacatepec

Departamento: Ciencias de la Tierra INGENIERÍA CIVIL

Hidráulica De Canales Ana Luz Tejeda Gutiérrez

TANQUES DE AMORTIGUACIÓN. Cuando el agua corre por el vertedor y los canales o túneles de descarga, contiene gran cantidad de energía y mucho poder destructivo debido a las altas presiones y velocidades. Estas pueden causar erosión en el lecho del rio, en el pie de la presa, o en las estructuras mismas de conducción, poniendo en peligro la estabilidad de las estructuras hidráulicas. Por lo tanto se deben colocar disipadores de energía. Para la selección del tipo de disipador o tanque amortiguador de energía se debe tener las siguientes consideraciones. 1. Energía de la corriente 2. Economía y mantenimiento ya que éste eleva mucho el costo 3. Condiciones del cauce aguas abajo( suelo, roca, etc.) 4. Ubicación de las vías de acceso 5. Efecto de las subpresiones y del vapor de agua sobre las instalaciones 6. Proyectos y poblaciones aguas abajo Existen varios tipos de disipadores de energía, entre los cuales: a) Bloques de concreto o bafles: se instalan en el piso del tanque amortiguador para estabilizar el salto suministrando una fuerza en el sentido de aguas arriba. b) Dientes o dados: se colocan a la entrada del tanque amortiguador para disipar el flujo. También se colocan en los vertedores y canales de descarga para disminuir la energía por medio de impacto. c) Escalones: Se colocan con mayor frecuencia en el canal de descarga y disipan la energía por medio de impacto e incorporación de aire al agua. La aplicación del salto hidráulico en un tanque amortiguador es por lo siguiente: Al presentarse en un escurrimiento con régimen rápido sobre el vertedor, y teniendo el río una pendiente más o menos suave y menor que la crítica correspondiente, se tendrá al pie del vertedor un tirante d1, cuyo conjugado d2 tratara de formarse rápidamente, si las condiciones físicas del escurrimiento las propician. Al producirse el tirante “d2” la energía cinética se transforma; una parte en energía de presión y otra se pierde por el cambio súbito de régimen y en los remolinos y turbulencias del salto hidráulico. El objeto de diseñar el tanque, aguas debajo de la cortina es con el fin de contar con las condiciones adecuadas, para que el cambio brusco de tirantes se verifique dentro de una longitud mínima del cauce, que es la que se debe proteger debidamente. Pero no siempre se formara o será necesario que se produzca el salto hidráulico, la necedad de el dependerá de las características de resistencia que tengan los materiales del cauce. Por lo tanto, habrá casos en los que únicamente será necesario calcular las velocidades que se tengan aguas debajo de la cortina y ver si son aceptables de acuerdo con los materiales que se tengan en el sitio. Por lo que, habrá que calcular dichas velocidades en algunas secciones, tales como la S1, S2, S3, etc., (ver figura 3.27) y juzgar la necesidad de revestir o no ciertos tramos del cauce, de acuerdo con ellas.

En un problema de salto hidráulico, como en las estructuras terminales de vertedores, tomas, rápidas, etc., el valor de los tirantes conjugados d1 y d2 se pueden calcular de la siguiente manera: 1 | Página

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Elevación del piso del tanque amortiguador. Puesto que el nivel de la superficie libre del agua, en el tanque amortiguador y en el cauce natural del río, inmediatamente después de dicho tanque, deben ser iguales; la elevación del fondo del tanque (Pt) será igual a la elevación del umbral de la descarga (Elev. U) más el tirante normal (dn) en el cauce menos el conjugado d2, es decir: Véase Fig. . Elev. (Pt) = (Elev. U + dn) - d2 De acuerdo con esto, la altura del colchón "P" valdrá: p=d2 −d n Para contar con un margen de seguridad a fin de asegurar el amortiguamiento, es usual considerar un 15% más el valor calculado para el conjugado d2: P = 1.15(d2 – dn) Cuando no se tenga el dato del tirante normal en el río (dn), se puede considerar de manera conservadora, como valor para dn el correspondiente al tirante crítico dc de la sección de control que se localiza sobre la cresta vertedora, siempre que el ancho del cauce permanezca más o menos constante después de la descarga. Esta consideración se hace en base a que generalmente en el tramo de la derivación el régimen del río es lento y que de acuerdo con la curva de energía específica, el tirante menor que se pueda presentar es el tirante crítico.

SALTO DE SKY. Se emplea este tipo de deflector si el terreno es muy resistente, la cortina es más o menos alta y cuando los tirantes en el río no resultan ser muy grandes. Se utilizan para grandes descargas, principalmente en los vertedores. Ésta se hace directamente sobre el río. Se utilizan 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. Su funcionamiento se ve con la formación de dos remolinos uno en la superficie sobre el trampolín y el otro sumergido aguas abajo; la disipación de la energía se hace por medio de éstos. 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. La disipación de la energía que se consigue, es debido a las turbulencias y casi pulverización de la corriente por la acción del aire originada por su lanzamiento desde el trampolín y a lo largo de su recorrido, antes de caer; además se logra alejar la caída del pie de la cortina de suerte que su efecto ya no es peligroso para dicha estructura figura 1 Una de las condiciones que se deben cumplir para que el salto de sky funcione correctamente es que, el nivel del agua correspondiente al tirante del río para máxima descarga debe ser inferior a la elevación de la nariz del deflector. Esto es para que no haya posibilidad de ahogamiento y deje de funcionar como tal.

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Figura 1 Trampolín libre o salto de SKY.

Por otra parte, colocar la nariz del deflector a un nivel lo más bajo que sea posible, siempre y cuando se cumpla con el requisito señalado es muy ventajoso, pues se logra un mayor lanzamiento de la caída del manto. Aproximadamente la distancia "X" Figura 1 puede calcularse con la fórmula que da la distancia de caída de un móvil lanzado con una velocidad inicial y con cierto ángulo de tiro. Esta fórmula es: (véase Figura 2).

Y =x tg θ –

x2 K 4 ( d+ hv ) cos 2 θ

Siendo:

θ = Ángulo de salida del chorro, con respecto a la horizontal. K

K=1, para el chorro teórico.

K = 0. 9, para considerar la pérdida de energía en el lanzamiento, turbulencias, etc. d = Tirante a la entrada del trampolín en m. V= Velocidad a la entrada del trampolín en m/seg.

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Fig. 2. Trayectoria aproximada del salto de SKY.

El alcance horizontal del chorro al nivel de la salida, se encuentra para Y= 0 X =4 K (d+ hv)tg θ cos 2θ

Como: Se tiene:

2

2

2tg θ cos θ=Sen θ X =2 K ( d+ h v ) sen2 θ

"X" máxima se obtiene para 0 = 45°, o sea: X =2 K ( d+ h v ) sen2 θ Sin embargo, por influir el radio del trampolín en el valor del ángulo de salida, así como la elevación de la nariz con relación al fondo de la cubeta, generalmente θ adquiere un valor práctico, alrededor de 30° a 45°. En este tipo de trampolín se tiene la posibilidad, de que se produzca un fenómeno de cavitación en la zona abajo del manto, que puede dañar a las paredes de la estructura. Esto puede suceder porque el aire en dicha zona es arrastrado por la corriente y no sea sustituido suficientemente, de tal manera que la presión en ese sitio puede deprimirse hasta un valor que propicie el fenómeno de cavitación.

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Figura 3. Convergencia de muros guía.

Por lo anterior es indispensable, proporcionar abajo del manto una suficiente aireación, esta se consigue en forma natural, no pegando los límites del deflector a las laderas del cauce, a fin de propiciar la entrada del aire; cuando esto no es posible, de manera artificial la aireación se puede lograr mediante tuberías instaladas, en tal forma que se propicie una circulación del aire entre el exterior y la zona confinada abajo del manto. En ocasiones la longitud de este deflector puede disminuirse con relación a la longitud de cresta vertedora, mediante la convergencia de los muros guías laterales Fig. 3. Esta convergencia se emplea 5 | Página

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con el fin de adaptar más el disipador a las laderas, tanto por conveniencias topográficas y geológicas, como para no confinar la zona abajo del manto. El ángulo máximo de convergencia recomendado es de α = 10°. Esto es con el fin de imposibilitar interferencias, entre los filetes líquidos del escurrimiento. No existe hasta ahora un método bien definido para diseñar la geometría del salto de sky, que esencialmente consiste en la determinación del radio de la cubeta deflectora, y del ángulo de salida que se le debe dar al chorro. En los libros de hidráulica se pueden ver algunas fórmulas y coeficientes, propuestos por algunos investigadores y que son producto de la observación en modelos hidráulicos y prototipos. Desde luego, lo recomendable para el proyecto de un salto de sky es ensayar en un laboratorio el problema en cuestión, pero esto no siempre es justificable dada la magnitud de la obra, premura de tiempo, etc. En nuestra Dirección se ha adoptado para ante-proyectos y en proyectos definitivos de poca magnitud, los coeficientes y recetas que se han obtenido de la experiencia de algunas obras, en el laboratorio de hidráulica de la Secretaría; los resultados que se han observado en las obras construidas han sido satisfactorios. La Fig.4, indica las dimensiones mínimas recomendadas para los saltos de sky.

Figura. 4 Geometría del Salto SKY.

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Figura 5. Esquema del funcionamiento del trampolín sumergido.

Figura 6. Trampolín sumergido.

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