INTRODUCCIÓN

En el siguiente trabajo de hidráulica hablaremos sobre las compuertas hidráulicas las cuales son unos dispositivos hidráulico - mecánico destinado a regular el pasaje de agua u otro fluido en una tubería, en un canal, presas, esclusas, obras de derivación u otra estructura hidráulica. Las compuertas fueron creadas por los europeos pero en nuestro continente los primeros en utilizarlas fueron los indígenas en Mesoamérica las eran hechas sea con meras obstrucciones de tierra en los canales, sea como compuertas de cabecera y de desagüe a manera de puertitas en los canales.

Las aplicaciones que tienen las compuertas son las del control de flujos de aguas, control de inundaciones, proyectos de irrigación, crear reservas de agua, sistemas de drenaje, proyectos de aprovechamiento de suelos, plantas de tratamiento de agua, incrementar capacidad de reserva de las presas entre otras.

IMPORTANCIA

Las compuertas hidráulicas juegan un papel muy importante ya que nacen de una necesidad o un problema bien sea social, político, económico en donde su objetivo no es más que satisfacer nuestras necesidades ya que nos brinda un mejor desarrollo.

En el que hacer de ingenieros sanitarios e ingenieros civiles, se incluye diseño de estructuras hidráulicas que almacén, contengan y transporten fluidos, especialmente agua, por ello es necesario conocer todos aquellos elementos aplicados para relacionar las propiedades de los fluidos quietos y en movimiento con herramientas analíticas que nos permitan dimensionar adecuadamente dichas estructuras, cuantificar los flujos a través de ellos y enfrentar los fenómenos hidráulicos que el transporte de éstos genere.

MARCO TEORICO

COMPUERTASDEFINICION

Puerta movible que se coloca en las esclusas de los canales y en los portillos de las presas de río para detener o dejar pasar las aguas. Las compuertas son equipos mecánicos utilizados para el control del flujo del agua y mantenimiento en los diferentes proyectos de ingeniería, tales como presas, canales y proyectos de irrigación. Existen diferentes tipos y pueden tener diferentes clasificaciones, según su forma, función y su movimiento. Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de compuerta a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma del orificio, de la cabeza estática, del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares de operación.

FUNCIÓN:Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de compuerta a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma de la abertura de la carga estática del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares. Algunos casos son:

• Control de flujo de agua

• Control de inundaciones

• Proyectos de irrigación

• Sistemas de drenaje

• Plantas de tratamiento

Principales tipos de compuertas

Las compuertas se clasifican según sus usos para obras hidráulicas de gran envergadura, (canales, presas, esclusas, etc.) y para tuberías.

1) COMPUERTA TIPO TEJADO

La compuerta tipo tejado es un tipo de compuerta hidráulica utilizado

en vertederos de presas. Es operada utilizando el desnivel de agua creado por

éstas y no requiere de equipo mecánico para su operación.

La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace que el

vertedero no pueda tener la forma óptima, lo que incrementa el volumen

de hormigón del mismo.

2) COMPUERTA BASCULANTE

Clapeta o chapaleta puede ser utilizada tanto en la cima del vertedero de una presa como instalado en el fondo de un río o canal.

3) COMPUERTA TIPO CILINDRO

Las compuertas cilíndricas se utilizan para descargas en presión, permitiendo la colocación de la sección de toma a cualquier profundidad, en un embalse. En el mismo pozo se pueden disponer tomas de agua a diversas alturas. Se acopla fácilmente a una tubería de salida.

4) COMPUERTA TIPO ESCLUSA Tienen bisagras verticales que se accionan por medios mecánicos o por pistones hidráulicos que permiten el paso de embarcaciones que deben atravesar una diferencia de niveles pronunciados.

5) COMPUERTA TIPO SECTOR

Es una compuerta utilizada en vertederos y presas, es manipulada utilizando el desnivel de agua creado por estas, no requiere de equipo mecánico para su operación. La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace que el vertedero no pueda tener la forma adecuada, lo que incrementa el volumen del hormigón del mismo

6) COMPUERTA TIPO STONEY Son utilizadas para tomas de presión para descargas de fondo o para la toma de una central hidroeléctrica.

7) COMPUERTA TIPO VISERA

Es utilizada en canales navegables y es accionada por un pistón hidráulica o neumática.

8) COMPUERTA PLANA Son el tipo de compuertas que tienen propiedades hidráulicas cuando están bien calibradas, y pueden emplearse como medidores de flujo.

PRINCIPIOS HIDRÁULICOS EN COMPUERTAS

Para obtener la ecuación que proporcione el gasto, se considerara el caso más general que es una compuerta plana con una inclinación de θ respecto a la horizontal y un ancho “b”.

Donde:

.H= y1+V 12

2g : Carga total aguas arriba de la compuerta.

.V 12

2g : Carga de velocidad con que llega el agua en el canal, aguas arriba.

.y1 : Tirante aguas arriba de la compuerta.

.y2 : Tirante de la vena contraída aguas debajo de la compuerta (CCa)

.a: abertura de la compuerta.

.b: ancho de la compuerta.

.CC : Coeficiente de contracción.

.L: aCc

longitud desde la compuerta hasta y2 (sección contraída).

.y3 : Tirante normal (si las condiciones lo permiten), aguas abajo.

. Δhr: pérdida de carga.

- Se establece la ecuación de la energía:

H= y1+V 12

2g=CC a+

V 22

2g ………. (1)

- Se establece la ecuación de continuidad:

V 1=CC ay1V 2………(2)

- Sustituimos ecuación 2 en 1 y obtenemos:

y1+¿

VELOCIDADSeguimos operando:

V 22

2g=y1−CC a1−¿¿

Entonces la velocidad media real en la sección contraída es:

V 2=C v

√1+CC ay1√2 g y1

Donde C v es el coeficiente de velocidad.

EL GASTO

Considerando la expresión básica Q=AV

Donde:

V=C v

√1+CC ay1√2g y1

A=b∗CC a

Cd=C vCC

√1+CC ay1De lo que tendremos:

Q=C v b∗CC a

√1+CC ay1√2g y1

Por lo tanto:

Q=C dab √2 g y1

Flujo a través de compuertas

Las compuertas tienen las propiedades hidráulicas de los orificios y, cuando están bien calibradas, también pueden emplearse como medidores de flujo.

Las condiciones físicas, hidráulicas, climáticas y de operación, evaluadas apropiadamente, imponen la selección del tipo y tamaño adecuado de las compuertas.

De nuestros calculos anteriores para el gasto obtuvimos:

C v=CdCC √1+CC ay1

Elevando esta expresión al cuadrado obtenemos:

CC2C v

2=Cd2(1+

CC ay1

)

CC2−( ay1 )(

CdC v )

2

CC−(CdC v )2

=0

CC=12 ( ay1 )(

CdC v )

2

±√ 14 ( ay1 )2(CdC v )

4

−(CdC v )2

Y haciendo:

K=12 ( ay1 )(

CdC v )

2

Resulta:

CC=k ±√k2+(CdC v )2

Los coeficientes Cc, Cv y Cd dependen del número de Reynolds y de las características geométricas del escurrimiento.

H. Rouse afirma que los valores de Cd para compuertas planas verticales (θ = 90º) son esencialmente constantes y con ligeras variaciones alrededor de 0.61.

COEFICIENTES UTILIZADOS

Coeficiente de contracción: Este coeficiente lo han obtenido experimentalmente muchos investigadores a través de la geometría del flujo. Para determinar el coeficiente de contracción se pueden utilizar las siguientes ecuaciones:

CC=aL

CC=12 ( ay1 )(

CdC v )

2

+√ 14 ( ay1 )2(CdC v )

4

+(CdC v )2

Coeficiente de velocidad: Los investigadores Knapp y Henderson exponen una comparación interesante de algunos resultados que presentan discrepancias importantes atribuibles, según Knapp, el grado de agudeza del canto afilado de la compuerta. Henderson, por el contrario, concluye que esto se debe a la manera como se desarrolla la capa límite a partir del plano de la compuerta. Con base a las experiencias de estos dos reconocidos investigadores, Knapp propone una ecuación para calcular el coeficiente de velocidad en compuertas verticales con descarga libre, en función de la

relación aH . Para ser congruentes con los anteriores desarrollos, se ha modificado la

ecuación para que la dependencia sea conay1

, como se muestra en la siguiente ecuación:

C v=0.960+0.0979ay1

Tiene como límite superior a C v=1 para ay1

=0.408

Coeficiente de descarga: Para obtener el valor del caudal real del aforo en el flujo de compuertas planas el coeficiente de descarga se obtiene de la dependencia de los coeficientes de contracción y velocidad, y en la siguiente ecuación:

Cd=C vCC

√1+ y2y1

CONCLUSIÓN

Al terminar la investigación acerca de las compuertas hidráulicas, hemos podido determinar la importancia y las aplicaciones que tienen las diferentes compuertas aquí, ya explicadas y representadas en esquemas visuales, además pudimos concluir que las compuertas son utilizadas mayormente en preseas de gran tamaño, las cuales tienen la función general de aliviar, mantener o soportar un nivel de agua, dependiendo de la función que se quiera poner a cumplir tal compuerta, un ejemplo bastante conocido, son las compuertas en el canal de Panamá, las cuales son de vital importancia en la economía mundial, ya que debido a estas el tiempo de transporte de cargas en barcos, se hace más corto.

Libro consultado:

SOTELO AVILA, Gilberto. Hidráulica General. México: Limusa, 1999. 561 p 561 p.