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MOLINETE

FIGURA 22 -Clculo del caudal de una comente a partir de las mediciones efectuadas con un molinete. Los clculos correspondientes a este ejemplo figuran en el Cuadro 2

CUADRO 2 -Clculo del caudal a partir de las lecturas en el molinete12345678

SeccinVelocidad del caudal(m/s)Profundidad(m)Ancho(m)rea(m2)5x6Caudal(m/s)4x7

0,2D0,8DMedia

1--0,51,32,02,61,30

20,80,60,71,71,01,71,19

30,90,60,752,01,02,01,50

41,10,70,92,21,02,21,98

51,00,60,81,81,01,81,44

60,90,60,751,41,01,41,05

7--0,550,72,01,40,77

TOTAL9,23

2. AFORO DE CAUDAL EN SISTEMAS A SUPERFICIE LIBRE

2.1. Formas Hidrulicas Y Medicin De La Descarga

2.1.1. VertederosPueden ser definidos como simples aberturas sobre los cuales un lquido fluye.Para tener mediciones precisas el ancho del canal de acceso debe equivaler a ocho veces al ancho del vertedero y debe extenderse aguas arriba 15 veces la profundidad de la corriente sobre el vertedero. El vertedero debe tener el extremo agudo del lado aguas arriba para que la corriente fluya libremente. A esto se denomina contraccin final, necesaria para aplicar la calibracin normalizada. Para caudales mayores el vertedero rectangular es ms adecuado porque el ancho se puede elegir para que pase el caudal previsto a una profundidad adecuada. En cuadros se indican los caudales por metro de longitud de la cresta, por lo que se puede aplicar a los vertederos rectangulares de cualquier tamao.

HBLCresta o umbraleClasificacin FormaSimples: rectangulares, trapezoidales, triangulares etc.Compuestos: secciones combinadasAltura relativa del umbralVertederos completos o libresVertedores incompletos o ahogadosEspesor de la pared Vertedores de pared delgada Vertedores de pared gruesa e>1.5LLongitud de crestaVertederos sin contracciones laterales (L=B)Vertederos con contracciones (L 2H), y adems:D mnimo = 305mm.H mnimo = 60mm.

Vertedero trapezoidal.

Cipolleti procuro determinar un vertedero trapezoidal que compensase el decrecimiento del caudal debido a las contracciones.

Formula Francis, Cipolletti:Donde:Q = descarga en m3/s.L = longitud de la coronacin en metros (m).H = altura en metros (m).Influencia de la forma de la vena. En los vertederos en que el aire no penetra normalmente en el espacio debajo de la lmina vertiente (figura de arriba), puede ocurrir una depresin modificndose la posicin de la vena y alterndose el caudal. La lmina liquida puede tomar las siguientes formas que deben evitarse:

Lamina deprimida. El aire es arrastrado por el agua, ocurriendo un vaci parcial en el espacio, que modifica la posicin de la vena (figura izquierda). Lamina adherente. Ocurre cuando el aire sale totalmente (figura central)

En cualquiera de estos caos el caudal es superior al previsto o dado por las formulas indicadas.

Lamina ahogada. Cuando el nivel aguas abajo es superior al de la cresta, el caudal disminuye a medida que aumenta la sumersin (figura derecha).

Figura 15. Efectos en la lmina por influencia del aire2.1.2. Canaletas

En estas estructuras, el caudal es funcin de las caractersticas geomtricas de la canaleta, de las caractersticas del flujo libre o sumergido y de la altura que alcanza la lamina de agua medida en sitios especficos de la canaleta.

Canaleta tipo Balloffet:

Esta canaleta pertenece a los aforadores de flujo crtico. Este aforador se caracteriza por tener paredes paralelas y fondo plano, por lo cual se hace extremadamente fcil su construccin, a la vez posee caractersticas de solidez y resistencia a las condiciones de campo. Adems, si se presenta escurrimiento critico en la garganta, no se ve afectada por problemas de sedimentacin.Su estructura es sencilla, y en el caso de instalarla en un canal rectangular ya construido resulta econmica.

Calculo de descarga en condiciones de flujo libre:

La ecuacin establecida por Balloffet para r = 2/3 (relacin de contraccin) es la siguiente:

Donde: c = coeficiente de calibracin = 0.96 M = factor que depende de la relacin de contraccin = 0.434

b = (2/3)B h = nivel del agua a una distancia (B) aguas arriba de los abultamientos. La cota 0 de la mira coincide con la placa del fondo. B en metros (m), h en metros, Q en m3/s.

Para r = 1/3

Donde: c = 0.95 M = 0.397 R = 1/3 H = nivel del agua B en metros (m), n en metros (m) y Q = en m3/s.

Canaleta de garganta cortada:

Esta estructura aforada esta conformada por la seccin de entrada, la seccin de salida, la garganta y la placa de fondo. La seccin de entrada esta constituida por dos muros verticales convergentes en relacin 3:1 y la seccin de salida la conforman dos muros verticales divergentes en relacin 6:1.La unin de estas dos secciones forma una contraccin en la canaleta denominada garganta. El ancho de esta garganta, usualmente se designa con la letra W. La placa del fondo es totalmente horizontal.El tamao de este aforador se especifica por la amplitud de la garganta y por la longitud total (L) del mismo.

Flujo Libre:

Donde: Q = caudal en m3/s.

C = coeficiente de flujo libre. ha= profundidad de la corriente aguas arriba.

El valor n depende nicamente de la longitud L de la canaleta y es constante para todos los aforadores de una misma longitud sin tener en cuenta W.El parmetro K se denomina coeficiente de longitud del aforador para flujo libre.

Flujo sumergido:

Donde: Q = descarga en m3/s. ha = profundidad del flujo aguas arriba en metros (m). hb = profundidad del flujo aguas abajo en metros (m). N = exponente de flujo libre. Ns = exponente de flujo sumergido. S = sumergencia. Cs = coeficiente de flujo sumergido (ha/hb) El valor de Ns depende de la longitud de la canaleta.

Canaleta Parshall:

Reemplaza al vertedero si el agua contiene partculas en suspensin, se depositan y causan un cambio gradual en el coeficiente de descarga. Es una de las canaletas Venturi, donde tiene la profundidad crtica en la seccin contrada y un resalto hidrulico en la seccin de salida. Sus principales ventajas son que slo existe una pequea prdida de carga a travs del aforador, no necesita condiciones especiales de acceso o una poza de amortiguacin. Debido a la contraccin en la garganta, la velocidad del agua que fluye a travs de la canaleta es mayor que la del flujo en el canal. Por esta razn cualquier partcula de arena o limo puede ser arrastrada dejando la canaleta libre de depsitos. En consecuencia, es adecuado para la medicin del caudal en los canales de riego o en las corrientes naturales con una pendiente suave.Sin embargo, cuando existe una carga pesada de materiales de erosin en la corriente, la canaleta se volver intil al igual que el vertedero, para tales circunstancias se utiliza una canaleta Parshall conocida cono canaleta San Dimas. Las relaciones de profundidad-caudal para canaletas Parshall de diferentes tamaos:

Ancho de la gargantaEcuacin

3Q = 0.992Ha1.547

6Q = 2.06Ha1.58

9Q = 3.07Ha1.53

12a 8

10a50Q = (3.6875W + 2.5)Ha1.6

Q = caudal libre en pies3/s W = ancho de la garganta en pies Figura 16. Estructura de la canaleta ParshallHa = lectura de mira de aforo en pies

Fig.9 Dimensiones de un aforador Parshall, de suma importancia para su correcto funcionamiento

TABLA 8. Caractersticas hidrulicas del aforador Parshall

Capacidadnominalm3/sDimensiones (m)(Ver Fig. 9)Capacidad de escurrimiento libre

Para una cargamnima deDescargam3/s

Para unacarga mxima deDescargam3/s

ABCDE

0,1420,300,850,601,300,450,06 m0,0100,35 m0,140

0,2840,300,850,601,300,650,06 m0,0100,55 m0,290

0,4260,601,200,901,450,550,06 m0,0201,45 0,426

0,7100,601,200,901,450,750,06 m0,0200,650,720

El canal de aforo ParshallLlamado as por el nombre del ingeniero de regado estadounidense que lo concibi, se describe tcnicamente como un canal venturi o de onda estacionaria o de un aforador de profundidad crtica. Sus principales ventajas son que slo existe una pequea prdida de carga a travs del aforador, que deja pasar fcilmente sedimentos o desechos, que no necesita condiciones especiales de acceso o una poza de amortiguacin y que tampoco necesita correcciones para una sumersin de hasta el 70%. En consecuencia, es adecuado para la medicin del caudal en los canales de riego o en las corrientes naturales con una pendiente suave.El principio bsico se ilustra en la Figura 32. El aforador est constituido por una seccin de convergencia con un piso nivelado, una garganta con un piso en pendiente hacia aguas abajo y una seccin de divergencia con un piso en pendiente hacia aguas arriba. Gracias a ello el caudal avanza a una velocidad crtica a travs de la garganta y con una onda estacionaria en la seccin de divergencia.Con un flujo libre el nivel del agua en la salida no es lo bastante elevado como para afectar el caudal a travs de la garganta y, en consecuencia, el caudal es proporcional al nivel medido en el punto especificado en la seccin de convergencia (Fotografa 27 y Figura 32). La relacin del nivel del agua aguas abajo (Hb en la Figura 32) con el nivel aguas arriba Ha se conoce como el grado de sumersin; una ventaja del canal de aforo Parshall es que no requiere correccin alguna hasta un 70% de sumersin. Si es probable que se produzca un grado de sumersin mayor, Ha y Hb deben registrarse, como se indica en la Fotografa 28.La dimensin de los aforadores con un ancho de garganta de uno a ocho pies se indica en el Cuadro 6 y en la Figura 33. Los caudales de un aforador de un pie se muestran en el Cuadro 7. Los manuales citados en la seccinOtras obras de consultadan dimensiones y Cuadros de aforo para aforadores menores o mayores y factores de correccin para una sumersin superior al 70%.Para fabricar los canales de aforo Parshall se han utilizado muy diversos materiales. Se pueden prefabricar a partir de lminas de metal o madera o se pueden construir sobre el terreno con ladrillo y argamasa utilizando un armazn de metal prefabricado para garantizar mediciones exactas (Fotografa 29). Si hacen falta varios aforadores, se pueden moldear en hormign empleando tableros reutilizables. Se pueden tomar medidas eventuales de la profundidad del caudal a partir de un puesto de aforo establecido en el muro del canal o, si se requieren registros constantes, es posible instalar en una poza de amortiguacin colocada en una situacin especfica un registrador de flotante.FIGURA 32 -Canal de aforo Parshall (dibujado a partir de Scott y Houston 1959)

CUADRO 6 -Dimensiones de algunos canales de aforo Parshall (de USDA-SCS 1965)Ancho de la Garganta "W"(pies)A(pies, pulgadas)BCD

13-04-4 7/82-02-9 1/4

13-24-7 7/82-63-4 3/8

23-44-10 7/83-03-11

33-85-4 3/44-05-1 7/8

44-05-10 5/85-06-4 1 /4

54-46-4 6-07-6 5/8

64-86-10 3/87-08-9

75-07-4 8-09-11 3/8

85-47-10 1/89-011-1 3/4

Dimensiones tal como se indican en la Figura 33.Dimensin A=2/3 (W/2 + 4)Para estos lmites de ancho de garganta las dimensiones siguientes son constantes:E = 3-0, F = 2-0, g = 3-0, K = 3 pulgadas, N = 9 pulgadas, X = 2 pulgadas, Y=3 pulgadasFIGURA 33 -Dimensiones de un canal de aforo Parshall (de USDA-SCS 1965)

FOTOGRAFA 28- Canal de aforo Parshall con salida en parte sumergida y dos registradores de nivel

FOTOGRAFA 29Construccin de un canal de aforo Parshall en el campo empleando un armazn metlico reutilizable

CUADRO 7 -Caudales en un canal de aforo Parshall de un ancho de garganta de 304,8 mm (12 pulgadas)Carga(mm)(Ha en la Figura 32)Caudal(l/s)

303,3

405.2

507,3

609,6

7012,1

8014,9

9017,8

10020,9

11024,1

12027,5

13031,1

14034,8

15038,6

16042,6

17046,7

18051,0

19055,4

20059,8

22571,6

25084,0

27597,1

300110,8

325125,2

350140,1

2.1.3. Compuertas

Compuertas de flujo por debajo. Pueden llamarse as debido al hecho de que el agua pasa por debajo de la estructura. Ejemplos comunes son la compuerta deslizante o rectangular, la compuerta Tainter o radial, y la compuerta de rodillo o circular. En el diseo de estas compuertas el ingeniero est interesado en dos aspectos: la relacin altura-caudal y la distribucin de presiones sobre la compuerta en diferentes posiciones de sta y diferentes formas de labio de la compuerta, esta afecta distribuciones de velocidades y de presiones, la prdida de energa en el flujo a travs de la abertura de la compuerta, y desarrolla vibraciones que deben evitarse durante la operacin de la compuerta. El caudal a travs de una compuerta de flujo por debajo puede expresarse como:

C = coeficiente de descarga L = longitud de la compuerta h = altura de la abertura de la compuerta y1 = profundidad de flujo aguas arriba V12/2g = altura de velocidad del flujo de aproximacin.

Para propsito de estudios experimentales, el trmino de altura de velocidad puede omitirse y su efecto puede incluirse en el coeficiente C que depende de la geometra de la estructura y de olas profundidades aguas arriba y aguas abajo.

Figura 17. Compuerta

VERTEDEROS ORIFICIOUn ejemplo caracterstico lo constituye un sifn de hormign de 9,00 m. de largo que debe conducir un caudal de 0,46 m3/s por debajo de una carretera.La velocidad V en el canal antes y despus del sifn es de 1,16 m/s y se desea conocer la diferencia h entre los niveles de agua a la entrada y salida de un cao de hormign de 0,60 m de dimetro.

Solucin: de la frmula para los orificios sumergidos, se tiene que el gasto Q es igual a ; siendo h la diferencia de nivel del pelo de agua entre la entrada y la salida, a el rea de la seccin, y C el coeficiente de gasto. De la Tabla 10, el coeficiente de gasto C para caos de hormign con borde biselado de 0,60 m de dimetro y 9,00 m de largo resulta 0,83. La seccin transversal del cao tiene un rea de 0,283 m2. Luego, Q2despejando h de la frmula, se tiene h = = 0,195 m 2gC22

Si las condiciones son tales que la carga de 0,195 m no es factible, se hace necesario entonces probar con un cao de otra dimensin. Despejando de la frmula

QV = la velocidad en el cao, sta resulta ser de 1,63 metro por segundo,

mayor que la de 1,16 m/s en la acequia, siendo satisfactoria desde el punto de vista de la sedimentacin.

Como muestra la fig. 11, es necesario disponer en la entrada del conducto, de una carga mnima hi. Este valor es igual a la suma de la altura debida a la V2 V2 velocidad ms la prdida de cargas en la entrada h, 2 g 2 g

Para las condiciones establecidas hi = 0,096 m.

TABLA 10. Coeficiente C de descarga, para alcantarillas de caos de hormign con bordes biselados

Largodel cao(m)Dimetro del cao (m)

0,150,300,450,600,750,901,051,20

3 6 912150,770,660,590,540,490,860,790,730,680,650,890,840,800,760,730,910,870,830,800,770,920,890,860,830,810,920,900,870,850,830,930,910,890,870,850,930,910890,880,86

Fig.11 Sifn invertido simplificado, para conducir el agua de riego por debajo de un camino u obstculo similar. La entrada y salida de sifn invertido deben construirse en forma de asegurar una transmisin suave y gradual de la acequia al cao