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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERA CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICADISEO HIDRULICO IITEMA:DISIPADOR DE ENERGA POR UNA RPIDA TIPO TRAMPOLN (SKI)

PROFESOR:Ing. Salomn JayaAUTORES: Arcos IvnBermeo NathalyCahuatijo EdwinCastro VernicaPaucar ngelRamos HenryTorres VernicaZumrraga ErickSEMESTRE:Sexto Primero

ABRIL SEPTIEMBRE 20151. NDICE1.NDICE22.INTRODUCCIN3SALTO DE ESQU:33.OBJETIVOS5Objetivos Generales5Objetivos Especficos54.DEFINICIONES5VERTEDERO TIPO CREAGER5SALTO SKI:55.MARCO TERICO65.1 GEOMETRIA DE UN TRAMPOLIN65.2 DISPOSITIVOS USADOS EN UN TRAMPOLN75.2.1 Estructuras deflectoras75.3 UBICACIN DEL SALTO ESQU O TRAMPOLN85.4 CIMENTACIONES DE LOS TRAMPOLINES85.5 ESTUDIO DEL TERRENO95.6 CONDICIONES DEL TERRENO PARA LA CIMENTACION105.7 TRATAMIENTOS PARA LA MEJORA DEL TERRENO105.8 ESTUDIO HIDROLOGICO105.9 TIRANTES EN EL TRAMPOLN10CLCULO VERTEDERO TIPO CREAGER:13CALCULO DEL TRAMPOLN18CLCULO DEL DIMENCIONAMIENTO DEL TRAPOLIN Y LOS DEFLECTORES19CLCULO DE LA GEOMETRIA DEL FLUJO22CLCULO DE LA PROFUNDIDAD DEL CONO (TO), ESTO SE REALIZAR EN EL CASO DE TRAMPOLN CON DEFELCTORES POR MEDIO DE LAS SIGUIENTES EXPRESIONES.248.CONCLUSIONES269.RECOMENDACIONES2610.REFERENCIA BIBLIOGRAFICAS27

2. INTRODUCCIN

SALTO DE ESQU:

Se utiliza para grandes descargas, principalmente en los vertederos.sta se hace directamente sobre el ro.Se utilizan unos trampolines para hacer saltar el flujo hacia un punto aguas abajo reduciendo as la erosin en el cauce y el pie de la presa.La trayectoria del chorro depende de la descarga, de su energa en el extremo y del ngulo con el que sale del trampoln.Su funcionamiento se ve con la formacin de dos remolinos uno en la superficie sobre el trampoln yel otro sumergido aguas abajo; la disipacin de la energa se hace por medio de stos.

Existen dos modelos, trampoln liso y trampoln estriado, ambos con igual funcionamiento hidrulico y con las mismas caractersticas, que difieren nicamente en la forma de salir el agua del trampoln.

Esqu liso el agua sale con mayor ngulo y choca con la superficie, creando remolinos y haciendo que el flujo aguas abajo no sea uniforme.

Esqu estriado, el agua sale con menor ngulo lo que hace que el choque con la superficie sea ms suave y que el flujo aguas abajo sea uniforme.Debido a que tiene dos ngulos diferentes de lanzamiento, incorpora aire y tambin genera remolinos horizontales disipando mayor cantidad de energa.

Aunque en el trampoln estriado se obtiene mejor disipacin con menos perturbacin, es ms sensible con las variaciones de caudal, veamos:

Cuando la descarga es insuficiente (mnima), el chorro empuja el remolino a lo largo del cauce, produciendo erosin aguas abajo ya que se lo puede llevar a una zona que no estprotegida.

Al aumentar el caudal, el remolino empieza a remontar, desplazndose aguas arriba, llegando al comportamiento ideal, pero el caudal sigue aumentando y cuando es demasiado grande, se produce el fenmeno de chorro ahogado.El chorro ya no se eleva al salir del trampoln si no que sigue por el fondo del canal,y el remolino se forma en la superficie, lo que produce erosin.

Cuando el caudal empieza a disminuir, el chorro se empieza a elevar y a producir el remolino en el fondo, rellenando lo erosionado (etapa B), en este proceso es muy importante tener en cuenta la direccin de los remolinos en cada etapa para poder entender lo que sucede.

En los amortiguadores estos son los principales o los que ms se han desarrollado, pero para cada proyecto puede decirse que se crea un nuevo disipador ya que todos los proyectos son distintos y tienen diferentes regmenes; adems las combinaciones que se pueden hacer son infinitas. Tambinse debe estar consiente, que una falla en el diseo, instalacin u operacin delos disipadores puede llevar a problemas como socavacin, erosin o retencin de material, que pueden terminar produciendo la falla del vertedero y posteriormente la falla de la presa.As pues los diseos de estructuras disipadoras de energa, obedecen a estudios experimentales que tienen encuenta las caractersticas propias del flujo a manejar, del sitio de la construccin y su engranaje con el conjunto total de la obra, lo que hace que cada diseo sea nico, y crea la necesidad de construir modelos hidrulicos para garantizar que el funcionamiento corresponda a lo planteado tericamente.

3. OBJETIVOSObjetivos Generales Disear un disipador tipo Salto Esqu o Trampoln Analizar el funcionamiento y comportamiento de este tipo de disipador.

Objetivos Especficos Determinar los parmetros bsicos para el diseo de un Salto Esqu. Analizar los lugares de uso ms convenientes para este tipo de disipador. Conocer sobre los diferentes modelos de Salto Esqu. Determinar la ubicacin y geometra del Salto Esqu. Realizar un esquema representativo del Salto Esqu. Establecer una metodologa adecuada para el diseo del Salto Esqu.

4. DEFINICIONES

VERTEDERO TIPO CREAGER: Consiste en una cara vertical o inclinada del paramento aguas arriba y est constituido por una presa de control curva, la cresta tiene esta forma con el fin de que la superficie del agua no produzca vacos al escurrir, provocando el fenmeno de cavitacin, para esto debe tener aproximadamente la forma de la superficie de la lmina vertiente de un vertedor de cresta delgada.SALTO SKI:Se utiliza para grandes descargas, principalmente en los vertederos. sta se hace directamente sobre el ro. Se utilizan trampolines para hacer saltar el flujo hacia un punto aguas abajo, reduciendo as la erosin en el cauce y el pie de la presa. La trayectoria del chorro depende de la descarga, de su energa en el extremo y del ngulo con el que sale del trampoln. Su funcionamiento se aprecia con la formacin de dos remolinos uno en la superficie, sobre el trampoln, y el otro sumergido aguas abajo; la disipacin de la energa se hace por medio de stos.

5. MARCO TERICO

5.1 GEOMETRIA DE UN TRAMPOLIN

Es variable y depende del punto de vista en que se analice en planta o en perfil.En perfil se pueden clasificar:

Horizontal

Pendiente adversa

Fondo curvo

En planta se puede clasificar en: Plano o prismtico

Divergente

No es lgico el uso de trampolines convergentes ya que esto implicara el aumento en el gasto especfico sobre el trampoln y con ello un aumento de la socavacin aguas abajo.

5.2 DISPOSITIVOS USADOS EN UN TRAMPOLN

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 serclasificados como:

5.2.1 Estructuras deflectoras

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 aejar de la estructura el agua de descarga, hasta un sitio en el que sus efectos, como la erosin y socavacin, 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 geomtricas para aplicarlas en el diseo de otros casos, basndose en las leyes de semejanza.

5.3 UBICACIN DEL SALTO ESQU O TRAMPOLN

Para la ubicacin de un trampoln se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones: Se deber ubicar el trampoln siempre por encima del nivel de agua del canal de evacuacin para que la descarga de flujo se realice libremente. Al no cumplirse con esto el disipador puede destruirse. La posicin final del trampoln debe garantizar una velocidad en el chorro, para que el flujo sea lanzado lo ms lejos posible de la obra. Se debe tener en consideracin que cuando el chorro al caer sobre el agua lo haga con una inclinacin = 30 - 35

5.4 CIMENTACIONES DE LOS TRAMPOLINES

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 deber ser nunca menor que la profundidad del cono de socavacin.

Se denomina pilote a un elemento constructivo utilizado para cimentacin de obras, que permite trasladar las cargas hasta un estrato resistente del suelo, cuando este se encuentra a una profundidad tal que hace inviable, tcnica o econmicamente, una cimentacin ms convencional mediante zapatas o losas.Tiene forma de columna colocada en vertical en el interior del terreno sobre la que se apoya el elemento que le trasmite las cargas (pilar, encepado, losa...) y que trasmite la carga al terreno por rozamiento del fuste con el terreno, apoyando la punta en capas ms resistentes o por ambos mtodos a la vez.

5.5 ESTUDIO DEL TERRENO

Estudio topogrfico: 1. Recopilacin de la cartografa,2. Inspeccin ocular,3. Recogida de datos, 4. Realizacin de u plano topogrfico.

Estudio geolgico: caractersticas y composicin del terreno para conocer la resistencia e impermeabilidad de la zona.Prospecciones ssmicas: informacin sobre la rigidez de las distintas zonas, profundidad a la que se alcanza la decomprensin de la roca. Se hace explosionando en un punto y recogiendo los datos con sismgrafos.Prospecciones elctricas: naturaleza del terreno y grado de humectacin es distinto con el paso de la corriente elctrica as se sabe la constitucin del terreno.Sondeos: corte geolgico del terreno que determina su constitucin.

Una vez decidida la ubicacin se hacen sondeos a lo largo del eje trasversal del ri para definir la profundidad de cimentacin con el conocimiento de la roca en cada punto.

5.6 CONDICIONES DEL TERRENO PARA LA CIMENTACION

Condiciones:Resistente: debe ser resistente para soportar cualquier eventualidadEstable: 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.

5.7 TRATAMIENTOS PARA LA MEJORA DEL TERRENO

Inyecciones: para rellenar huecos y aumentar la permeabilidadTratamiento de diaclasas: extraer material que rellenan las litoclasas y sustituirlo por lechada de cemento que aumenta la resistencia.

5.8 ESTUDIO HIDROLOGICO

Se debe conocer:Caudales que se esperan para determinar la capacidad del embalse. Se puede obtener por aforos directos o por estudios en cuencas prximas.Avenidas que puedan presentarse con clculos estadsticos.

5.9 TIRANTES EN EL TRAMPOLN

En el trampoln se asume que el tirante de salida es igual que el tirante de entradaEsquema:

FIGURA: ESQUEMA DISIPADOR SALTO ESQU Donde:h1 = tirante al final de la rpida (m).Lmin = longitud mnima del trampoln (m).P = Distancia vertical medida desde el fondo del trampoln hasta la superficie libre del agua, aguas abajo (m). = Inclinacin 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).

6. NOMENCLATURA

Caudal de diseo (m3/s). B= ancho de la rpida (m). = altura del deflector (m). = ancho del deflector (m). N= nmero de deflectores. = nmero de Froude en la entrada del trampoln. = inclinacin del chorro de agua al caer (). = tirante al final de la rpida (m). = longitud mnima del trampoln (m). P= distancia vertical medida desde el fondo del trampoln hasta la superficie libre de agua, aguas abajo (m). =longitud de vuelo del flujo (m). =longitud del vuelo del flujo por el cono (m). BL= borde libre (m). =longitud del cono (m). b = Ancho de la rpida V1 = Velocidad (V1)

7. CLCULOS

CLCULO VERTEDERO TIPO CREAGER:

Es una barrera, siendo esta habitual para elevar el nivel de un caudal o ro con el fin de derivar parte de este caudal a las acequias.Por lo general son estructuras de hormign y su seccin transversal es de forma curvilnea para adaptarse a los principios de la mecnica de fluidos, de esta manera se minimiza el rozamiento del agua con la superficie del perfil para evitar la erosin.

Lnea de energa

Hdp

FIGURA: ESQUEMA DEL PERFIL TIPO CREAGER

DATOS:B8

P11.5

h2.13746994

c2

So0.003

n0.013

1.1

CALCULO DE LAS CARACTERSTICAS DEL RIO

CLCULOSUNIDADES

CAUDALQ = c * L * H^(3/2)50.00000m^3/s

EoEo = h + w + (Vo^2/2g)13.6374699m

Amb * Yn11.4552491m^2

Pmb + 2Yn10.8638123m

RhAm/Pm1.054441m

Q(1/n)* Am * Rh^(2/3) * So^(1/2)50.000000m^3/s

YnPor Iteraciones1.43190614m

VnQ/(b * Yn)4.36481122m/s

FrV/(g*Yn)^(1/2)1.16459169

Yc(Q^2/(g*b^2))^(1/3)1.58500392m

VcQ/(b * Yc)3.94320789m/s

FrV/(g*Yc)^(1/2)1.00

CALCULO DEL VERTEDERO TIPO CREEAGER

HHdP

P

Va: velocidad de aproximacinQ/(B*H)0.45829615

Ha: Altura de velocidad correspondienteVa^2/(2g)0.01070517

Hd: Altura de diseoh-Ha2.12676477

Diseo de la forma de la cresta

X1 = 0,282 Hd0.599747666m

X2 = 0,175 Hd0.372183835m

R1 = 0,5 Hd1.063382386m

R2 = 0,2 Hd0.425352954m

Diseo del radio de salida

Z = P + Hd13.63746994m

Y10.417060513m

V1 = (2*g*(Z + Ha - Y1))^(1/2)16.11193558m/s

R = 10^((V+6,4h+16)/(3,6h+64))18.81398449pies/s

Cambio de unidades a metros5.734502471m

CALCULO DE LA ECUACIN DEL PERFIL CREAGER Qmax =50.0000m^3/s

C = 2

L = 8m

De donde H:H =2.1374701m

n =1.85

K =2

Dando valores para el perfil Creager tenemos:

x(m)y(m)

0.50-0.073

1.00-0.262

1.50-0.555

2.00-0.945

2.50-1.428

3.00-2.001

3.50-2.661

4.00-3.407

4.50-4.236

5.00-5.148

5.50-6.141

6.00-7.213

6.50-8.365

7.00-9.594

7.50-10.900

7.72-11.500

SECCIONES PARA EL CLCULO DE LOS TIRANTES

Se obtiene el valor de Y1 de la ecuacin de la igualdad de energa que nos dice que E0 = E1V1Q/(b * Y1)14.9858350m/s

v1^2/2g*V1^2/2g12.5908652m

hfhf = 0,05 V^2/2g0.62954326m

Y10.41706051m

E1Y1 + *V1^2/2g + hf13.637469m

Fr17.40878353

Y24.16623666m

V21.50015482m/s

Fr20.23465489

CALCULO DEL TRAMPOLN

CLCULO DE LA VELOCIDAD (V1) Y EL NMERO DE FROUDE (FR1) A LA ENTRADA DEL TRAMPOLN.

Ecuaciones a usar:

DATOS: Q= 50 m/s b= 8 m h1= y1 = 0.417 m.

Por lo tanto:

7.41

(Cumple)

CLCULO DEL PARA CONOCER SI SE PRODUCIR O NO CAVITACIN EN LOS DEFLECTORES:

Ecuacin a usar:

Con:

Hatm-Hv10m

DATOS: h1=0.417 m Hatm-Hv10m

Como (7.41 ), entonces se podr usar deflectores pues no existe peligro de que ocurra cavitacin en ellos.

CLCULO DEL DIMENCIONAMIENTO DEL TRAPOLIN Y LOS DEFLECTORES

Longitud del trampoln:

Altura del deflector:

Longitud del deflector:

Ancho del deflector:

Numero de deflectores (b ancho rpida):

Se selecciona un nmero impar de deflectores, para garantizar la colocacin de uno de ellos en el eje del trampoln=9

Ubicacin deflectores (a,c y d)

Altura de las paredesBL= borde libre:

CLCULO DE LA GEOMETRIA DEL FLUJO

NOMECLATURAV1= Velocidad de flujo (m/s)K = 0.9 (Recomendaciones de USBR)g = Gravedad( , i) = Valores tomado de la table 3.6 Longitud de vuelo del flujo (Lv) :+V1*cos()*)*kDonde:V1= 14.986(m/s)K= 0.9 (Segn recomendaciones del USBR)Calculo de = Angulo medio de salida del flujo

Tabla 3.6

Fuente: Diseo hidrulico de aliviaderos para presas pequeas Centro de investigaciones hidrulicas Jos Antonio Echeverra

+14.98*cos(10.75)*)*0.9

Lv= 17.93 m Inclinacion del flujo, respecto a la superficie de la lmina aguas abajo()

=30.44

CLCULO DE LA PROFUNDIDAD DEL CONO (TO), ESTO SE REALIZAR EN EL CASO DE TRAMPOLN CON DEFELCTORES POR MEDIO DE LAS SIGUIENTES EXPRESIONES.

Como dato sabemos que aguas abajo del trampon se encuentra con un suelo suelto grava, para el clculo se utiliza de AMIROV:to= Ko. Zo 0.25. hcr0.75

Zo = P + h1 +

3+ 0.416 + = 14.862m

= 3.17m

Ko= Kd. K. Ka.Ke. Kdef

Donde: Kd =

d0 = 0.2mm recomendado por Amirovd90= 5cm

Kd = = 0.7814

K = 4.29 ( ) 0.05 si > 30

K = 4.29 ( ) 0.05 = 4.68

Ka = 0.903. ( ) 0.15

Ka = 0.903. ( ) 0.05= 0.827

K e = 0.70 coeficiente de estructuraKef = 0.70 coeficiente de deflector

Ko= Kd. K. Ka.Ke. KdefKo = 0.7814 * 4.68 * 0.827 * 0.7* 0.7Ko= 1.482

CALCULO DE tO

to= Ko. Zo 0.25. hcr0.75to = 1.482 * 18.35 0.25 * 3.170.75to= 7.287m

LONGITUD DE VUELO POR EL CONOLvc = Lv +

Lvc = 17.93 + NOTA: Los valores obtenidos pueden ajustarse a dimensiones constructivas.

8. ESQUEMAS

VISTA DE PERFIL

ESPECIFICACION DE DEFLECTORES

9. CONCLUSIONES

La utilizacin de este tipo de disipador se lo hace para hacer saltar el flujo de agua haca un punto aguas abajo evitando la erosin en el cauce y el pie de las presas. La energa se disipa de 3 maneras por contacto de agua con el aire, por la friccin existente entre el cauce del ro con el flujo, adems de la turbulencia producida. El nmero de Froude en la entrada del trampoln siempre debe estar entre:7 < Froude < 39 El chorro de agua debe caer con una inclinacin de = 30 - 35 para evitar la erosin del cauce. Este tipo de disipadores siempre debern estar cimentados con pilotes o dentellones, tomando las respectivas medidas de seguridad. La longitud del trampoln ser igual a 4 veces el tirante al final de la rpida. Los deflectores se calcularn en funcin de del tirante final de la rpida y la altura o calado de entrada se elegir un nmero impar de dientes deflectores para garantizar la entrada de estos a lo largo del eje del trampoln. Se considerar un borde libre no menor a 0,6 veces el tirante final de la rpida. Los valores de , i para el clculo del ngulo medio del flujo se obtendrn de una tabla sacada en laboratorio en funcin de la relacin Y1/H1. Para el clculo de la profundidad del cono se pueden elegir diferente mtodo dependiendo del tipo de suelo. Se debe revisar que no se produzca cavitacin. Un disipador tipo trampoln puede o no tener dientes deflectores dependiendo del diseo. Las medidas obtenidas en el clculo se pueden ajustar a medidas constructivas con la consideracin que sean mayores a las de clculo.

10. RECOMENDACIONES

Se recomienda siempre que se realice el diseo del trampoln que el nuero de Froude a la entrada del trampoln debe de ser de:

Se recomienda que la geometra del trampoln sea variable dependiendo de la planta o perfil del terreno. Se recomiendo que el trampoln siempre se debe ubicar por encima del nivel de agua del canal donde se va a evacuar para que el flujo se descargue libremente ya que si eso no ocurre la estructura puede dejar de existir. Se concluye que es importante realizar este tipos de obras hidrulicas pero siempre tomar en cuenta el dao que vamos a causar a las diferentes especies, plantas por lo que se debe tomar las respectivas precauciones.

11. REFERENCIA BIBLIOGRAFICAS http://es.slideshare.net/RafaelLopez15/disipadores http://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/6181/1/T-ESPE-040211.pdf http://www.dspace.uce.edu.ec/bitstream/25000/2199/1/T-UCE-0011-60.pdf http://es.slideshare.net/marcioclaure/obras-hidraulicas http://www.dspace.uce.edu.ec//250/2199/1/T-UCE-0011-60.pdf