Estructuras de control

Las estructuras de control son elementos habituales en canales y tienen como fin:

  • incremento del nivel de agua, p.ej., para una profundidad navegable suficiente para barcos, utilización de la energía hidráulica, protección de la erosión a través de una velocidad de flujo reducida

  • regulación de la descarga

  • medición de la descarga

Los vertederos y compuertas son estructuras de control típicas. La diferencia entre estas es si fluyen por encima (vertedero) o fluyen por debajo (compuerta).

¿Qué es un vertedero? Mira el video de abajo.

Existen estructuras de control fijas y móviles. Las compuertas suelen ser móviles y pueden regular el nivel de agua y la descarga. Los posibles movimientos son: elevación, inmersión, giro, inclinación, rodadura o combinaciones de estos movimientos. Los vertederos pueden ser fijos o móviles. Los vertederos fijos no pueden regular el nivel de agua pero, sin embargo, ofrecen la ventaja de que no contienen piezas móviles propensas a averías y que requieren mantenimiento. Una forma especial de los vertederos fijos es el vertedero de sifón (ver abajo).

En el área de las estructuras de control se produce una transición de flujo de subcrítico a supercrítico.

Las estructuras de control reales constan de los componentes siguientes:

  • cuerpo de retención (genera el incremento del nivel de agua); puede ser fijo, móvil o una combinación de ambos

  • cuenco de disipación: disipación de energía de la descarga

  • afirmado del cauce aguas arriba y aguas abajo, estructuras de conexión (muro lateral del vertedero)

  • estructuras para la consistencia ecológica

Condiciones de la caída en el vertedero

En el vertedero puede haber dos condiciones de la caída. En el caso de caída libre, las condiciones de aguas arriba no se ven afectadas por las de aguas abajo. Se produce una descarga crítica en la cresta del vertedero. La cresta del vertedero está por encima del nivel de aguas abajo. El vertedero se denomina vertedero de rebose.

En el chorro sumergido, las condiciones de aguas arriba se ven afectadas por las de aguas abajo. El vertedero actúa como un vertedero sumergido y está en muchos casos totalmente bajo el agua.

En la caída libre, los vertederos eliminan la conexión de nivel de agua aguas arriba con el nivel de agua aguas abajo. Cuando las condiciones de aguas abajo se hayan acumulado en la cresta del vertedero hasta superar la profundidad crítica, se produce un chorro sumergido.

1 caída libre, 2 chorro sumergido; W altura del vertedero, ho altura, hc profundidad crítica, Q descarga, hd profundidad de descarga aguas abajo, hw profundidad de descarga en la cresta del vertedero

Tipos de vertederos

Se pueden diferenciar tres tipos de vertederos:

  • de cresta delgada

  • de perfi l Ogee/redondeada (presa de rebose)

  • de cresta ancha

Los vertederos de cresta delgada se utilizan preferentemente como vertederos de aforo. Las presas-vertedero de perfil Ogee se suelen utilizar como presas de retención y aliviaderos de crecidas. Y los vertederos de cresta ancha sirven a menudo como umbral y estructura de desbordamiento.

En los canales de ensayo GUNT se tratan estos tres tipos de vertederos.

Estructuras de control: flujo a través de vertederos fijos

Estructura de control simplifi cada: presavertedero de perfil Ogee con cuenco de disipación

1 cresta del vertedero , 2 cuerpo del vertedero, 3 rredondez, 4 cuenco de disipación; ZH nivel máximo de retención, ho altura, E energía específica; roja triángulo básico del vertedero como ayuda para el diseño

Los vertederos fijos se suelen utilizar para embalsar ríos. El vertedero consta en sí de un cuerpo de retención. El momento aplicado de la presión de agua es compensado por el peso del muro de contención. Por esta razón, los vertederos se suelen construir de modo que los contornos externos correspondan aproximadamente a un triángulo. El dorso del vertedero puede diseñarse para favorecer al flujo y así lograr la descarga Q más grande posible. Un perfil de descarga hidráulicamente bueno es el llamado perfil WES, desarrollado por el Ejército de los EE.UU. en la Waterways Experimental Station en Vicksburg, MS, EE.UU. El diseño del perfil WES no asume una descarga de cálculo. Normalmente se transitan descargas menores como descarga de cálculo sobre el vertedero. El vertedero se optimiza, por tanto, para una descarga ligeramente menor. Para descargas, menores o iguales a la “descarga proyectada”, el perfil de descarga permanece estable y se evitan las separaciones del chorro. Con la descarga de cálculo se producen pequeñas depresiones en el perfil del vertedero, pero no suponen ningún peligro para el vertedero.

Estructuras de control: tipos de caída en el vertedero

Existen dos tipos de caída: la llamada caída sobre cresta delgada y la caída hidrodinámica. En ambos tipos de caída, la condición de la caída puede ser libre o de chorro sumergido.

En la caída sobre cresta delgada es importante que la napa se airee para que caiga libremente. Si no hay aireación pueden producirse perturbaciones y, por tanto, una reducción de la descarga.

En la caída hidrodinámica del vertedero fijo es importante evitar separaciones del chorro (descarga reducida) y depresiones demasiado grandes (peligro de cavitación).

Estructuras de control: cálculo de la descarga en el vertedero

El cálculo de la descarga desempeña un importante papel en el flujo sobre estructuras de control. Para calcular la descarga se utiliza la ecuación de Poleni. Para un vertedero con caída libre se aplica:

μ es un factor, que considera la geometría del vertedero (véase la tabla), b es la anchura de cresta del vertedero, ho la altura.

En el chorro sumergido, la ecuación se complementa con un factor de reducción, que se toma de diagramas apropiados.

De la ecuación de Bernoulli podemos observar que la energía específica E se puede calcular a partir de la energía cinética (velocidad de aproximación vu) y la profundidad de descarga hu aguas arriba. En muchos casos, la vu es relativamente pequeña y se desprecia.

En los canales de ensayo GUNT se estudian modelos con flujo normal, es decir, perpendicular a la dirección del flujo. Los vertedero considerados pertenecen todos al grupo de los vertederos fijos.

En la práctica existen también vertederos laterales, que solo se utilizan como aliviaderos. Los vertederos laterales se instalan en paralelo a la dirección del flujo. Los vertederos laterales también son vertederos fijos.

Coefi cientes de descarga μ para vertederos con crestas de formas diferentes

Estructuras de control: presas-vertedero de perfil Ogee

Las presas-vertederos fi jas de perfil Ogee se utilizan preferiblemente como presas de retención y aliviaderos de crecidas. Suelen tener un perfil de vertedero que favorece el flujo, p.ej., con el perfil WES.

Caída hidrodinámica en la presa-vertedero de perfil Ogee, distribución de presión en la cresta del vertedero con descarga diferente

1 napa sobre el vertedero, 2 el perfil del vertedero corresponde aproximadamente al contorno de la napa libre, 3 la napa podría despegarse del cuerpo de presa; Q descarga, QB descarga de cálculo

Estructuras de control: vertederos de cresta delgada

También en el vertedero de cresta delgada hay una caída libre y un chorro sumergido. Para la descarga óptima en el vertedero de cresta delgada es importante airear la napa. En la parte superior e inferior de la napa aireada hay presión ambiente.

Las variables típicas son la altura del vertedero W, la altura ho sobre la cresta del vertedero aguas arriba y la profundidad de descarga hd aguas abajo. Junto con el ancho del vertedero b, se introducen estas variables en la ecuación de Poleni. Algunas variables están contenidas indirectamente en coeficientes o factores de reducción.

Caída libre aireada en vertedero de cresta delgada

1 vertedero, 2 napa, 3 depresión; vu velocidad aguas arriba, v1 velocidad en la napa, hd profundidad de descarga aguas abajo, ho altura, hu profundidad de descarga aguas arriba, W altura del vertedero

Chorro sumergido

1 en el vertedero de cresta delgada parcialmente sumergida,

2 en el vertedero de cresta delgada totalmente sumergido (descarga ondulada)

Estructuras de control: vertederos de cresta ancha

Los vertederos de cresta ancha son estructuras de desbordamiento, que se instalan en aguas corrientes en las que la descarga varía levemente y solo se desea un nivel máximo de retención más bien pequeño. Pueden servir de subestructura para una estructura de control móvil.

Los vertederos de cresta ancha se caracterizan porque una pequeña sección de descarga prácticamente uniforme con profundidad crítica se produce en la cresta del vertedero (véase ilustración). En esta sección se genera una distribución de presión hidrostática y las líneas de corriente se extienden casi horizontalmente. Estas condiciones se aplican siempre que la relación de la altura respecto a la longitud del vertedero ho/L esté entre 0,08 y 0,5. Los vertederos de cresta ancha con estas dimensiones también pueden utilizarse como vertederos de aforo.

Cuando ho/L<0,08, las pérdidas por fricción no pueden ignorarse y el cuerpo del vertedero es demasiado largo para servir de vertedero de aforo. Cuando ho/L>0,5, es decir, con cuerpos del vertedero cortos, las líneas de corriente no se extienden horizontalmente y la distribución de presión no es hidrostática, de modo que no podemos utilizar los métodos de cálculo aquí presentados.

En la actualidad, por motivos ecológicos, se instalan raras veces vertederos de cresta ancha como umbral en un río. En su lugar se monta una rampa para que los peces y otros animales acuáticos puedan nadar río arriba. Los canales de ensayo GUNT permiten el estudio de distintos vertederos de cresta ancha y las descargas correspondientes Q.

Vertedero de cresta ancha

vu velocidad de flujo aguas arriba, hu profundidad de descarga aguas arriba, W altura del vertedero, hc profundidad crítica, L longitud del vertedero;

Las flechas indican las líneas de corriente

Estructuras de control: vertedero de sifón

El vertedero de sifón forma parte de los vertederos fijos. En las ilustraciones se representa el principio hidráulico del sifón, p.ej., cómo se utiliza como aliviadero de crecidas.

Cuando el nivel de agua del embalse aumenta justo por encima de la cresta del vertedero del cuerpo de retención, el sifón se acciona y se produce brevemente una caída libre. Si el nivel de agua aumenta ligeramente, es decir, con un ligero aumento de la descarga, el deflector desvía el chorro de agua hacia la cubierta del sifón. Esto provoca una evacuación en el tubo del sifón, de modo que se produce una descarga de presión en el tubo con flujo total. Esta descarga en presión tiene una alta capacidad de descarga, que apenas aumenta si el nivel de agua sigue aumentado.

Si el nivel de agua del embalse vuelve a bajar, quedando por debajo del borde del labio de entrada, se aspira aire en el sifón y se airea el sifón. Esto detiene bruscamente el flujo de agua.

A través de una instalación adicional para la aireación, la descarga puede detenerse en cualquier momento.

Los vertederos de sifón GUNT tienen una aireación para poder comparar la función o la capacidad de descarga del vertedero de sifón con y sin aireación. Los vertederos de sifón solo se pueden ajustar de forma limitada y no pueden sobrecargarse. Antes solían instalarse como aliviaderos en presas debido a su gran capacidad de descarga específica.

Principio del vertedero de sifón

1 aireación controlable, 2 cuerpo del vertedero, 3 defl ector, 4 tubo del sifón, 5 cubierta del sifón; ZS nivel máximo de retención, ZH nivel máximo de retención mayor

Estructuras de control: flujo bajo compuertas

Descarga bajo una compuerta plana deslizante

1 descarga libre, 2 descarga sumergida; hu profundidad de descarga aguas arriba, a abertura de compuerta, hd profundidad de descarga aguas abajo, h1 profundidad de descarga contraída, L posición de la profundidad de descarga contraída, E energía específica, ΔE pérdida de energía específica

Al igual que con los vertederos de desbordamiento, en las compuertas también hay descargas libres y sumergidas. La descarga produce la contracción del chorro, que se denomina “vena contracta” (profundidad de descarga mínima h1). La descarga libre prevalece siempre que la descarga fluya bajo la compuerta sin perturbaciones y no se produzcan remansos desde aguas abajo de la compuerta. En la descarga libre hay una descarga supercrítica directamente después de la compuerta.

Al igual que con el flujo sobre vertederos, la descarga libre Q se calcula a partir de la ecuación de Bernoulli, el principio del momento lineal y la ecuación de continuidad, obteniendo

con μ=coeficiente de descarga, b=anchura de la compuerta, a=abertura de la compuerta.

Las compuertas son estructuras de control móviles, es decir, la abertura de la compuerta a y, por tanto, la descarga Q se modifica y se adapta a las necesidades reales. En la práctica hay, por tanto, campos característicos que muestran la descarga Q (las profundidades de descarga aguas arriba y aguas abajo hu y hd y la abertura de la compuerta a vienen dadas).

Una compuerta muy utilizada en la práctica es la compuerta de segmento circular para el control de la descarga. La compuerta de segmento se instala a menudo sobre la cresta del vertedero de una estructura de control. El flujo no solo pasa por debajo de la compuerta de segmento, sino que también puede pasar por encima, si la compuerta de segmento está montada dentro de un canal (vertedero radial). Los canales de ensayo GUNT permiten el montaje y el estudio de una compuerta plana deslizante plana y una compuerta de segmento.

Descarga bajo compuerta de segmento

hu profundidad de descarga aguas arriba, a abertura de compuerta, hd profundidad de descarga aguas abajo