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OBRAS ESPECIALES PARA OBRAS ESPECIALES PARA DISIPACION DE ENERGIA EN DISIPACION DE ENERGIA EN

CAMBIOS BRUSCOS DE NIVEL EN CAMBIOS BRUSCOS DE NIVEL EN SISTEMAS DE ALCANTARILLADOSISTEMAS DE ALCANTARILLADO

Marco Castro D., Prof. Dr.-Ing. CivilXimena Hidalgo B., M. Sc., Ing. Civil

Rafael Poveda F., Ing. CivilDEPARTAMENTO DE CIENCIAS DEL AGUA

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

Quito - Ecuador

SISTEMAS DE ALCANTARILLADO

• Una de las características físicas más frecuentes de sistemas de alcantarillado en ciudades con topografía accidentada son las pendientes superiores al 10%. Para mantener velocidades admisibles de flujo en los colectores se requiere que las pendientes longitudinales de éstos sean menores que las pendientes del terreno.

• En consecuencia, se deben ubicar estructuras de caída, en donde debe disiparse la energía potencial debida al desnivel.

Alternativas de la solución técnica para

salvar un desnivel

Para salvar el desnivel entre los colectores A y B existen tres alternativas:

• pozo de caída libre, • canal o túnel de fuerte

pendiente con sección parcialmente llena; y

• estructuras de disipación especiales: descargador a vórtice o pozo de bandejas.

Q

B

A

H∆

Q

Estructuras especiales: Descargador a vórtice

Las estructuras especiales deben garantizar la soluciónal problema planteado, cumpliendo con la descarga del caudal de diseño y la disipación de energía entre el nivel superior de entrada y el inferior de salida

Tipo 1: Uniòn tangencial de dos colectores al mismo nivel

Q

Q

Q

Q

Q

QQ

Q

Q

Q Q

Tipo 2: Uniòn de dos colectores paralelos a diferente altura

Tipo 3: Uniòn de dos colectores desde diferente nivel

Tipo 4: Uniòn de dos colectores con direcciones opuestas

Estructuras especiales

Requerimientos de la obra:(a) conducción apropiada: flujo con material sólido – amplia gama de caudales de operación (seco – alta carga de material sólido):

Ø no generar embalsamiento en el flujo de aproximaciónØ poca perturbación aguas abajo de la unión de caudales y en el flujo

de entrega al colector inferiorØ ninguna sedimentación de material o lodo en el interior de la estructuraØ no generar obstrucción del flujo Ø abrasión mínimaØ poco ruido durante la operaciónØ ningún olor o mal aspecto del interior de la estructuraØ circulación permanente y adecuada del aire en el interiorØ flujo continuo, tranquilo y homogéneo hacia aguas abajoØ ningún daño catastrófico por sobrecarga temporal o imprevista

Estructuras especiales

Requerimientos de la obra:

(b) facilidad constructiva(c) facilidad para las operaciones de mantenimiento y de

reparación(d) económicamente rentable y justificable, incluyendo los

costos de operación y de mantenimiento

El drenaje de centros urbanos requiere por lo tanto, el conocimiento y manejo de criterios de diseño de estructuras especiales de disipación de energía, cuyo uso es cada vez más frecuente en zonas serranas o pedemontanas.

Disipadores a vórticeØ El flujo de aproximación se

convierte en un flujo rotacional por medio de la cámara de entrada.

Ø El flujo de caída en el conducto vertical es de tipo helicoidal, que desciende apegado a la pared interna

Ø Se forma un núcleo central de aire, cuya presencia es muy importante para garantizar la estabilidad del movimiento.

Ø La energía es continuamente disipada por efecto del cambio de dirección inicial y por la fricción en las paredes curvas internas.

Ø Luego del descenso, una porción pequeña de la energía cinética inicial (aprox. 15%) permanece para ser disipada al pie del pozo vertical en la cámara de disipación.

Disipadores a vórtice: Aproximación subcrítica

CAMARA DE

Q

ENTRADACANAL DE APROXIMACION

PLANTA

Q

VISTA LATERAL

PAREDDIRECTRIZ

∆h

d

R

R

RS ∆R

B

Disipadores a vórtice: Aproximación subcrítica

Disipadores a vórtice: Aproximaciónsupercrítica

Q

VISTA LATERAL

Q

PLANTA

CAMARA DEENTRADA

CANAL DE APROXIMACION

HMAXS

R

d

B

R

R

APLICACIÓN DEL DESCARGADOR A VORTICE – flujo de aproximación

subcríticoØ ∆H = 13 mØ Ancho del canal de

aproximación b = 4.3 m, Altura h = 5 m,

Ø Pendiente del canal de aproximación I0 = 0.005,

Ø Qd= 60 m3/s Fr < 1Ø Cámara de entrada, forma

de caracol; I0 = 0.004, h = 6 m.

Ø Pozo vertical, φ = 4.5 m, longitud 8 m.

Ø Cámara disipadora: b = 5.8 m, h = 6 m, I0 = 0.04, L = 18m.

Ø Colector de salida: L= 314 m, Dh = 4.03 m, I0 = 0.04.

.


subcrítico

Condiciones para el análisis experimental

• Fuerzas predominantes en el fenómeno: gravedad y viscosidad

• Criterio de similitud: Froude λNATURALEZA = λMODELO

• Escala seleccionada: 1:18

APLICACIÓN DEL DESCARGADOR A VORTICE – flujo de aproximación subcrítico

Resultados del análisis experimental

• Hasta un 86 % de disipación de energía (Q máximos)

• El flujo permanece adherido a la pared interior del pozo en toda su longitud para la gama de caudales de operación


subcrítico

Resultados del análisis experimental

• La presión en las paredes del pozo vertical es prácticamente nula

• Se requiere de un ductoadicional de ventilación para extraer el aire introducido por los caudales máximos en la cámara al pie

• Flujo estable a la salida de la cámara, siempre que se controle el flujo con un diseño geométrico apropiado del colector de salida y de la pared de aguas abajo de la cámara


subcrítico

Características hidráulicas favorables

Ø flujo estable en el movimiento helicoidalØ ausencia de presiones negativas en el pozo verticalØ flujo silenciosoØ excelente aireación en el núcleoØ disminución y/o eliminación de olores desagradablesØ energía remanente mínima al pieØ flujo controlado y regulado en la salida, al pie del

desnivelØ posibilidad de control de la eficiencia en las crecidas


subcríticoRecomendaciones

• Ductos de ventilación y

• Obras complementarias internas que permiten la separación del aire y su expulsión desde la masa de agua.

CORTE A-A

VARIANTE

PLANTA

Q

A

3

CORTE A-A

VARIANTE

A

PLANTA

Q

A A A A

CORTE A-A

VARIANTE

PLANTA

Q

1Q

Q

2Q

Estructuras especiales: Disipador en bandejas

Hipótesis:

ØEl impacto del flujo de entrada en la pared vertical reduciría la energía (velocidad y presión) ØLa presencia del dintel direcciona la corriente con baja presión hacia las plataformas inferiores. ØEl movimiento del agua al bajar por la cascada se caracterizaría por un escurrimiento con superficie libre entre plataformasØSe formarían zonas de vórtice con aireación del flujo.

Disipador en bandejas

• No se dispone de información sobre las variaciones requeridas en la geometría del pozo según sea el flujo de aproximación subcrítico o supercrítico.

• La presencia de la pantalla de impacto induce a restringir el uso del disipador en función del valor del número de Froude del flujo de aproximación.

• Toda la información técnica disponible sobre el uso de las pantallas de impacto como disipadores de energía, se refieren al caso en que existe control desde aguas abajo.

• En el disipador de bandejas, la pantalla funciona como estructura de desvío de la dirección principal de flujo y pierde importancia como elemento complementario en el proceso de disipación.


• Para los caudales mínimos, (5 % Qd), se observa que el flujo de caída no topa la pantalla vertical de impacto ni la primera bandeja horizontal.

• El flujo es de caída libre, cuya energía deberá ser disipada en la tercera bandeja, sin la presencia de colchón de agua que amortigüe el impacto del chorro.


• Para los caudales medios, (30 % Qd ;,TR = 5-10 a), se observa que el flujo choca contra la pantalla vertical en el tercio inferior y por lo tanto su eficiencia por impacto es muy baja.

• El flujo se desvía totalmente en el sentido vertical, se forma una pantalla líquida que impacta en la bandeja horizontal.


• Esta pantalla reduce la apertura disponible para que el agua fluya sobre la bandeja horizontal.

• El flujo se torna bifásico por la gran introducción de aire que descarga con fluctuaciones.

• El flujo de descenso entrebandejas no es aceptable, pues los chorros impactan aleatoriamentesobre las paredes de la estructura cambiando de dirección sin generarpérdidas de energía significativas


• La falta de uniformidad del flujo, la gran cantidad de aire introducido y las fluctuaciones generadas conducen a que el flujo de la emulsión origine el riesgo de cavitación localizada, altamente agresiva para las estructuras de hormigón.

• El funcionamiento hidráulico de la estructura no es adecuado y se agravaría con el incremento de caudal.


Observaciones sobre el funcionamiento de la obra en modelos

• Para el rango de caudales ensayados, las hipótesis sugeridas para recomendar el uso de la estructura no se cumplen.

• Se recomienda, la revisión de las hipótesis de dimensionamiento hidráulico del disipador de bandejas, los criterios de diseño hidráulico y el uso de la estructura en sistemas de alcantarillado.

• No existe a la fecha, una justificación teórica ni una validación experimental que permita su cita en el Plan Maestro de Alcantarillado para el Distrito Metropolitano de Quito.


RECOMENDACIONES

Identificación experimental de:

• Características hidráulicas del funcionamiento de la obra relacionadas con las condiciones del flujo de aproximación (sub- o supercrítico), para una gama amplia de caudales de operación

• Ubicación adecuada de las pantallas• Evaluación cualitativa del riesgo de vibraciones o de

presencia de caudal fluctuante• Determinar el tipo del flujo de caída desde la primera

plataforma hacia las pantallas inferiores, examinando si la ventilación es suficiente, tal que no se produzcan obturaciones o perturbaciones al flujo continuo.

RECOMENDACIONES

Identificación experimental de:

• Características hidráulicas del funcionamiento de la obra relacionadas con las condiciones del flujo de aproximación (sub- o supercrítico), para una gama amplia de caudales de operación

• Ubicación adecuada de las pantallas• Evaluación cualitativa del riesgo de vibraciones o de

presencia de caudal fluctuante• Determinar el tipo del flujo de caída desde la primera

plataforma hacia las pantallas inferiores, examinando si la ventilación es suficiente, tal que no se produzcan obturaciones o perturbaciones al flujo continuo.


• Determinar el riesgo de cavitación local en varios sitios de la obra y su afectación sobre el hormigón

• Determinar la profundidad mínima o máxima del pozo para garantizar su adecuado funcionamiento.

• Requerimiento de ventilación en toda la profundidad del pozo (instalación de ductos)

• Características del flujo de salida

• Determinar el riesgo de cavitación local en varios sitios de la obra y su afectación sobre el hormigón

• Determinar la profundidad mínima o máxima del pozo para garantizar su adecuado funcionamiento.

• Requerimiento de ventilación en toda la profundidad del pozo (instalación de ductos)

• Características del flujo de salida

CONCLUSIONES• Una de las estructuras de disipación que ofrece

ventajas desde el punto de vista hidrodinámicoes la denominada “descargador a vórtice”.

• Sobre la base de experiencias en el laboratorio se ha demostrado su versatilidad para la solución del problema de cambios de nivel en un espacio reducido con excelente eficiencia en la disipación, sin riesgo de cavitación, ni vibraciones de la estructura.

• Atendiendo al amplio uso que en los últimos años se ha dado a la estructura denominada “pozo de bandejas”, por su sencillez en la concepción y en la implantación, por su geometría simple y por la facilidad en la construcción, se reportan los resultados del estudio experimental básico en modelo, con resultados no muy alentadores en lo que se refiere a su eficiencia hidráulica.

• A la fecha se continua con la investigación en modelo hidráulico; sin embargo, debe prevenirse sobre el uso generalizado de esta obra.

CONCLUSIONES

• La descripción hecha en la base teórica sobre el fenómeno de flujo de caída en el pozo de bandejas no representa lo observado en los modelos.

• Finalmente, se quiere resaltar que el uso de la modelación física para obtener criterios de diseño hidráulico es vigente.

• Mientras los requerimientos físicos para obtener una aceptable eficiencia en una estructura hidráulica se hacen cada vez más exigentes, es asimismo cada vez más importante el análisis del funcionamiento de la estructura con la ayuda de su modelo hidráulico.

• La necesidad de la modelación responde a la dificultad de comprender y sistematizar todas las características hidrodinámicas de una estructura y del flujo de agua correspondiente.

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