Manual de estructuras de vertimiento, Grupo de Trabajo Académico

ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUAS EN
LADERAS DE MEDIA A FUERTE PENDIENTE
CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) Y
CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC)
TAPA SOBRE ESCALÓN
a
1.5a
TAPA SOBRE RÁPIDA
2a
DEFLECTOR
.35a
a
1.5a
.28a
a
a
45º
a
TAPA SOBRE ESCALÓN
5a
FERNANDO MEJÍA FERNÁNDEZ,
1.5a
TAPA SOBRE RÁPIDA
2a
1.5a
.35a
.28a
a
a
a
DEFLECTOR
I. Civil, M. Sc. en Recursos Hidráulicos
Profesor Asociado,
a
a
a
Departamento de Ingeniería Civil
.28a
CALÓN
1.5a
DETALLE COLUMPIO
PERFIL, ESC. 1:5
PE RF IL
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
SEDE MANIZALES
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
1
EQUIPO INVESTIGADOR (1977-2003)
Jorge Ramírez Giraldo, Ingeniero Civil, Profesor Investigador Universidad
Nacional de Colombia Sede Manizales y Consultor privado (fallecido). Maestro y
líder. Diseñador del Canal de Pantallas Deflectoras.
Fernando Mejía Fernández, Ingeniero Civil, Magíster en Recursos Hidráulicos,
Profesor Investigador Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales.
Diseñador del Canal de Rápidas con Tapa y Columpio.
Jorge Hernán Estrada Estrada, Ingeniero Electrónico, Profesor Investigador
Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales.
Eduardo Andrés Brand Ruiz, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniero
Civil.
Robinsón Ramírez Hernández, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniero
Civil.
Jackelline González Blandón, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniera
Civil.
Claudia M. González Blandón, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniera
Civil.
Merlyn J. Riascos Delgado, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniera Civil.
Ana María Lucero Carvajal, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniera Civil.
Liliana Romo Melo, Estudiante Auxiliar de Investigación, Ingeniera Electrónica.
2
TABLA DE CONTENIDO
1.
PRESENTACIÓN............................................................................................. 8
2.
JUSTIFICACIÓN............................................................................................ 10
3.
ANTECEDENTES .......................................................................................... 12
4.
LA EROSIÓN................................................................................................. 17
4.1
INTRODUCCIÓN........................................................................................ 17
4.2
DEFINICIONES .......................................................................................... 17
4.3
CONTROL DE LA EROSIÓN HÍDRICA ...................................................... 19
5.
ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUAS ......................................... 21
5.1
RÁPIDAS LISAS ......................................................................................... 21
5.2
RÁPIDAS ESCALONADAS ........................................................................ 23
5.3
COMBINACIÓN DE RÁPIDAS LISAS Y ESCALONADAS .......................... 25
5.3.1
Canal de Pantallas Deflectoras (CPD). .............................................. 26
5.3.2
Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC) ............................... 28
6.
NORMAS DE DISEÑO DEL CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS
(CPD) Y DEL CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC)............ 33
6.1
DISEÑO DE UN CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD)............ 33
6.1.1
Alternativa 1: Diseño original del CPD................................................. 33
6.1.2
Alternativa 2: Diseño optimizado del CPD........................................... 37
6.2
DISEÑO DE UN CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC) 39
6.3
DISEÑO DE UN CPD QUE ENTREGA A UN CRTC. .................................. 43
6.4
DISEÑO DE UN CRTC QUE ENTREGA A UN CPD. .................................. 44
7.
CONCLUSIONES .......................................................................................... 47
8.
ALGUNAS RECOMENDACIONES ............................................................... 49
8.1
DE DISEÑO: ............................................................................................... 49
8.2
DE CONSTRUCCIÓN:................................................................................ 50
3
9.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................. 51
APÉNDICE I ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO COMO OBRAS DE DESCOLE.
DERIVACIÓN HACIA HUMEDALES..................................................................... 53
APÉNDICE II REBOSADEROS DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO
(R.R.T.C.) .............................................................................................................. 78
4
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1. Rápida escalonada con vertedero y pantalla......................................... 25
Figura 2. Canal de pantallas deflectoras. Diseño geométrico original. ................. 26
Figura 3. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio. Diseño geométrico. .............. 30
Figura 4. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio. Detalle del Escalón (Columpio).
.............................................................................................................................. 31
Figura 5. Refuerzo estructural sugerido para el CPD original............................... 35
Figura 6. Canal de pantallas deflectoras, diseño optimizado. Diseño geométrico y
refuerzo estructural sugerido................................................................................. 38
Figura 7. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio. Diseño geométrico y refuerzo
estructural sugerido. .............................................................................................. 41
Figura 8. Transición entre un CRTC y un CPD. Diseño geométrico y refuerzo
estructural sugerido. .............................................................................................. 45
5
LISTADO DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía 1. Manizales – Caldas, Colombia. Avalancha ocasionada por
deslizamientos de laderas producto de un fuerte aguacero. 15 de Noviembre de
2008. ..................................................................................................................... 11
Fotografía 2. Modelo hidráulico del Canal de Rápidas con Tapa y Columpio
(CRTC). (Fase 3)................................................................................................... 15
Fotografía 3. Modelo hidráulico del Canal de Pantallas Deflectoras (CPD) y de la
transición con el Canal de Rápida con Tapa y Columpio (CRTC). (Fase 5). ........ 16
Fotografía 4. Cárcava El Pañuelo. Ibagué – Tolima, Colombia............................ 18
Fotografía 5. Disipadores de energía naturales en un río. ................................... 20
Fotografía 6. Disipadores de energía artificiales. Diques escalonados construidos
en Villa Luz. Manizales - Caldas, Colombia. ......................................................... 20
Fotografía 7. Canal de rápidas lisas..................................................................... 22
Fotografía 8. Canal de rápidas escalonadas........................................................ 24
Fotografía 9. Canal de Pantallas Deflectoras....................................................... 27
Fotografía 10. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC). ........................ 32
Fotografía 11. Combinación de CRTC y CPD...................................................... 32
Fotografía 12. Funcionamiento del CPD con la transición, sin las dos primeras
pantallas y sin la Tapa CPD. ................................................................................. 46
Fotografía 13. Canal de Pantallas Deflectoras con la transición, optimizado (sin
las dos primeras pantallas y con la Tapa CPD)..................................................... 46
Fotografía 14. Canal de Rápidas con Tapa (CRT)............................................... 49
Fotografía 15. Detalle de la ranura transversal en el centro del labio del deflector a
la salida del columpio del CRTC. .......................................................................... 50
6
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Velocidades máximas permisibles en rápidas lisas. ............................... 23
7
1. PRESENTACIÓN
Este libro ofrece al lector un elemento básico de gran utilidad para el diseño de
dos estructuras de vertimiento de aguas de escorrentía en laderas de media a
fuerte pendiente (asociadas frecuentemente con obras de estabilidad de laderas y
control de erosión), el CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (identificado
comúnmente con las iníciales CPD) y el CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y
COLUMPIO (identificado comúnmente con las iníciales CRTC), complementarios
entre sí y fruto de investigaciones realizadas en la Universidad Nacional de
Colombia Sede Manizales desde fines de la década de los 70 del siglo pasado, en
distintos períodos, con el apoyo en varias de ellas de la Corporación Regional
Autónoma para la defensa de Manizales, Salamina y Aranzazu, CRAMSA,
inicialmente, y la Corporación Autónoma Regional de Caldas, CORPOCALDAS,
posteriormente. Debe recordarse que la segunda sustituyó a la primera después
de promulgada la Constitución del 91.
Además de mostrar las estructuras tradicionales que se han construido a través
de los años, se incorporan nuevos elementos al diseño, producto de estudios
realizados más recientemente (2001 – 2003) mediante la modelación hidráulica y
el análisis de las patologías encontradas en las estructuras existentes.
Si bien los primeros esfuerzos por diseñar estas estructuras fueron realizados por
profesores de manera casi individual, en el curso de las investigaciones más
recientes llevadas a cabo en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad
Nacional de Colombia Sede Manizales se contó con un equipo humano más
amplio en el que participaron profesores, ingenieros altamente calificados (civiles,
electrónicos) y estudiantes en calidad de auxiliares de investigación.
8
Es, pues, nuestro objetivo primordial dejar al alcance de todos (especialmente
ingenieros diseñadores, consultores, constructores, profesores y estudiantes
universitarios) una herramienta propicia para el uso de este tipo de estructuras,
con diseños que optimizan su capacidad hidráulica, facilitan sus procesos
constructivos y aumentan su vida útil.
Por último, con este libro se quiere rendir un sentido homenaje al profesor e
insigne Ingeniero Jorge Ramírez Giraldo, como maestro y pionero en estos
diseños en la región.
9
2. JUSTIFICACIÓN
La región del centro occidente colombiano, enclavada en la zona andina, se
caracteriza por el predominio de un paisaje montañoso, de abrupta topografía y
laderas muy empinadas, desde las cuales escurre el agua proveniente de
generosas pero frecuentemente tormentosas lluvias.
Si bien esto garantiza abundantes fuentes de agua, la actividad antrópica, como la
construcción de ciudades coronando las montañas, la construcción de vías de
media ladera, la deforestación, las malas prácticas de siembra, el inadecuado
manejo de aguas superficiales y de infiltración, la falta de control de los torrentes,
entre otras, afecta el ciclo del agua y desencadena procesos erosivos que, si no
se enfrentan adecuadamente, generan otros como deslizamientos, avalanchas,
daños en infraestructuras, sedimentos en los sistemas de drenaje, pérdidas
económicas y, lo que es más grave, pérdida de vidas.
La historia de esta región registra muchos eventos trágicos relacionados con lo
anterior (Manizales puede dar fe de esto, como se muestra en la Fotografía 1),
altamente perjudiciales para las comunidades más vulnerables y que han obligado
a las autoridades municipales, departamentales y regionales a tomar medidas de
emergencia con gran impacto negativo en lo social, lo económico y lo institucional.
10
Fotografía 1. Manizales – Caldas, Colombia. Avalancha ocasionada por
deslizamientos de laderas producto de un fuerte aguacero. 15 de Noviembre
de 2008.
Todo lo anterior amerita el diseño y construcción de obras hidráulicas adecuadas,
tales como estructuras de vertimiento que recojan, conduzcan y manejen el
agua que escurre por las laderas de nuestras montañas, disipando su energía y
previniendo la erosión.
Tal diseño se realiza comúnmente a partir de investigaciones y estudios sobre
modelos físicos hidráulicos, algunos de cuyos resultados constituyen la base de
este libro.
11
3. ANTECEDENTES
Haciendo una breve reseña de estas investigaciones se tiene:
ƒ
En el año de 1978, el Ingeniero Jorge Ramírez Giraldo (fallecido), con plena
conciencia de la urgente necesidad de disponer de las estructuras de
vertimiento
mencionadas
atrás,
diseñó
el
denominado
CANAL
DE
PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) a partir de estudios sobre modelos
físicos hidráulicos hechos en Manizales en un “Laboratorio de hidráulica”
improvisado en las instalaciones de la Industria Licorera de Caldas. Tales
condiciones no permitieron que estos estudios se hicieran sobre modelos
diseñados a escalas deseadas (es decir, poco reducidas, que atenuaran los
efectos de escala y condujeran a resultados más confiables), pero sí sobre
modelos hechos en madera y operados para distintos caudales y distintas
pendientes, hasta establecer -a partir de las conocidas en la mecánica de los
fluidos como las leyes de similitud de Froude, que rigen el comportamiento de
flujos a superficie libre y en los cuales priman las fuerzas de gravedad- la
geometría del canal y sus dimensiones en función del caudal de diseño del
mismo, así como las relaciones entre esas dimensiones y las velocidades que
se desarrollan en el canal para pendientes variables entre el 10% y el 50%. Se
obtuvo finalmente así el denominado en el numeral 6.1.1 de este libro Diseño
original del CPD.
Los resultados de su investigación se conocieron inicialmente en la revista de
Vías, Transporte y Geotecnia, Boletín de Vías, No. 37, de enero – marzo de
1978, publicación de amplia trayectoria de la Universidad Nacional de
Colombia Sede Manizales.
Constituye ésta, con fines secuenciales, la fase 1 de todo el proceso.
12
ƒ
En 1980, la fase 2 correspondió al diseño -por la vía de otra investigación en
modelos físicos hidráulicos realizada en Bogotá en el Laboratorio de Hidráulica
de la Universidad Nacional de Colombia- del denominado CANAL DE
RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC), obtenido por el autor de este
libro como una alternativa para el diseño de estructuras de vertimiento de
aguas en laderas de pendientes medias a fuertes, mayores del 50%, como
complemento del CPD, el cual -como ya se dijo- maneja pendientes entre el
10% y el 50%.
Aunque esta fase se realizó igualmente en condiciones de laboratorio que no
permitieron el uso de modelos a escalas deseadas, consistió, al igual que la
anterior, en el estudio de una estructura de vertimiento adecuada para
pendientes mayores al 50%, sobre modelos hechos en madera aserrada y
prensada (unos) y en láminas de acrílico cristal (otros), operados también
para distintos caudales y distintas pendientes, hasta establecer -a partir de
las leyes de similitud de Froude- la geometría del canal y sus dimensiones en
función del caudal de diseño del mismo, así como las relaciones entre esas
dimensiones y las velocidades que se desarrollan en el canal y en sus rápidas
entre columpios, para pendientes variables finalmente establecidas en esta
investigación entre el 50% y el 173%.
Los resultados se publicaron de igual forma y de manera inicial en el Boletín
de Vías No. 47 de enero – diciembre de 1981.
ƒ
La fase 3 (que junto a la fase 4 se encargó de la optimización del diseño del
CRTC), fue llevada a cabo entre 2001 y 2002 con la participación de los
estudiantes Ingenieros Civiles Eduardo Brand Ruiz y Robinsón Ramírez
Hernández, quienes trabajaron en el diseño y construcción de tres (3) nuevos
modelos hidráulicos del Canal de Rápidas con Tapa y Columpio, en mejores
condiciones de laboratorio frente a las que se tuvieron en las fases 1 y 2,
13
pues fueron construidos en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad
Nacional de Colombia sede Manizales –del cual se vino a disponer apenas en
la década de los noventa del siglo pasado- sobre una infraestructura
(conducción, válvulas, tanque de alimentación, espacio para el desarrollo de
los modelos y sistema de desagüe y aforos) que permitía el ensamble en un
banco de ensayos de modelos de desarrollo vertical cercano a 10 metros y el
uso de caudales mayores a 50 l/s en ese banco, lo que se reflejó en modelos
con escalas casi el triple de las usadas en las fases anteriores. En esta
oportunidad, los modelos se construyeron en láminas de acrílico cristal y con
el propósito de simular tres (3) distintas distancias entre columpios para el
estudio de la influencia de esa variable en el comportamiento del canal.
Además, los modelos se construyeron de manera que permitieran el estudio
de otras variables (que en la fase 2 se habían dejado como constantes) como
la distancia -del fondo y las paredes del columpio- a las tapas que hacen parte
del diseño del mismo. Así, su tuvieron listas las condiciones para adelantar la
siguiente fase.
ƒ
Las estudiantes Ingenieras Civiles Jackelline González Blandón y Claudia
Marcela González Blandón participaron a su vez en la siguiente fase de este
estudio, la fase 4 (2002), correspondiente a la operación y análisis de
resultados de los tres (3) nuevos modelos del CRTC construidos en la fase 3,
de donde surgieron las conclusiones definitivas sobre el diseño óptimo de
esta estructura, mostrado en el numeral 6.2 de este libro, y que reemplazó
definitivamente el diseño obtenido en la fase 2.
Las principales conclusiones del estudio en esta fase tuvieron que ver con
una más confiable relación entre la geometría del canal y el caudal de diseño
(por las obvias razones de haber trabajado en un modelo de mucho mejor
escala) y la demostración de la muy poca injerencia que tiene la distancia
entre columpios (hasta 10 veces el ancho del canal) y la separación de las
14
tapas del columpio del fondo de éste (por lo cual se escogió la menor, que es
la misma que se tenía desde el diseño de la fase 2) en el comportamiento
hidráulico adecuado del canal. (Ver Fotografía 2).
Fotografía 2. Modelo hidráulico del Canal de Rápidas con Tapa y Columpio
(CRTC). (Fase 3).
ƒ
Una última etapa en este proceso fue el diseño de la transición entre el Canal
de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC) y el Canal de Pantallas Deflectoras
(CPD) y la optimización de éste último, la cual se denominó fase 5 (2003), con
la participación de las estudiantes Ingenieras Civiles Merlyn J. Riascos
Delgado y Ana María Lucero Carvajal.
En efecto, en esta fase del estudio se tuvo la oportunidad de diseñar sobre
modelos físicos hidráulicos, acoplados a los utilizados en las fases 3 y 4, la
transición entre el CRTC y el CPD para la condición en la cual el primero
entrega en el segundo, la cual requería de una solución hidráulica que
disipara energía en la entrega del último columpio del CRTC hacia el CPD y
15
garantizara un comportamiento hidráulico en la entrada al CPD sin
sobresaltos, ni salpicaduras, ni velocidades excesivas. Como necesidad de
esta solución, se tuvo la de unificar el ancho de los dos canales para un
mismo caudal y evitar así transiciones indeseadas que afectan principalmente
el proceso constructivo. (Ver fotografía 3). En consecuencia, se obtuvo un
nuevo diseño del CPD a partir del diseño original, denominado en el numeral
6.1.2. Diseño optimizado del CPD.
Fotografía 3. Modelo hidráulico del Canal de Pantallas Deflectoras (CPD) y de
la transición con el Canal de Rápida con Tapa y Columpio (CRTC). (Fase 5).
Se destacan de este recuento histórico las diferentes condiciones de laboratorio
para las distintas fases (lo que influyó en los espacios de tiempo que se tuvieron
entre las dos primeras y las tres últimas) y el desenvolvimiento de las mismas al
calor de trabajos académicos y de procesos de enseñanza aprendizaje entre
profesores y estudiantes de la Universidad Nacional de Colombia.
16
4. LA EROSIÓN
4.1
INTRODUCCIÓN
Si bien el tema de la erosión que se genera sobre el suelo por la acción de
diversos agentes, como el agua, el viento, el hombre y otros, amerita extensas
disertaciones sobre esas causas, sus tipos, sus características particulares, su
control, etc., se limitará este libro a precisar de manera muy sucinta aquellos
aspectos que tienen que ver con la erosión hídrica y su relación con obras de
manejo de aguas de escorrentía, por la razón fundamental de tratarse de un
manual de diseño, más que de un tratado sobre lo conceptual de la erosión y sus
métodos de tratamiento. Para ello, el autor de este libro prefiere remitir al lector a
importantes y muy bien logrados textos sobre la materia, como los escritos por los
profesores Juan Montero Olarte, Jaime Suárez Díaz, Carlos Enrique Escobar
Potes y otros, ellos sí expertos en ese tema. (Ver Bibliografía).
4.2
DEFINICIONES
Se define aquí la erosión como el “conjunto de procesos físicos de desalojo,
transporte y depósito de materiales, ejercidos por diversos agentes: agua, viento y
organismos vivos (el hombre y los animales) sobre la superficie terrestre, con un
grado de intensidad variable” 1 , y con la fuerza de la gravedad terrestre como
aliada.
Los factores que más inciden en la erosión son el régimen de lluvias, la cobertura
vegetal, el tipo del suelo y la pendiente del terreno. Entre éstos se destacan la
pendiente del terreno y el régimen de lluvias, ya que por estar localizados en el
trópico, y más específicamente en la zona andina, se está sujeto a condiciones
1
MONTERO OLARTE, Juan. La erosión. En: CORPOCALDAS e INVIAS. Manual para el control de la
erosión. Manizales – Colombia; EDITAR S.A., 1998. p. 1.
17
climáticas donde imperan abundantes y frecuentes lluvias de alta intensidad, lo
que genera erosión hídrica, entendida como la producida por el agua lluvia a
través del impacto de las gotas sobre la superficie del terreno y de los cambios en
los regímenes de humedad, generando desprendimiento y arrastre de partículas y
masas de suelo.
La erosión hídrica se subdivide en erosión pluvial y fluvial, respectivamente.
La erosión pluvial es provocada por el impacto de las gotas de lluvia y por la
corriente
que
se
forma
sobre
la
superficie
(escorrentía),
generando
desprendimiento del suelo. La fuerza de caída de las gotas de lluvia, su tamaño y
la calidad y cantidad de vegetación existente en la zona, son factores
determinantes de este tipo de erosión y se manifiestan gradualmente así: erosión
por salpicadura, erosión laminar, erosión en surco y erosión en cárcavas. (Ver
Fotografía 4).
Fotografía 4. Cárcava El Pañuelo. Ibagué – Tolima, Colombia.
Fuente: Carlos Enrique Escobar Potes.
18
La erosión fluvial es provocada por el arrastre de partículas de suelo y rocas,
durante el escurrimiento del agua a través de cauces naturales de distinto tamaño,
por lo que se presentan procesos como socavación lateral y de fondo y cambios
en la sinuosidad del cauce.
Por lo anterior, se puede decir que el agua es uno de las principales agentes de la
erosión y el vehículo principal de transporte del material erodado, lo que amerita
el diseño y construcción de obras hidráulicas adecuadas que recojan, conduzcan y
manejen el agua disipando su energía y previniendo la erosión.
4.3
CONTROL DE LA EROSIÓN HÍDRICA
En este documento, el control de la erosión hídrica tiene que ver con la necesidad
planteada a partir de lo expuesto en el numeral anterior de diseñar y construir
obras de ingeniería y bioingeniería con criterios de sostenibilidad ambiental que
recojan, conduzcan y depositen de manera controlada (generalmente en un cauce
natural debajo de las laderas) el agua que escurre por las laderas de las montañas
andinas, y que protejan a su vez otras obras de infraestructura ya construidas
(edificaciones, vías, líneas vitales), ordenen cauces fluviales y mantengan las
condiciones de vida silvestre en pequeñas áreas.
Las obras de las cuales trata este documento, y que permiten controlar la erosión
hídrica en laderas de media a fuerte pendiente, se basan en la disminución de la
energía del agua y los sedimentos transportados por ella (suelo y roca
generalmente) mediante el uso de estructuras de disipación o disipadores de
energía, las cuales se ubican en forma normal a la dirección del flujo y se
complementan con estructuras de captación, vegetación y manejo de aguas de
escorrentía sobre las laderas. Estas estructuras colectan y entregan el agua a los
cauces de manera disipada.
19
Los disipadores de energía son elementos cuyo objetivo es transformar la
energía cinética o parte de ella en calor. Estos elementos son empleados para
generar fricción entre el agua y la superficie del canal, saltos hidráulicos e
impactos o golpes del agua contra el fondo del canal, permitiendo así disminuir al
máximo la socavación del cauce receptor aguas abajo o el daño de la estructura
misma. (Ver Fotografías 5 y 6).
Fotografía 5. Disipadores de energía naturales en un río.
Fotografía 6. Disipadores de energía artificiales. Diques escalonados
construidos en Quebrada El Silencio. Manizales - Caldas, Colombia.
Fuente: Carlos Enrique Escobar Potes
20
5. ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUAS
Estas estructuras son canales abiertos que se construyen desde la corona hasta el
pie del talud o la ladera. Se diseñan con el objetivo de conducir las aguas de
escorrentía que llegan de cunetas o canales interceptores, y su buen
funcionamiento depende de la correcta selección, combinación y ubicación de
éstas.
Entre las estructuras de vertimiento se tienen: el canal de rápidas escalonadas, el
canal de rápidas lisas, y la combinación de rápidas lisas y rápidas escalonadas o
de otras estructuras de vertimiento de aguas, como en este caso lo son el CRTC y
el CPD.
5.1
RÁPIDAS LISAS
Son canales de fondo liso con pendientes adecuadas a las condiciones
topográficas del terreno y al caudal que se desea evacuar. En ellos, el agua
escurre a velocidad apreciable, llegando al pie de la ladera o talud con gran
cantidad de energía cinética que requiere ser disipada para no erosionar el lecho
del cauce receptor del agua, ni poner en peligro la estructura por socavación de su
pie; para esto se emplean tanques amortiguadores con dentellones o bloques.
El diseño de las rápidas lisas principalmente está en función del caudal de diseño
por evacuar, de las características geométricas escogidas para el canal, de la
pendiente del terreno y del material a utilizar.
El canal diseñado debe ser capaz de resistir las velocidades que se desarrollen en
él y de conducir el agua sin rebosarse para el periodo de retorno seleccionado.
21
Este tipo de canales (Ver Fotografía 7) generalmente se construye en concreto
reforzado, lo que garantiza una buena resistencia ante altas velocidades de flujo,
por ejemplo, entre 10 y 20 m/s, y en particular para los tipos de concreto (según su
resistencia a la compresión) que normalmente se usan en el país. Además, por los
caudales que se manejan en estos canales, muy difícilmente se alcanzan
velocidades que superen las indicadas atrás 2 .
Fotografía 7. Canal de rápidas lisas.
Fuente: Marinela Valencia Giraldo, 2009.
Sin embargo, si se optara por otros materiales, puede utilizarse una tabla para
definir velocidades máximas permisibles en canales revestidos como la que se
presenta a continuación (Tabla 1):
2
Krochin Sviatoslav. ”Diseño Hidráulico”, Ed. MIR, Moscú, 1978.Tabla DC10.
22
Tabla 1. Velocidades máximas permisibles en rápidas lisas.
MATERIAL
VELOCIDAD MÁXIMA (m/s)
Ladrillo común
3
Ladrillo vitrificado
5
Arcilla vitrificada (gres)
4
Concreto 175 kg/cm2
(17,2 MPa)
6
Concreto 210 kg/cm2
(20,6MPa)
10
Concreto 280 kg/cm2
(27,5 MPa)
15
Concreto 350 kg/cm2
(34,3 MPa)
20
Fuente: Normas de la Corporación para la Defensa de la Meseta de Bucaramanga
(CDMB).
5.2
RÁPIDAS ESCALONADAS
Son canales con gradas o escalones (Ver Fotografía 8) donde, a la vez que se
conduce el agua, se va disipando la energía cinética del flujo por impacto con los
escalones, llegando el agua al pie de la rápida con energía disipada, por lo que no
se hace necesaria alguna estructura adicional, o, dado el caso, una estructura
pequeña.
Primero, se debe definir el régimen preferencial del flujo para el caudal de diseño,
en cuanto a si este sería saltante (se caracteriza por una sucesión de chorros en
caída libre que chocan en el siguiente escalón, seguidos por un resalto hidráulico
parcial o totalmente desarrollado) o rasante (en él, el agua fluye sobre los
escalones como una corriente estable rasando sobre ellos y amortiguándose por
el fluido re circulante atrapado entre los escalones), teniendo en cuenta que la
disipación de la energía, en el régimen saltante, se produce en cada escalón, al
romperse el chorro en el aire, al mezclarse en el escalón o por formación de
23
resaltos hidráulicos; y en el régimen rasante, se produce en la formación de
vórtices en las gradas, debido a que las gradas actúan como una macro rugosidad
en el canal.
Fotografía 8. Canal de rápidas escalonadas.
Fuente: Joan Nathalie Suárez H, 2008.
Para el diseño de rápidas escalonadas se recomiendan los siguientes pasos 3 , sin
profundizar en el tema por no ser el propósito de este documento:
ƒ
Estimar el caudal de diseño.
ƒ
Evaluar la geometría del canal (pendiente, altura y ancho).
ƒ
Seleccionar la altura óptima del escalón, para obtener el régimen de flujo
seleccionado.
ƒ
Calcular las características hidráulicas del flujo.
ƒ
Calcular el contenido de aire disuelto aguas abajo de la estructura. En los
regímenes de flujo saltante se debe airear el salto en su caída libre de un
escalón a otro.
ƒ
Diseñar la cresta de la rápida.
3
Tomado de: MEJÍA FERNÁNDEZ, Fernando. Hidrología e hidráulica. En: CORPOCALDAS e INVIAS.
Manual para el control de la erosión. Manizales – Colombia: EDITAR S.A., 1998. p. 111 – 112.
24
ƒ
Calcular la altura de las paredes del canal considerando un borde libre, para
recoger las posibles salpicaduras o aumentos de caudal no previstos.
Si se desea disipar mayor energía se pueden adicionar elementos para este
propósito como bloques de cemento o salientes en la grada (que bloquean el
flujo), rápidas escalonadas con tapas (que interceptan los chorros de agua) o
rápidas escalonadas con vertedero y pantalla (forman resalto hidráulico y atenúan
el golpe del agua). (Ver Figura 1).
Figura 1. Rápida escalonada con vertedero y pantalla.
Fuente: VAUGHAN y BARÓN, 1975.
5.3
COMBINACIÓN DE RÁPIDAS LISAS Y ESCALONADAS
Son estructuras conformadas por canales de rápidas lisas que incluyen en su
desarrollo longitudinal un escalón u otro elemento disipador de la energía cinética
del flujo, prescindiendo en la mayoría de los casos del empleo de estructuras
disipadoras en el pie de la estructura.
25
A este tipo de estructuras pertenecen el Canal de Pantallas Deflectoras (CPD) y
el Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC); estas estructuras requieren
de un diseño especial debido a que disipan la energía del flujo a lo largo del canal
y no al pie de ésta.
5.3.1 Canal de Pantallas Deflectoras (CPD).
Es un canal de sección rectangular y fondo liso que incluye pantallas deflectoras
alternas colocadas a 45º con el eje del canal, las cuales cumplen el papel de
elementos disipadores de energía, y pestañas longitudinales sobre los bordes de
ambas paredes del canal que impiden que la estructura rebose. (Ver Figura 2).
Figura 2. Canal de pantallas deflectoras. Diseño geométrico original.
Fuente: RAMÍREZ GIRALDO, Jorge. Canal con pantallas deflectoras: Estudio con
modelos hidráulicos. En BOLETÍN DE VÍAS. Vol. 6, Nº 37. Enero/Marzo, 1978.
p. 6.
26
Las pantallas deflectoras desvían el flujo lateralmente disminuyendo la velocidad
en el caso de que el caudal sea pequeño (por ejemplo, que no rebase la altura de
las pantallas), y si el caudal es grande actúan como grandes rugosidades
permitiendo la disipación de la energía en el fondo del canal. (Ver Fotografía 9).
Fotografía 9. Canal de Pantallas Deflectoras.
Fuente: John Alexander Pachón G, 2008.
El CPD es “aplicable al caso de conducciones a lo largo de pendientes
pronunciadas (entre el 10% y el 50%), que evita velocidades exageradas y entrega
el flujo con energía disipada, sea cual fuere la longitud del canal y la diferencia de
nivel entre sus extremos.
Tiene la propiedad de conservar prácticamente constante su capacidad al variar la
pendiente dentro de un amplio rango, razón por la cual es adaptable a las
sinuosidades de los perfiles sin necesidad de variar la sección y sin exigir
excavaciones excesivas para su construcción.
27
Ya que el diseño no presenta ninguna arista horizontal ni zonas de estancamiento,
la estructura previene la sedimentación de material en suspensión y la obstrucción
con cuerpos flotantes, siendo apta para la conducción de aguas negras y aún de
lodos” 4 .
Las principales características del CPD son, según su mismo diseñador 5 :
ƒ
Capacidad prácticamente constante para el rango de pendientes entre 10% y
50%.
ƒ
Adaptabilidad a las sinuosidades de los perfiles, sin necesidad de variar la
sección.
ƒ
Economía notable en la excavación, como consecuencia de la característica
anterior.
ƒ
Baja velocidad en relación con la del canal sin pantallas, y dentro de los límites
tolerables para el concreto.
ƒ
Disipación de energía dentro del canal, sin requerir estructuras disipadoras
especiales a la entrada o a la salida.
ƒ
Auto limpieza, ya que no hay zonas de estancamiento en donde pueda
presentarse sedimentación.
ƒ
Facilidad y sencillez en la formaletería.
5.3.2 Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC)
Es un canal aplicable al caso de conducciones a lo largo de pendientes altas o
muy altas (entre el 50% y el 173%) conformado por una serie de rápidas lisas de
sección rectangular, que se interrumpen en las terrazas de un talud tratado o cada
cierto tramo, de tal forma que en la transición de una rápida a otra se tiene un
4
RAMÍREZ GIRALDO, Jorge.
Canal con pantallas deflectoras: Estudio con modelos hidráulicos.
BOLETÍN DE VÍAS. Vol. 6, Nº 37. Enero/Marzo, 1978. p. 1
5
Ídem anterior, p. 5.
28
En
columpio que deflecta el chorro y lo proyecta contra una tapa existente en el inicio
de la siguiente rápida aguas abajo. El sistema columpio – tapa es complementado
con un deflector que obliga al flujo a volver al canal. (Ver Figuras 3 y 4. Ver
Fotografía 10).
Gran parte de la energía se disipa en el módulo columpio-tapa, al generarse una
turbulencia y aireación del flujo en el punto de impacto del chorro de agua con la
tapa, lo cual proporciona que en el momento de llegada del agua al pie de la
ladera o talud el porcentaje de energía disipada en toda la trayectoria de la
estructura sea lo más alto posible.
Las principales características del CRTC son:
ƒ
Es complementario con el Canal de Pantallas Deflectoras.
ƒ
El diseño especial del columpio en el escalón evita la presencia de obstáculos
en el flujo.
ƒ
Proporciona una gran capacidad de descarga, a pesar de la fuerte pendiente.
ƒ
Capacidad prácticamente constante para el rango de pendientes entre el 50%
y el 173%.
ƒ
Puede adaptarse fácilmente al perfil del talud o drenaje haciendo que los
escalones del canal coincidan con las zanjas o cunetas construidas a lo largo
del talud.
ƒ
Permite altos niveles de disipación de energía.
ƒ
Previene la sedimentación y la obstrucción con basuras.
ƒ
Admite colectores laterales en el escalón.
ƒ
Las tapas sirven de puente en las terrazas.
ƒ
Es de fácil mantenimiento.
ƒ
Ofrece economía y facilidad en la construcción (con el uso de formaletas tipo y
pocas excavaciones).
29
Figura 3. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio. Diseño geométrico.
30
Figura 4. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio. Detalle del Escalón
(Columpio).
31
Fotografía 10. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC).
Fuente: John Alexander Pachón G., Marinela Valencia G., 2008.
De acuerdo con lo planteado hasta aquí en cuanto a las características de diseño
del CPD y del CRTC, el primero puede entregar las aguas conducidas al segundo,
o recibirlas de él cuando la pendiente se suavice, cubriéndose así todos los rangos
de pendiente; es decir, el CRTC y el CPD se complementan. (Ver Fotografía 11).
Fotografía 11. Combinación de CRTC y CPD.
Fuente: John Alexander Pachón G, 2008.
32
6. NORMAS DE DISEÑO DEL CANAL DE PANTALLAS
DEFLECTORAS (CPD) Y DEL CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y
COLUMPIO (CRTC)
Se presentan enseguida, de manera secuencial y según las necesidades de
diseño que cada ingeniero tenga en particular, lo que se ha denominado en este
documento las normas de diseño del CPD y del CRTC, así como de la
estructura que corresponde a la transición entre ambos canales, cuando el CRTC
entrega a un CPD. En el caso de un CPD que entrega a un CRTC, no hay una
exigencia especial de una estructura de transición pues el CPD que llega se
asimila a la rápida arriba del primer columpio del CRTC.
6.1
DISEÑO DE UN CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD)
6.1.1 Alternativa 1: Diseño original del CPD
Diseño original se refiere al esquema mostrado en la figura 2, y al diseño
obtenido de las investigaciones realizadas por el profesor Ingeniero Jorge Ramírez
Giraldo 6 , que corresponde al diseño tradicionalmente utilizado en el país.
Sin embargo, durante las investigaciones realizadas por el autor de este libro y
auxiliares de investigación en el año 2003 (fase 5) se optimizó el diseño original
con el fin de unificar para un mismo caudal el ancho del CPD y del CRTC de tal
forma que, cuando se requiriera la construcción de uno entregando al otro, se
tuviera un ancho de zanja igual, se eliminara la posibilidad de una transición entre
uno y otro, y se tuviera economía y mayor facilidad en el proceso constructivo. A
este diseño optimizado se le denominará en este documento la Alternativa 2 de
diseño del CPD (que se muestra en el numeral 6.1.2), con la aclaración de que el
diseñador puede utilizar indistintamente cualquiera de las dos alternativas en el
6
RAMÍREZ GIRALDO, Jorge.
Canal con pantallas deflectoras: Estudio con modelos hidráulicos.
BOLETÍN DE VÍAS. Vol. 6, Nº 37. Enero/Marzo, 1978. p. 1-11
33
En
caso de que requiera diseñar solamente un CPD, sin que este reciba o entregue
las aguas a un CRTC.
Cuando el sistema de vertimiento de aguas requiera, en razón de las pendientes
que se manejan (entre el 10% y el 50%), diseñar únicamente un Canal de
Pantallas Deflectoras, los criterios de diseño que se utilizarían (por igual para las
alternativas 1 y 2) serían los siguientes:
ƒ
“La sección debe diseñarse para el tramo de mayor pendiente que presente el
perfil longitudinal del canal, y esa misma servirá para pendientes menores.
ƒ
La velocidad de entrada al canal no debe ser mayor que la que tendría dentro
de él en una pendiente del 50%. Si no se cumple esta condición, se puede
lograr la disipación dentro del mismo canal aumentando la altura y/o la
pestaña en el tramo inicial. Se recomienda estudiar este caso con un modelo
hidráulico para las condiciones particulares.
ƒ
La entrega del canal puede consistir en aletas y enrocado, prescindiendo de la
estructura de disipación de energía si el último tramo del canal es de
pendiente moderada.
ƒ
Deben calcularse curvas horizontales y verticales evitando así quiebres
pronunciados en su trayecto que podrían producir desborde y erosión en la
estructura. En el caso de que se requieran curvas horizontales con mayor
curvatura que la calculada, basta con aumentar convenientemente la pestaña
del lado exterior.
ƒ
Se deben colocar drenajes paralelos para evitar las subpresiones.
ƒ
La entrega de tributarios al canal, como tuberías, cunetas, etc., debe
efectuarse en el punto medio entre dos pantallas consecutivas del mismo lado
y a altura mayor que la de las pantallas, sin interrumpir la pestaña superior del
canal.
ƒ
Las pantallas pueden prefabricarse, mientras sea práctico, y pueden dejarse
cortas con el objeto de permitir un espacio entre ellas y las paredes del canal,
34
para simplificar la formaleta lateral. El espacio se rellenará posteriormente con
concreto.
ƒ
El diseño es aplicable también a alcantarillas de cajón, aumentando
convenientemente la altura para permitir aireación” 7
Figura 5. Refuerzo estructural sugerido para el CPD original.
Fuente: AQUATERRA, CORPOCALDAS y CEMCALDAS. Algunas obras
utilizadas en el control de erosión. Disipadores de energía. 1991. (Modificado y
complementado por el autor).
7
RAMÍREZ GIRALDO, Jorge.
Canal con pantallas deflectoras: Estudio con modelos hidráulicos.
BOLETÍN DE VÍAS. Vol. 6, Nº 37. Enero/Marzo, 1978. p. 4-5.
35
En
En el diseño del CPD alternativa 1, con base en los resultados de la investigación
en su fase 1, se procede a:
1. Obtener el valor de b (ancho del canal, a partir del cual se define el resto
de las dimensiones del mismo (Figura 3)), en función del caudal de diseño
del CPD (obtenido de la aplicación de un modelo lluvia –escorrentía, como
el tan común Modelo ó Método Racional, teniendo en cuenta las
condiciones y características del área a drenar hacia el canal y un Período
de Retorno especificado) 8 y en función de la pendiente media del CPD a
diseñar, a partir de las siguientes relaciones:
b = 0,98 * Q 0.4 , para pendiente del 10%
Ec. 1
b = 1,04 * Q 0.4 , para pendiente del 50%
Ec. 2
Donde,
b , ancho del CPD, en m; Q , caudal de diseño del CPD, en m3/s
El valor del coeficiente se puede interpolar linealmente para valores de
pendientes entre ese rango del 10% al 50%.
Sin embargo, si se considera que la diferencia entre los valores obtenidos
de b es muy baja para cualquiera de las pendientes entre 10 y 50% (por
ejemplo, la diferencia es sólo de 3 cm en la dimensión b de un canal para
pendientes del 30 y del 50% y un caudal de diseño de 1 m3/s) , una opción
–para canales no muy largos, en donde la economía por efecto de los
cambios en la dimensión b no sea trascendente- sería la de diseñar para
las condiciones más desfavorables, es decir, para la pendiente del 50%,
aunque se manejen pendientes un poco menores.
8
MEJÍA FERNÁNDEZ, Fernando. Hidrología e hidráulica. En: CORPOCALDAS e INVIAS. Manual para el
control de la erosión. Manizales – Colombia: EDITAR S.A., 1998. P 79-82.
36
2. Obtener el valor de V , velocidad promedio del agua en el CPD, en función
de su pendiente y el caudal de diseño, a partir de las siguientes relaciones:
V = 2,64 * Q 0.2 , para pendiente del 10%
Ec. 3
V = 4,42 * Q 0.2 , para pendiente del 50%
Ec. 4
Donde,
V , Velocidad promedio en el CPD, en m/s; Q , caudal de diseño del CPD,
en m3/s
El valor del coeficiente se puede interpolar linealmente para valores de
pendientes entre ese rango del 10% al 50%.
Aquí también, una opción sería la de diseñar para las condiciones más
desfavorables, es decir, para la pendiente del 50%, aunque se manejen
pendientes un poco menores. Una vez calculada la velocidad por esta vía,
su valor se compara con las velocidades máximas permisibles en canales
revestidos que aparecen en la Tabla 1, con el fin de no rebasarlas.
6.1.2 Alternativa 2: Diseño optimizado del CPD
Como ya se dijo en el numeral anterior, los criterios de diseño que se utilizarían
para esta alternativa 2 serían los mismos de la alternativa 1.
37
Figura 6. Canal de pantallas deflectoras, diseño optimizado. Diseño
geométrico y refuerzo estructural sugerido.
En el diseño del CPD alternativa 2 (diseño optimizado) se procede, con base en
los resultados de la investigación en su fase 5, de igual manera a:
Obtener el valor de a (ancho del canal, a partir del cual se define el resto de las
dimensiones del mismo (Figura 6)), en función de su pendiente media y el caudal
de diseño (obtenido como se mencionó en el numeral anterior), a partir de la
siguiente relación única, obtenida de promediar aritméticamente los coeficientes
38
de las que se tienen para pendientes del 10% y del 50%, debido a la muy poca
diferencia que se obtuvo entre ellas:
a = 0,905 * Q 0.4
Ec. 5
Donde,
a , ancho del CPD, en m; Q , caudal de diseño del CPD, en m3/s
2. Obtener el valor de V , velocidad promedio del agua en el CPD, en función
de su pendiente media y el caudal de diseño, a partir de las siguientes
relaciones:
V = 4,890 * Q 0.2 , para pendiente del 10%
Ec. 6
V = 5,328 * Q 0.2 , para pendiente del 50%
Ec. 7
Donde,
V , velocidad promedio en el CPD, en m/s; Q , caudal de diseño del CPD, en
m3/s.
Aquí también, una opción sería la de diseñar para las condiciones más
desfavorables, es decir, para la pendiente del 50%, aunque se manejen
pendientes un poco menores. Una vez calculada la velocidad por esta vía, su
valor se compara con las
velocidades máximas permisibles en canales
revestidos que aparecen en la Tabla 1, con el fin de no rebasarlas.
6.2
DISEÑO DE UN CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC)
Cuando el sistema de vertimiento de aguas requiera diseñar únicamente un Canal
de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC), debido a las pendientes que se
manejan (mayores del 50%), los criterios de diseño que se utilizarían serían los
siguientes:
39
ƒ
La sección debe diseñarse para el tramo de mayor pendiente que presente
el perfil longitudinal del canal, y esa misma servirá para pendientes
menores.
ƒ
La superficie del fondo y paredes debe ser lisa (p.e. concreto pulido)
facilitando el mantenimiento.
ƒ
La velocidad de entrada al canal no debe ser mayor que la que tendría
dentro de la primera rápida.
ƒ
Se deben colocar filtros paralelos para evitar empujes por subpresión, cuyo
tipo y cantidad se definen para cada caso según las características del
suelo.
ƒ
Si el canal se desarrolla a lo largo de un talud estabilizado con terrazas, se
hacen coincidir los columpios con esas terrazas, en las cuales la tapa
horizontal del columpio sirve de puente para el tránsito de personas sobre
ellas.
ƒ
Se deben conectar los colectores laterales (zanjas colectoras interiores en
las terrazas) en la parte alta interior de los escalones.
ƒ
Las condiciones de entrega en el extremo inferior del canal pueden ser la
de un último columpio, o la de una pequeña estructura de disipación que
remata en aletas y enrocado.
ƒ
En el extremo de cada columpio, antes del inicio de la siguiente rápida,
puede construirse una ranura hasta la profundidad del fondo del columpio,
que evite que el agua se estanque en él.
40
Figura 7. Canal de Rápidas con Tapa y Columpio. Diseño geométrico y
refuerzo estructural sugerido.
Fuente: AQUATERRA, CORPOCALDAS y CEMCALDAS. Algunas obras
utilizadas en el control de erosión. Disipadores de energía. 1991. (Modificado y
complementado por el autor).
41
En el diseño del CRTC se procede, en función de los resultados de la
investigación en su fase 4, de igual manera a:
1. Obtener el valor de a (ancho del canal, a partir del cual se define el resto de
las dimensiones del mismo (Figura 7), en función del caudal de diseño del
CRTC (obtenido como ya se indicó en los numerales anteriores) y en función
de la pendiente media del CRTC a diseñar, a partir de la siguiente relación
única, obtenida de promediar aritméticamente los coeficientes de las que se
tienen para pendientes del 50% y del 137%, debido a la muy poca diferencia
que se obtuvo entre ellas:
a = 0,905 * Q 0.4
Ec. 8
Donde,
a , ancho del CRTC, en m; Q , caudal de diseño del CRTC, en m3/s
Nota: esta ecuación es igual a la Ec. 8 por la sencilla razón de que el diseño
optimizado del CPD (que incluye un ancho de canal igual al del CRTC) se
obtuvo (fase 5) de estudiar éste recibiendo las aguas de un CRTC, por lo
cual el caudal de diseño es el mismo para ambos y, por ende, la ecuación
que relaciona el ancho del canal con el caudal es también la misma.
2. Obtener el valor de Vráp , velocidad máxima en cualquier rápida del CRTC
(antes de entrar al columpio) y de V prom , velocidad promedio a lo largo del
CRTC, en función del caudal de diseño, a partir de las siguientes relaciones:
V ráp = 9, 457 * Q 0.2
Ec. 9
Donde,
V ráp , Velocidad máxima en la rápida (antes de entrar al columpio) del CRTC,
en m/s
Q , Caudal de diseño del CRTC, en m3/s
42
V prom = 7,230 * Q 0.2
Ec. 10
Donde,
V prom , velocidad promedio a lo largo del CRTC, en m/s
Q , caudal de diseño del CRTC, en m3/s
Nota: Con fines prácticos (mas no con fines académicos e investigativos), no
se haría necesario calcular la velocidad promedio en el CRTC, si se tiene en
cuenta que la velocidad en cualquier rápida es evidentemente mayor que el
promedio en todo el canal.
Una vez calculada la velocidad por esta vía, su valor se compara con las
velocidades máximas permisibles en canales revestidos que aparecen en la
Tabla 1, con el fin de no rebasarlas.
6.3
DISEÑO DE UN CPD QUE ENTREGA A UN CRTC.
En este caso, los criterios de diseño del CPD serán los planteados en el numeral
6.1. Pueden ser seleccionados de cualquiera de las dos alternativas presentadas
en los numerales 6.1.1 y 6.1.2, y los criterios de diseño del CRTC serán los
planteados en el numeral 6.2. Obviamente, el caudal de diseño de ambas
estructuras es el mismo; sin embargo, si se escoge para el diseño de un CPD la
alternativa 6.1.1, se requiere el diseño de una transición en el empalme entre un
canal y otro, puesto que sus anchos serán diferentes, por lo cual
resulta
comprensible que el autor de este documento recomiende en este caso optar de
una vez por la alternativa del numeral 6.1.2, eliminando la necesidad de la
mencionada transición.
La única recomendación especial para este caso es que el CPD entregue al primer
columpio del CRTC.
43
6.4
DISEÑO DE UN CRTC QUE ENTREGA A UN CPD.
En este caso el caudal de diseño que gobierna es el del CRTC, y el sistema -como
uno solo, en el cual el CRTC y el CPD actúan como estructuras de vertimiento
combinadas (siendo ésta última receptora)- se diseña con base en los resultados
de la fase 5 de la investigación, con los siguientes criterios:
ƒ
El CRTC se debe diseñar tal como se indica en el numeral 6.2 y como se
ilustra en la Figura 7.
ƒ
El CPD se debe diseñar tal como se indica en el numeral 6.1.2 y como se
ilustra en la Figura 6, con el mismo caudal de diseño del CRTC.
ƒ
Se diseña una estructura de transición entre el CRTC y el CPD con las
siguientes características:
En la zona donde se haga necesaria la transición de un CRTC a un CPD, debe
tenerse, como remate del primero, un columpio con su respectiva tapa horizontal,
como lo exige su diseño. A partir del extremo de ambos (columpio y tapa
horizontal) se tendría el diseño geométrico de la transición así:
ƒ
Del extremo del columpio se desarrollaría el fondo del CPD con un ancho
igual al del CRTC, pero con la pendiente exigida por la topografía.
ƒ
Del extremo de la tapa horizontal se desarrollaría a su vez la tapa de la
transición, de dimensión 2 a , con el mismo ancho del CPD y rematando
en un deflector de longitud 0,7 a como se muestra en la Figura 8.
44
Figura 8. Transición entre un CRTC y un CPD. Diseño geométrico y refuerzo
estructural sugerido.
ƒ
Simultáneamente con esto, se suprimen las dos primeras pantallas
deflectoras del CPD con el fin de evitar salpicaduras excesivas en su tramo
inicial, según pudo establecerse durante la investigación (Ver Fotografía
12).
ƒ
Se debe adoptar el elemento denominado Tapa CPD que se ubica a una
distancia de 1,84 a con respecto al borde inferior del deflector de la
transición y con una longitud de 4 a , para de esta manera eliminar
salpicaduras por la turbulencia generada entre las pantallas deflectoras.
(Ver Figura 8 y Fotografía 13). Esta tapa podría tener las mismas
características estructurales que las del CRTC.
45
Fotografía 12. Funcionamiento del CPD con la transición, sin las dos
primeras pantallas y sin la Tapa CPD.
Fuente: LUCERO CARVAJAL y RIASCOS DELGADO, 2003.
Fotografía 13. Canal de Pantallas Deflectoras con la transición, optimizado
(sin las dos primeras pantallas y con la Tapa CPD).
Fuente: LUCERO CARVAJAL y RIASCOS DELGADO, 2003.
46
7. CONCLUSIONES
La alternativa de uso del Canal de Pantallas Deflectoras CPD y del Canal de
Rápidas con Tapa y Columpio CRTC con que cuenta la ingeniería colombiana y la
de otros países vecinos andinos, que enfrentan iguales problemas erosivos
asociados a lluvias torrenciales, se presenta como adecuada para el manejo
seguro de aguas de escorrentía en laderas, frente a otras que han sido
desarrolladas para condiciones algo distintas a las que se viven en el trópico
(como los tanques amortiguadores y disipadores de energía diseñados por A. J.
Peterka para el Bureau of Reclamation, U. S. Department of the Interior y muy
divulgados en la década de los setenta del siglo pasado), pero al lado de
importantes diseños colombianos de este tipo de estructuras como los logrados
por el CETIH de la Universidad de Los Andes e Hidroestudios y por la Universidad
Industrial de Santander para la meseta de Bucaramanga hace ya varios años.
Por otra parte, se destaca con estos diseños el poder barrer todo el rango de
pendientes que se tienen en nuestras laderas andinas (desde el 10% hasta el
173%) y la facilidad de combinar estructuras sin complicaciones constructivas
adicionales, después de haberse resuelto en laboratorio el problema del diseño de
la transición entre ellas.
Además, se resalta el hecho de que las capacidades hidráulicas de ambas
estructuras cubren fácilmente todo el rango de caudales (por ejemplo, menores de
10 m3/s) que pudieran presentarse en las potenciales áreas aferentes a ellas
comúnmente atendidas con obras hidráulicas para el control de la erosión, antes
de que se desarrollen, al interior de las mismas, velocidades tan altas (por
ejemplo, mayores de 10 m/s) que pongan en riesgo su estabilidad.
Sin embargo, la rigidez de todas estas estructuras (de concreto) pudiera
constituirse en un problema a solucionar cuando se trata de laderas y taludes que,
a pesar de los tratamientos de estabilidad a los que se les somete, siguen, por
47
ejemplo, reptando. Este aspecto amerita entonces sumo cuidado de parte de los
diseñadores de obras.
En fin, la reflexión última y quizás la más importante – a juicio del autor- es que,
mientras la Academia, representada en profesores y estudiantes, y las autoridades
civiles y ambientales, tomadoras de decisiones, continúen aunando esfuerzos en
procura de resolver éstos y otros problemas a los que nos enfrenta nuestro
entorno geográfico, se tiene garantizado el mejor camino para lograrlo. Es, en
definitiva, una de las razones de ser y una de las misiones de la Universidad
moderna servir a la sociedad a la cual se debe por completo, especialmente la
Universidad Pública.
48
8. ALGUNAS RECOMENDACIONES
8.1
DE DISEÑO:
NUNCA MÁS DEBERÍAN DISEÑARSE:
Canales de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC) con las ecuaciones de
diseño que fueron el resultado de la fase 2 de la investigación (1980), por
obsoletos. Todos los CRTC que se diseñen deben obedecer, entonces, a los
criterios planteados en el numeral 6.2 de este documento.
Los denominados Canales de Rápidas con Tapa (CRT), que eventualmente
se diseñan y construyen aún y que fueron los antecesores del CRTC -no
tenían columpio ni deflector en el extremo de la tapa inclinada - por empíricos
(antes de ser estudiado y diseñado el CRTC no se había hecho ningún
estudio sobre la capacidad ni el comportamiento hidráulico de ellos) y, por lo
tanto, obsoletos. Su diseño fue cambiado desde principios de la década del
80, en el siglo pasado, por el CRTC. (Ver Fotografía 14).
Fotografía 14. Canal de Rápidas con Tapa (CRT).
49
8.2
DE CONSTRUCCIÓN:
Debe tenerse en cuenta que el refuerzo transversal y longitudinal de fondo,
paredes y tapa del CRTC, del CPD y de la transición entre ellos, es apenas una
sugerencia, y que los diámetros finales, la disposición del refuerzo y las
características del acero (liso o corrugado) quedan a discreción del diseñador de
la estructura para cada caso particular.
Las dimensiones del dentellón de anclaje del columpio del CRTC y del CPD
mostrado en las Figuras 5 a 8 son sugeridas, pues dependen de la magnitud de b
y a (ancho del canal) y de las características del suelo de fundación, y podrán
variarse a juicio de la interventoría en cada caso.
Es conveniente construir una ranura transversal en el centro del labio del deflector
a la salida del columpio del CRTC, para evitar que éste se mantenga lleno de agua
y se convierta en foco infeccioso. (Ver Fotografía 15).
Para ambos tipos de canales, los drenajes se deberán colocar en el sitio, longitud
y profundidad que señale la Interventoría. En el caso del CRTC, los drenajes se
colocarán debajo del fondo del columpio, con el fin de que descarguen en la rápida
siguiente.
Fotografía 15. Detalle de la ranura transversal en el centro del labio deflector
a la salida del columpio del CRTC.
50
9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ƒ
AQUATERRA, CORPOCALDAS y CEMCALDAS. Algunas obras utilizadas en
el control de erosión. Disipadores de energía. 1991.
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BRAND RUIZ, Eduardo Andrés y RAMÍREZ HERNÁNDEZ, Róbinson.
Auxiliares de ingeniería en la investigación: Estructuras de vertimiento para el
control de la erosión y el manejo de aguas en laderas de fuerte pendiente.
Estudio en modelos hidráulicos. Fase 3. Manizales, 2002, 71 p. Trabajo de
grado (Ingeniero Civil). Universidad Nacional de Colombia.
Facultad de
Ingeniería y Arquitectura.
ƒ
CDMB. Corporación para la Defensa de la Meseta de Bucaramanga. Normas
sobre velocidades máximas permisibles en rápidas lisas.
ƒ
CETIH UNIANDES – HIDROESTUDIOS. Diversas estructuras de vertimiento.
Bogotá. 1969 – 1970.
ƒ
ESCOBAR POTES, Carlos E. Manual para el control de la erosión. Capítulo VI:
Obras y prácticas para el control de la erosión. CORPOCALDAS e INVIAS.
Manizales – Colombia. EDITAR S.A., 1998.
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GONZÁLEZ BLANDÓN, Claudia Marcela y GONZÁLEZ BLANDÓN, Jackelline.
Auxiliares de ingeniería en la investigación: Estructuras de vertimiento para el
control de la erosión y el manejo de aguas en laderas de fuerte pendiente.
Estudio en modelos hidráulicos. Fase 4. Etapas de operación y análisis de
resultados. Manizales, 2002, 75p. Trabajo de grado (Ingeniero Civil).
Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería y Arquitectura.
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LUCERO CARVAJAL, Ana María y RIASCOS DELGADO, Merlyn Johanna.
Estructuras de vertimiento en laderas de fuerte a media pendiente, Fase 5.
Estudio en modelos hidráulicos. Diseño de la transición del Canal de Rápidas
con Tapa y Columpio con el Canal de Pantallas Deflectoras. Manizales, 2003,
63p. Trabajo de grado (Ingeniera Civil). Universidad Nacional de Colombia.
Facultad de Ingeniería y Arquitectura.
51
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fuertes: Estudio en modelos hidráulicos. BOLETÍN DE VÍAS Y TRANSPORTE.
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MEJÍA FERNÁNDEZ, Fernando. Manual para el control de la erosión. Capítulo
III: Hidrología e hidráulica. CORPOCALDAS e INVIAS. Manizales – Colombia.
EDITAR S.A., 1998.
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MONTERO OLARTE, Juan. Manual para el control de la erosión. Capítulo I: La
erosión. CORPOCALDAS e INVIAS. Manizales – Colombia. EDITAR S.A.,
1998.
ƒ
PETERKA, A. J. Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators.
Monograph No. 25. USBR. 1974.
ƒ
RAMÍREZ GIRALDO, Jorge. Canal con pantallas deflectoras: Estudio con
modelos hidráulicos. En BOLETÍN DE VÍAS. Vol. 6, Nº 37. Enero/Marzo, 1978.
ƒ
SVIATOSLAV, Krochin. Diseño hidráulico. Editorial MIR. Moscú, 1978. Tabla
DC10.
ƒ
SUÁREZ DÍAZ, Jaime. Control de erosión en zonas tropicales. Librería UIS.
Bucaramanga – Colombia. 2001.
ƒ
SUÁREZ DÍAZ, Jaime. Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas
tropicales. Publicaciones UIS. Bucaramanga – Colombia. 2001.
ƒ
VAUGHAN, F.; VARÓN, M. Estudio en modelos hidráulicos, de estructuras de
vertimiento escalonadas. Proyecto de grado Ingeniería Civil. Universidad
Industrial de Santander. Bucaramanga. 1975.
52
APÉNDICE I
OTROS POSIBLES USOS DEL CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO:
ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO COMO OBRAS DE DESCOLE.
DERIVACIÓN HACIA HUMEDALES 9
RESUMEN
En ciudades de media montaña éstas se encuentran coronando la montaña, de
manera que la disposición final de aguas residuales domésticas se hace a través
de laderas que las circundan y a través del uso de estructuras de vertimiento, de
tal forma que ellas cumplen el doble papel de evacuar aguas lluvias y servidas.
Con base en el avance investigativo de los biorreactores como alternativa de
tratamiento de aguas residuales, se realizó una investigación entre la Universidad
Nacional y CORPOCALDAS para utilizar el diseño del Canal de Rápidas con
Tapa y Columpio (CRTC)
para conducir las aguas residuales que pudieran
escurrir por él hasta humedales que se acomodaran a las terrazas donde el CRTC
dispone de sus columpios para disipar energía cinética, terrazas que se
construyen en taludes tratados como parte del proceso de estabilización de los
mismos. Se diseñó entonces, con éxito, la estructura de derivación del Canal hacia
el humedal.
9
Ponencia presentada y publicada en las memorias del XVIII Seminario Nacional de Hidráulica e Hidrología.
Sociedad Colombiana de Ingenieros. Bogotá, D.C. 22, 23 y 24 de mayo de 2008
53
1. INTRODUCCIÓN
Se presenta aquí el resultado de un trabajo investigativo que se ha venido
llevando en la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales desde hace
muchos años (fines de la década del 70 del siglo pasado), en particular el diseño
de estructuras de vertimiento de aguas en laderas de media a fuerte pendiente
que se han requerido en ciudades de media y alta montaña (como ManizalesCaldas y otras vecinas) y en carreteras de media ladera, para la recolección,
conducción y disposición segura de aguas de escorrentía, principalmente aguas
lluvias, sobre taludes y laderas que ameritan una intervención con obras de
estabilidad ante fenómenos de erosión, deslizamientos, remoción en masa, etc.
Dentro de tales diseños se destacan el CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS
(CPD) y el CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC),
profusamente utilizados en esta región y en otras del país. Estas estructuras se
combinan, se complementan, para barrer toda la gama de pendientes posibles de
encontrar en estas laderas y taludes. Así, el CPD se utiliza cuando las pendientes
varían entre 10 y 50%, y el CRTC se utiliza cuando las pendientes varían entre el
50 y el 170% aproximadamente.
Por otra parte, es muy común que en las ciudades mencionadas, especialmente
en pequeñas ciudades (como las del norte o el oriente de Caldas, por ejemplo)
éstas se encuentren coronando la montaña de manera que la disposición final de
aguas residuales domésticas se haga a través de las laderas que las circundan
hasta las corrientes de agua debajo de ellas, y a través del uso de estructuras de
vertimiento de aguas que pudieran ser como las dos mencionadas, el CRTC y el
CPD, de tal forma que tales estructuras cumplen el doble papel de evacuar aguas
lluvias y aguas servidas; éstas últimas, sin ningún aparente tratamiento, y se dice
aquí aparente porque la alta turbulencia del flujo dentro de esas estructuras, en
razón de su diseño, hace que éste se airee y por esa vía se oxigene y realice un
proceso parcial de depuración secundaria de esas aguas.
54
Recientemente, y con el avance investigativo de los biorreactores como alternativa
de tratamiento de aguas residuales, se concertó entre la Corporación Autónoma
Regional de Caldas CORPOCALDAS y la Universidad Nacional de Colombia Sede
Manizales a través de su Instituto de Estudios Ambientales IDEA, la realización de
una investigación (respaldada por un Convenio suscrito entre estas las dos
entidades) para estudiar la posibilidad de utilizar el diseño del CRTC para conducir
las aguas residuales que pudieran escurrir por él hasta biorreactores que se
acomodaran a las terrazas donde el CRTC dispone de sus columpios para disipar
energía cinética, terrazas que se construyen en taludes tratados como parte del
proceso de estabilización de los mismos.
Lo anterior conllevaba un trabajo interdisciplinario entre investigadores, ingenieros
civiles hidráulicos expertos en el diseño de estructuras de vertimiento e ingenieros
químicos expertos en el diseño de biorreactores, lo cual se logró y condujo
finalmente a los resultados que se muestran en este documento (y a otros en
siguientes fases, que no se muestran aquí) y que se están poniendo en práctica
en estructuras reales en la ciudad de Salamina – Caldas, por la vía de un nuevo
convenio interinstitucional suscrito entre la Universidad y CORPOCALDAS a fines
de 2007.
55
2. EL ESTUDIO. EFECTO DE LA RUGOSIDAD EN EL CRTC SOBRE LA
AIREACIÓN DEL FLUJO, Y DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE
DERIVACIÓN DEL CRTC HACIA LOS BIORREACTORES.
Desde los estudios iníciales que llevaron al diseño del Canal de Rápidas con Tapa
y Columpio (CRTC), se planteó, como valor agregado en las funciones del canal,
la aireación que logra el flujo a través de él por la alta turbulencia en el columpio,
lo que influye en la oxigenación del agua y constituye una especie de tratamiento
para la misma cuando se están evacuando aguas residuales domiciliarias.
Sin embargo, tal oxigenación podía incrementarse si se lograba aumentar la
rugosidad del fondo de la rápida entre columpio y columpio sin que afectara
notoriamente la capacidad hidráulica de la estructura.
Esta rugosidad podía lograrse de distintas formas y una de ellas podía ser la de
incrustar piedras de cierto tamaño en el concreto fresco con el que se está
conformando el fondo de las rápidas.
En efecto, este procedimiento pudo evaluarse en este estudio en un modelo físico
existente en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Nacional de Colombia
Sede Manizales.
Por otra parte, se sabía que, en la construcción de estas estructuras, los
columpios se asientan sobre terrazas de taludes pre conformados en el
tratamiento de laderas, y éstas podían diseñarse de forma tal que se convirtieran
en zanjones (reactores biológicos) que recibieran las aguas residuales domésticas
que escurren por el canal, con el propósito de que éstas tuvieran un tratamiento
secundario, con reactores biológicos y, eventualmente, con vegetación adecuada
(por ejemplo, Tifas ó Eneas).
56
Evidentemente, la derivación de esta agua hacia los zanjones (reactores
biológicos) a un lado del columpio afectaría el comportamiento hidráulico de la
estructura en su diseño y funcionamiento actual, principalmente en caudales de
evacuación altos, que además pueden contar con una pequeña carga de residuos
sólidos, lo que obligaba a un estudio en modelo hidráulico, el cual se realizó
simultáneamente con el anterior en el modelo existente.
En esta etapa del estudio, se buscó entonces evaluar el efecto de distintas
rugosidades en el fondo de las rápidas del CRTC, hasta alcanzar la máxima
aireación posible sin afectar notoriamente la capacidad hidráulica de la estructura,
evaluar el efecto de cambios geométricos en el diseño del columpio sobre la
alimentación de los reactores biológicos a lado y lado del canal y sobre el
comportamiento hidráulico de la estructura sin afectar notablemente su capacidad,
adecuar el modelo físico a las modificaciones geométricas del columpio del CRTC
como alimentador de los reactores biológicos, operar el modelo modificado y
obtener información cuantitativa y cualitativa de las condiciones hidráulicas de
operación de la estructura desde el punto de vista de alimentación de los reactores
biológicos, realizar los alimentación de los reactores biológicos y seleccionar un
sistema adecuado de tapas y un diseño geométrico final del columpio para la
derivación de las aguas residuales hacia los reactores biológicos. El modelo del
CRTC de que se ha venido hablando cuenta con una sección rectangular de 0.25
m por 0.25 m con una longitud total de 7.5 m. Consta de dos canales de rápidas
con tapa y columpio, con una pendiente de 60 grados y tiene adosado en su
extremo inferior, para otros estudios, un canal, con cálculos y análisis del
comportamiento hidráulico de la estructura y su efecto respecto a la pantallas
deflectoras (CPD) de pendiente variable.
En modelación hidráulica de canales, los resultados que se obtienen en el estudio
en el modelo se transfieren a la escala de cualquier prototipo (de dimensiones
mayores que las del modelo) con base en las leyes de similitud y en particular
con base en la ley de Froude.
57
Para la realización de este trabajo se escogió la primera rápida con su columpio
puesto que era allí donde el agua aún no llevaba aireación y permitía por lo tanto
realizar los ensayos con mayor exactitud; además, en el columpio se generaba
cierta aireación en el agua que ocasionaba, en general, una condición de trabajo
(flujo aireado) en la segunda rápida, la cual no era consistente con los propósitos
del estudio (conocer cómo se aireaba el flujo con el cambio de la rugosidad).
Se tomaron como variables de estudio cuatro tipos de rugosidades:
Tabla 1. Diferentes rugosidades modeladas y estudiadas.
RUGOSIDAD
DIÁMETRO (cm)
MATERIAL
1
2,5
Goma
2
3,5
Plástico
3
6,5
Plástico
4
25
Tela Lija
Después de buscar posibles distribuciones para los elementos que simulaban la
rugosidad (pelotas de goma, plástico y tela de lija), se optó por colocarlas en la
forma que se muestra a continuación (Figura 1):
58
Figura 1. Distribución de distintas rugosidades sobre la rápida.
Distribución de las pelotas
Distribución de las pelotas
con diámetro 2.5 cm
con diámetro 3.5 cm
59
Distribución de las pelotas
con diámetro 6.5 cm.
Distribución de la tela lija
60
3. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES EN CUANTO AL ESTUDIO
DE RUGOSIDAD
Después de la realización e interpretación de resultados de esta fase del trabajo
investigativo en relación con las salpicaduras que generan las distintas
rugosidades ensayadas, las velocidades de flujo a lo largo de la rápida, el efecto
de las distintas rugosidades sobre el proceso de aireación, especialmente el
incremento del espesor de la lámina de agua y el incremento del caudal total por
atrape de aire, se obtuvo como resultado final que la rugosidad modelada con
esferas de goma con diámetro 2.5 cm. (las cuales se calculan en su diámetro para
cualquier prototipo según la Ley de Froude, como ya se dijo, y se reemplazan por
piedras redondeadas de ese mismo diámetro que se incrustan en el concreto del
fondo de la rápida) son las que mejor se ajustan a los requerimientos buscados a
lo largo de los ensayos, debido a que presentan la máxima aireación posible en
comparación con las otras rugosidades modeladas, sin afectar notoriamente la
capacidad hidráulica de la estructura.
61
4. DISEÑO DEL SISTEMA DE DERIVACIÓN DEL CRTC HACIA LOS
BIORREACTORES (O REACTORES BIOLÓGICOS)
4.1 DISEÑOS ESTUDIADOS EN EL MODELO
En esta fase de la investigación se evaluaron diferentes diseños del sistema de
derivación del caudal de aguas residuales hacia el reactor biológico, con el
objetivo de encontrar el óptimo que cumpliera con los parámetros del reactor. La
Figura No. 1 muestra el columpio sobre el cual se realizaron los ensayos, sin
modificaciones:
Fotografía 1. Vista general del columpio, tapas y deflector.
A continuación, se muestran los diseños evaluados:
4.2 DISEÑO A:
Se diseñó y construyó una abertura transversal en el centro del columpio por la
cual se pudiera abastecer el reactor biológico.
Se hizo una abertura transversal en el centro del columpio, con una dimensión de
25 cm. de largo por 1.5 cm. de ancho, como se muestra en las Figuras 2 y 3:
62
Figura 2. Abertura en el fondo del canal.
Figura 3. Vista tridimensional del canal con abertura en el centro del
columpio.
Este diseño se descartó por la dificultad que presentaría en la fase de
construcción, debido a que se tendría que diseñar y construir un tanque en la parte
inferior del columpio, que dejaría a la base de éste en voladizo, lo cual genera
dificultad en la construcción y posterior retiro de la formaleta en el interior del
tanque.
4.3 DISEÑO B:
Se diseñó y construyó una estructura de derivación (caja) en el fondo del
columpio, por la facilidad en la construcción.
63
Se cortó el columpio por la mitad y se desplazó 30 cm. horizontalmente, con toda
la estructura; en el espacio que quedó se colocaron paredes laterales y en el
fondo del canal se diseñó una estructura de derivación con una profundidad de 5
cm. por 30 cm. de ancho, como se muestra en las siguientes Figuras No. 4 y 5.
Figura 4. Detalle estructura de derivación. Diseño B.
Figura 5. Perspectiva del canal con la estructura de derivación. Diseño B.
Durante la operación del modelo con este diseño, se observó que la abertura
lateral era demasiado grande, lo cual ocasionaba que el caudal de ingreso al
reactor biológico fuese bastante mayor al esperado, lo que no garantizaba el
funcionamiento óptimo del reactor.
64
4.4 DISEÑO C:
Se diseñó y construyó una abertura en la pared del fondo del columpio con el
área apropiada para abastecer
el caudal necesario a tratar en el reactor
biológico.
En este diseño C se recuperó el nivel del fondo del columpio y en la pared lateral
del canal se realizó una abertura de 1 cm. de ancho por 30 cm. del largo, como se
muestra en las Figuras 6, 7 y 8.
Figura 6. Detalle tridimensional de la ranura del fondo. Diseño C.
Figura 7. Vista frontal de la ranura de derivación del caudal de aguas
servidas. Diseño C.
65
Figura 8. Derivación lateral con una ranura de 1 cm. Diseño C.
Esta abertura permitió regular el caudal de ingreso al reactor biológico, estimado
por el equipo diseñador del reactor para las dimensiones estándar del mismo en
0,5 l/s. aproximadamente, pero la dificultad que presentaba era la reducida altura,
la cual ocasionaría una obstrucción debido a que el agua circulante lleva gran
cantidad de sólidos en suspensión.
4.5 DISEÑO D:
Para optimizar el diseño de la abertura se optó por el diseño de una nueva
abertura en la pared del columpio con igual área que la anterior pero ahora
conformada como una rejilla, con la cual se evitan obstrucciones, debido a que la
sección hidráulica necesaria es muy pequeña.
En la estructura anterior se prescindió de la estructura de derivación en la parte
inferior del columpio, se construyó una rejilla con un ancho entre barras (orificio de
salida) de 4 cm. y una altura de 3 cm. como se muestra en las Figuras 9, 10 y 11.
66
Figura 9. Columpio con rejilla en sus paredes como estructura de derivación.
Diseño D.
Figura10. Plano frontal de la rejilla (dimensiones en cm).
Figura 11. Perspectiva del canal con rejilla. Diseño D.
67
5. DISEÑO ESCOGIDO DE LA ESTRUCTURA DE DERIVACIÓN.
Se escogió este último diseño D, debido a que:
ƒ
Brindó buena respuesta hidráulica cuando fue puesto en operación.
ƒ
Al contarse con una abertura más grande se redujo el riesgo de obstrucciones.
ƒ
Se pudo regular el caudal con facilidad, para que sólo se tomara el caudal que
debía ser tratado.
ƒ
La ubicación de la rejilla en el CRTC facilita la construcción del tanque de
aquietamiento del caudal para entregarlo al reactor biológico.
Cabe aclarar que se plantearon otros diseños, pero desde los esquemas de los
mismos se pudo ver claramente, sin necesidad de probarlos, que el diseño D
resultaba evidentemente más eficiente.
Debe anotarse, además, que el caudal derivado en el diseño D, escogido, es el
doble del de diseño de un reactor de 30 cm. de ancho, y debió estudiarse así en el
modelo pues éste no admitía derivación en ambos lados. De manera que, cuando
se construya un prototipo del CRTC con reactores biológicos, debe hacerse la
derivación en ambos lados del columpio y por lo tanto construir reactores a lado y
lado del mismo.
Después de la estructura de derivación, se diseñó y construyó un tanque de
aquietamiento, el cual tenía como función disminuir la velocidad del agua que
salía de dicha estructura, para su posterior entrega como una corriente mansa y
un caudal regulado al reactor biológico. Este tanque tiene unas dimensiones de 60
cm. de largo, 30 cm. de ancho y 60 cm. de altura, además de un tabique interior
(que fuerza al flujo a pasar por debajo de él) de dimensiones 30 cm. ancho y 40
cm. de altura (Ver Figura 12).
68
Figura 12. Plano tridimensional del tanque de aquietamiento (dimensiones en
cm).
69
6. CÁLCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO PARA LA ESTRUCTURA DE
DERIVACIÓN
El caudal de diseño del CRTC está dado por el diseñador de esta estructura en
función de sus dimensiones; en particular, del ancho a del canal. Con base, pues,
en las dimensiones del modelo se determinó ese caudal de diseño (48 l/s). De allí
se calculó, a partir del modelo lluvia – escorrentía conocido como el Método
Racional, el área aferente en una hipotética zona urbana de un municipio de
Caldas (se tomó a Marquetalia como ejemplo) que generaría ese caudal de
escorrentía de aguas lluvias para un período de retorno de 50 años (escogido en
función del período de retorno de diseño del CRTC), para luego calcular el número
de viviendas que cabrían en esa área y el caudal de aguas residuales domésticas
de los habitantes de esas viviendas. Al respecto, el Reglamento Técnico del
Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS -2000, en su Titulo D,
Capitulo D 3, Tabla D.3.1 (Coeficiente de retorno de aguas servidas domésticas),
recomienda que se tome el 80% del consumo de agua potable (consumo máximo
horario). El caudal que entra entonces a la estructura de derivación es de 1,16 l/s.
El diseño se realizó utilizando un caudal máximo horario de consumo de agua
potable, lo cual genera un caudal de agua residual mayor en la hora de mayor
consumo de agua en un día. El diseño de la estructura de derivación garantiza
que el reactor biológico recibirá este máximo caudal por duración de una hora, y el
tiempo restante del día la rejilla funcionará sobre diseñada, lo cual garantiza que
los caudales menores entren al tanque de aquietamiento en su totalidad.
70
7. CAUDALES DE OPERACIÓN.
Para asegurar que el caudal de aguas residuales calculado pasara en su totalidad
por la estructura de derivación, se empleó el caudal calculado como un caudal de
operación del modelo y se controló que en el columpio, donde se construyó la
rejilla, entrara ese caudal en el tanque de aquietamiento de la lámina de agua.
Tabla 2. Caudales de operación.
CAUDAL
Nº
Hi
(cm)
CAUDAL ( l/s)
1
2
1,16
2
3,3
2,49
3
3,6
2,83
5
4,8
4,36
6
7,05
7,77
7
10,55
14,22
8
14,05
21,86
9
17,55
30,51
71
8. RELACIÓN ENTRE LA POBLACIÓN A BENEFICIAR, EL NÚMERO
DE BIORREACTORES Y LAS DIMENSIONES DEL CRTC A
CONSTRUIR
En la Tabla 3 se encuentran tabulados los caudales de alimentación de los
reactores biológicos, dependiendo de la población, y por lo tanto el número de
reactores que se debe utilizar, en función de la capacidad hidráulica de los
biorreactores (Ver Fase 2 de esta investigación), para tratar el caudal de aguas
residuales generado, así como el área aferente, el caudal de aguas lluvias, y las
dimensiones del CRTC que evacuará esas aguas lluvias que escurren por esa
área aferente, expresadas en función del ancho a del canal, a partir de la cual se
diseña éste.
Tabla 3. Población en función de los reactores biológicos.
No.
Bio
Reactores
Unidad
Q
Q
Q
Q
Agua
Máx.
Máx.
Medio
residual horario diario
diario
tico
l/s
l/s
l/s
l/s
l/s
Q
Domés Población
Área
Nº
m2
Personas
Q Agua
Lluvia
m3/s
l/s
Ancho
del
CRTC
cm
3202.
2
1.16
1.45
0.91
0.70
0.40
229
3
0.05 48.20 0.25
7660.
4
2.08
2.60
1.63
1.25
0.95
547
8
6
3.24
4.05
2.53
1.95
1.65
949
13282 0.20 199.9 0.45
8
5.24
6.55
4.09
3.15
2.85
1641
22974 0.35 345.8 0.55
72
0.12 115.3 0.35
9. ANÁLISIS DE RESULTADOS. DISEÑO DEL SISTEMA DE
DERIVACIÓN DE AGUAS RESIDUALES DEL CRTC AL REACTOR
BIOLÓGICO
La derivación se diseñó lateralmente debido a la ubicación de los reactores en las
terrazas de los taludes, por determinación de los diseñadores (manejo adecuado y
práctico del espacio disponible para ello).
La estructura se colocó horizontalmente para no influenciar en el comportamiento
hidráulico del columpio.
Debido a las condiciones físicas del modelo de CRTC, se optó por una derivación
lateral en un solo lado del canal. Si se usaran los dos lados, el caudal residual para
el cual sea diseñado el CRTC como obra de descole se repartiría por igual en
ambas estructuras de derivación (una rejilla en cada pared del columpio).
A medida que se aumenta el caudal de operación del CRTC (como estructura de
vertimiento de aguas de escorrentía), se produce una disminución del caudal de
entrada en la estructura de derivación, producido por un aumento en la velocidad
del agua en el fondo del columpio; estos aumentos de caudal se deben a la
recolección de aguas de escorrentía superficial, las cuales, al mezclarse con las
aguas servidas, producen una disminución de la carga contaminante, no siendo
necesario tratar el total del caudal de diseño (aguas residuales domésticas).
Para garantizar el caudal requerido por el reactor biológico se diseñó un área de
abertura que permite la entrada de este caudal y, en condiciones desfavorables
(grandes caudales aportados por las lluvias), permite que el resto (la mayoría)
continúe su curso a través del CRTC.
73
Se recomienda colocar una estructura de rebose (cuneta, cañuela o tubo) en la
parte superior del tanque de aquietamiento, de manera que los excesos de caudal
que entren al tanque de aquietamiento sean devueltos al CRTC, para evitar que se
desborde agua en la ladera cuando se presenten condiciones que propicien ese
exceso (por ejemplo, cuando esté entrando al CRTC un caudal importante de
aguas lluvias, o cuando en condiciones esporádicas el caudal de aguas residuales
sea ligeramente mayor que el de diseño del humedal).
Al aumentar el caudal de operación del modelo de CRTC se encontró que la
velocidad con que el agua entraba en la estructura de derivación era muy alta, y
uno de los éxitos del buen funcionamiento del reactor biológico es que el caudal se
comporte como una corriente mansa; por ello, fue necesario diseñar una estructura
de disipación de energía. Lo anterior se logró con una pared al frente de la rejilla
(tabique interior), en el tanque de aquietamiento.
74
10. CONCLUSIONES FINALES Y RECOMENDACIONES EN CUANTO
AL DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE DERIVACIÓN DEL CRTC
HACIA LOS BIORREACTORES
La investigación se orientó al tratamiento de aguas residuales de núcleos urbanos
en regiones andinas de media y alta montaña.
En ella se evaluaron varias alternativas para la derivación del caudal del canal
hacia el reactor biológico, teniendo en cuenta los parámetros de diseño
geométrico, facilidad en la construcción, costos, espacio en el modelo, eficiencia,
pérdidas, facilidad de medición de caudal y las posibles obstrucciones causadas
por las aguas residuales.
A partir de lo anterior, se concluyó que el Diseño D era el más apropiado, debido a
su buen comportamiento en los ensayos y los buenos resultados. Este diseño
permitió un buen manejo de las aguas residuales y una buena conducción hacia el
reactor biológico.
La importancia de esta investigación radica, entonces, en el ofrecimiento de una
alternativa tecnológica para el tratamiento primario y secundario de aguas
residuales domésticas distinta a la de las costosas plantas de tratamiento de
aguas residuales, en el valor agregado que se le da a una estructura de
vertimiento de aguas (diseñada en la Universidad) usada hace ya muchos años en
la región y el país como es el Canal de Rápidas con Tapa y Columpio (CRTC) y,
en general, en el aporte interdisciplinario que se hace por esta vía a la protección
del medio ambiente y el patrimonio hídrico nacional.
75
Fotografía 2. Modelo a escala reducida del CRTC y del humedal.
Fotografía 3. Modelo a escala reducida del CRTC y del humedal.
76
11. BIBLIOGRAFÍA.
ƒ
Evaluación técnica de alternativas tecnológicas para el tratamiento de aguas
residuales en zonas de alta montaña, mediante una investigación en dos fases.
Informe Final de investigación. Universidad Nacional de Colombia sede
Manizales – CORPOCALDAS. Octubre de 2006.
ƒ
MEJÍA F., Fernando. Disipadores de energía para pendientes fuertes. Estudio
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Bogotá.1980.
ƒ
GONZÁLEZ B, Claudia y GONZÁLEZ B, Jackelline. Estructuras de vertimiento
para el control de la erosión y el manejo de aguas en laderas de fuerte
pendiente. Estudio en modelos hidráulicos. Fase 4. Trabajo de Grado,
Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. 2003.
ƒ
POTES, Álvaro. Estudio del incremento de la rugosidad en el fondo del canal
de rápidas con tapa y columpio en la variación del flujo y de su comportamiento
como alimentador de reactores biológicos para el tratamiento de aguas
residuales. Trabajo de Grado, Ingeniería Civil, Universidad Nacional de
Colombia Sede Manizales. 2005.
ƒ
Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico RAS 2000.
ƒ
BUSTAMANTE, Juan Fernando y OSORIO MEJIA, Jorge Iván. Estudios
hidrológicos de Caldas, Revisión, Actualización de las curvas de IntensidadDuración-Frecuencia. PAREJA. Trabajo de Grado, Universidad Nacional de
Colombia Sede Manizales, Facultad de Ingeniería y Arquitectura. 1997.
ƒ
LOPEZ CUALLA, Ricardo Alfredo. Diseño de Acueducto y Alcantarillado.
Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería, 2002.
ƒ
Manual para el control de la erosión. CORPOCALDAS- INVIAS. EDITAR S. A.
1998.
ƒ
EPA (U.S. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY) Manual, constructed
wetlands treatment of municipal wastewaters. September 2000.
77
APÉNDICE II
OTROS POSIBLES USOS DEL CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO:
REBOSADEROS DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (R.R.T.C.) 10
RESUMEN
Los rebosaderos de grandes presas en proyectos de aprovechamiento hidráulico
se han caracterizado en el mundo contemporáneo por ser básicamente de dos
tipos: de rápida lisa con salto de esquí y escalonados, con gran énfasis en los del
primer tipo.
Tal es el caso, por ejemplo, del rebosadero del proyecto hidroeléctrico Miel I que
hace relativamente poco entró en operación y cuyos estudios en modelos
hidráulicos (integrales y segmentados) se realizaron en el Laboratorio de
Hidráulica de la Universidad Nacional de Colombia – Sede Manizales. Uno de
esos modelos (integral, escala 1:50) se ha mantenido vigente en el laboratorio con
fines didáctico-académicos.
Como la esencia de la investigación universitaria es la de atreverse a plantear
interrogantes que cambien paradigmas, se resolvió aprovechar el mencionado
modelo para investigar sobre él una alternativa “criolla” de rebosadero, a partir del
diseño de una estructura de vertimiento de aguas desarrollada en esta misma
universidad y denominada Canal de Rápida con Tapa y Columpio (CRTC).
10
Ponencia presentada y publicada en las memorias del XVI SEMINARIO NACIONAL DE HIDRÁULICA E
HIDROLOGÍA. Octubre 29 a 31 de 2004. Armenia, Quindío.
78
1. CARACTERÍSTICAS DEL CANAL DE RÁPIDAS CON TAPA Y
COLUMPIO (CRTC).
Por la necesidad de utilizar canales de máxima pendiente en taludes empinados,
se vuelve preciso desarrollar una solución adecuada que mejore ostensiblemente
los resultados obtenidos con los canales de disipación normalmente utilizados, los
cuales no tendrían buen funcionamiento bajo tales circunstancias. Los Canales de
Rápida con Tapa y Columpio (CRTC) son el complemento de los Canales de
Pantallas Deflectoras (CPD), ya que su uso es empleado en laderas cuya
pendiente es mayor al 50%. Se le ha dado una función al CRTC en la
estabilización de laderas, que es recibir las aguas de los CPD o entregarlas a ellos
cuando la pendiente se suavice. De esta manera y con las combinaciones
necesarias entre los CPD y los CRTC, se pueden cubrir todas las pendientes en
las laderas de nuestra región. Debido a que las pendientes suelen ser
prolongadas, la longitud y la pendiente influyen de manera directa en la velocidad
y con esto en el poder erosivo de las aguas. Una forma de disminuir la energía del
agua, es acortando la longitud de la pendiente por medio de terrazas, zanjas,
cunetas, etc. Es importante tener en cuenta que cuando se va a diseñar una
transición entre un CRTC y un CPD, no se pueden producir estrechamientos
bruscos del canal.
El diseño de los CRTC consiste en una serie de rápidas lisas escalonadas, donde
en cada escalonamiento se construye un salto de esquí o columpio, el cual
proyecta la línea del flujo contra una tapa ubicada al inicio de la rápida siguiente
aguas abajo, generando una turbulencia y una aireación, logrando de esta forma,
gracias al impacto con la tapa, la disipación de gran parte de la energía, antes de
repetir el proceso en el módulo siguiente.
79
2. DISEÑO GEOMÉTRICO Y ESTRUCTURAL DEL MODELO.
Debido a la convergencia de las paredes laterales del modelo de Miel I que allí
existía, y según su geometría, para realizar el diseño del modelo del RRTC se
decidió tomar como parámetro la altura de las paredes del rebosadero de Miel I
existente (a), el equivalente al ancho y a la altura de paredes del CRTC. De
acuerdo con lo dispuesto se tomó como parámetro de diseño (a) = 5 m. en el
prototipo, y que representan 10 cm. en el modelo correspondientes a la altura de
las paredes laterales. Las pendientes del modelo y de cada uno de los módulos
rápida-columpio se ajustaron a la losa existente que servía como soporte a la
rápida lisa del anterior modelo.
Para empezar a identificar el número de columpios que se podrían incluir dentro
del modelo, se tuvo en cuenta la longitud del canal y la distancia vertical entre
ellos. Debido a esto se optó por disponer de cuatro columpios con sus respectivas
tapas y deflectores, y un último que tendría las características del salto de esquí
que existía del modelo Miel I, lo cual proporcionaría la certeza de una estructura
que permitiera comparaciones acerca de su comportamiento para una u otra
condición de operación, y así mismo capaz de manejar los caudales que fuesen
necesarios para el trabajo. Para respetar estos requerimientos fue imprescindible
el extender el canal por debajo del nivel existente en el que se encontraba el salto
de esquí y así cumplir con lo antes referido.
Teniendo en cuenta el ancho del canal, la convergencia de las paredes laterales y
las pendientes definidas, se procedió al diseño geométrico del canal. Se
consideraron tanto en las rápidas como en las tapas, en los deflectores y en los
columpios, las recomendaciones acerca de las dimensiones estipuladas en el
diseño original, haciéndole las variaciones correspondientes debido a la variable
de diseño escogida, la altura del canal (a), como se explicó anteriormente.
80
Debido al ajuste que se debe hacer en los elementos del modelo para fijarlos a la
losa existente, la pendiente no es fija para cada uno de los módulos, sino por el
contrario las pendientes son variables, aumentando a medida que este se aleja de
la gola.
81
3. CALIBRACIÓN DE LA GOLA.
Para una más cómoda regulación de los caudales de ensayo, se optó por re
calibrar la gola del modelo existente de manera que se tuviera una relación precisa
entre ese caudal y el nivel del agua por encima de la cresta de la gola. Así, cuando
se requería establecer un determinado caudal de ensayo, esto se hacía a través
de la medición de dicho nivel.
Para obtener la ecuación de calibración de la gola, se tuvo en cuenta el vertedero
triangular del laboratorio localizado aguas abajo del rebosadero en estudio, ya que
este vertedero se encuentra calibrado por investigaciones antecedentes a esta. La
ecuación de calibración del vertedero es:
Q (l/s) = 1.0019* Hi 0.36
Hi, (cm.)
Para determinar la altura Hi en cm., se utilizó un limnímetro de aguja el cual se
ubica en el vaso limnimétrico que se encuentra a un lado del canal de acceso del
vertedero triangular. Con este instrumento se mide la altura de agua en el
vertedero triangular; también se tomó la altura del agua en la gola del rebosadero
en estudio, esto con la calibración del tanque de alimentación para que fueran
confiables los caudales que saldrían por la gola hacia el rebosadero.
Con estas alturas Hi, se calcularon los caudales, y realizando un análisis
estadístico se obtuvo una correlación de tipo potencial de la forma:
Q (l/s) = Cd*b* Hi3/2
Q = caudal en l/s
Cd = coeficiente de descarga del rebosadero
b = ancho del rebosadero
82
Hi = altura de la lámina sobre la cresta del rebosadero (cm.).
Finalmente se obtiene la ecuación de calibración para la gola:
Q (l/s) = 2.2* Hi3/2
83
4. INSTRUMENTACIÓN Y CALIBRACIÓN DEL MODELO.
Para la instrumentación del modelo se decidió ubicar los piezómetros teniendo en
cuenta las investigaciones que se han desarrollado acerca de la estructura del
CRTC. La colocación de los piezómetros debía ser en el punto donde se
presentaran las presiones máximas y se decidió ubicarlos a L/3 de distancia en
planta, tanto en las tapas como en los columpios. Para las condiciones iníciales de
ensayo, en el perfil estuvieron ubicados a 2.5 cm. por arriba de la normal para las
tapas, y para los columpios en el fondo de ellos.
En total se instalaron en el modelo 18 piezómetros, distribuidos así: dos
piezómetros por tapa (4 tapas), y dos piezómetros por columpio (5 columpios).
En el momento de realizar pruebas de funcionamiento con agua en el modelo se
tuvieron algunos problemas. Además de las fugas que se presentan por la
construcción, se presentaba pérdida excesiva de agua en el momento que esta
era conducida después de pasar por las tapas ya que los deflectores originales de
diseño solo funcionaban a cabalidad con alturas de tapa de diseño, motivo por el
cual se tuvo la necesidad de variar la longitud de estos a medida que los caudales
que se necesitaran manejar lo requirieran, por lo que se tuvo que alargar la
distancia de los deflectores de 3.5 cm. en el modelo a 10 cm. Cabe anotar que
este aumento de longitudes en el deflector solo fue necesario hacerlo en el
momento de variar las alturas de las tapas.
Para el funcionamiento adecuado del modelo, se resolvió que las tapas deberían
situarse con una altura mayor a la del diseño original; esto se tuvo que realizar
para evitar el ahogamiento del modelo que solo funcionaba para un caudal bajo
(menor de 880 m3/s.) en relación con el máximo operado.
84
Con caudales mayores a este se generaban resaltos tales que rebosaban con
gran facilidad las tapas dispuestas en cada sub-módulo, a excepción del primero;
sumado a esto, la excesiva presión sobre las mismas generaba una vibración que
ponía en riesgo la integridad estructural y constructiva del mismo, por esto se
decidió dejar la primera tapa con la altura original de diseño ya que esta no
presentaba ningún problema para los caudales que se utilizarían para esta
investigación. Se realizaron dos variaciones en la altura de las tapas con el fin de
analizar el comportamiento del modelo, objeto de esta investigación; estas
variaciones se estudian y mencionan en detalle más adelante en este documento.
85
5. OPERACIÓN DEL MODELO. ENSAYOS.
Tomando como punto de partida los objetivos indicados y siguiendo un
procedimiento establecido se inició la etapa de operación del modelo del
Rebosadero de Rápidas con Tapa y Columpio debidamente terminado y calibrado,
del cual se tomaron los datos requeridos para las diferentes variables a estudiar,
con los ensayos respectivos.
Inicialmente la operación se realizó teniendo en cuenta la génesis de diseño, es
decir, la primera etapa con una altura de tapas, medida desde el fondo del
columpio, igual a 15 cm. en el modelo (7.5 m. en prototipo), respetando las
características propias de los CRTC, para analizar el comportamiento de la
simbiosis establecida entre CRTC y rebosaderos de excesos. Esta primera
condición de ensayo está referida dentro de la investigación como altura de diseño
de tapas (Ver Figura 1). Cabe anotar que el modelo de RRTC debe ser ensayado
con los caudales de operación de rebosaderos con un periodo de retorno alto para
identificar su comportamiento con las grandes crecientes.
Los ensayos con las alturas de diseño permitieron evidenciar que el
comportamiento del modelo solo permitía un caudal máximo de 880.35 m3/s, ya
que este caudal excedía la capacidad del último columpio, por esta razón se hizo
imprescindible variar la altura de las tapas de forma tal que la convergencia de las
paredes laterales y la capacidad del último columpio permitieran identificar el
comportamiento de la estructura para las crecientes máximas que se pudieran
presentar. De esta manera se identificó el caudal máximo permisible para el último
columpio. Sumado a esto y con la ayuda de los piezómetros se tomaron las
presiones en columpios y tapas. Además, era de gran ayuda contar con las
velocidades de salida del chorro así como las velocidades a la entrada del
segundo y cuarto columpios; estas velocidades se hallaron con la ayuda del tubo
de Pitot. Para identificar la velocidad media en el modelo se utilizó azul de
86
metileno y un cronómetro, identificando previamente la trayectoria del flujo a lo
largo del rebosadero.
Para poder manejar los caudales que se proponían, fue necesario realizar una
variación en el diseño, ya que las alturas de las tapas ahogaban los columpios, se
presentaban vibraciones excesivas y con esto podría colapsar la estructura.
Por medio de la estructura de soporte de las tapas, se podrían elevar las mismas
de tal forma que con una altura máxima el comportamiento de la estructura
pudiera soportar caudales máximos preestablecidos. La elevación se realizó
desde la tapa cuatro (T-4) hacia la tapa uno (T-1), teniendo en cuenta el
comportamiento del último columpio, ya que este era el más crítico por la
reducción de área que se presenta por la convergencia de las paredes.
Luego de fijar una altura máxima en la tapa cuatro (T-4) y observando que la tapa
uno (T-1) tenía un buen comportamiento para todos los caudales escogidos, se
optó por realizar una variación con la altura de las tapas T-2 y T-3, tal que estas se
localizaran a la altura máxima de la tapa crítica, que para este caso es la cuarta
(T-4). La altura máxima se dispuso de tal manera que el flujo impactara en la tapa
inclinada y no en el deflector, motivo por el cual se restringe la elevación de las
paredes. La localización de las tapas a una altura máxima permitió realizar los
ensayos con los cuatro caudales escogidos y tomar los datos de presiones,
velocidades y trayectoria del chorro a la salida del salto de esquí necesarios para
la investigación; a esta condición de ensayo se denominó primera variación con
altura máxima en tapas (Ver Figura 2).
87
Figura 1 y 2. Variación de la distancia entre columpios y altura de tapa.
Para tener una base sólida a la hora de hacer los análisis de resultados, se realizó
una segunda variación de las alturas de las tapas, tratando de idealizar una línea
recta entre la mayor altura obtenida en la tapa T-4 y la mínima altura en la tapa T1; esta disposición se tuvo presente para observar el comportamiento bajo este
parámetro. La obtención de la alturas para las tapas T-2 y T-3 fue dada al conocer
la diferencia entre la altura de elevación por encima de la altura de diseño en la
tapa T-4 y la altura de diseño de la tapa T-1; esta diferencia se distribuyó en las
tapas T-3 y T-4 de forma que se generara la línea recta entre las cuatro tapas, a
esta condición de ensayo se denominó segunda variación con altura lineal de
tapas (Ver Figura 3).
88
Figura 3. Variación de la distancia entre columpios y altura de tapas.
Una vez dispuesto el modelo con las alturas escogidas se realizó la lectura en los
tableros piezométricos de las variables a estudiar. Para esta variación de tapas, no
se logró alcanzar el caudal máximo establecido ya que el caudal donde la
estructura se rebosaba era de 64.5 l/s, correspondiendo este al tercer caudal de
operación del modelo para un periodo de retorno de 1000 años.
Para cada una de las variaciones que se realizaron en el modelo fue necesario
realizar una adecuación en las paredes laterales, ya que la altura de elevación de
las mismas obligaba a realizarlas; de igual manera, fue necesario aumentar la
altura de los deflectores pues su comportamiento era precario a medida que los
caudales y las alturas de las tapas aumentaban.
89
Para lograr una correcta lectura de las presiones en las tapas fue necesario
cambiar el punto de colocación de los piezómetros debido a la variación de las
alturas de las tapas, puesto que al aumentar la altura el punto de impacto del
chorro en las tapas inclinadas sería diferente.
Es importante aclarar que, debido a la innovación de los RRTC y debido a la no
existencia de datos de otros estudios para tomar como punto de referencia, tanto
como para realizar un paralelo en los análisis de resultados, esta investigación se
convierte en un pilar para estudios posteriores.
90
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
En esta investigación, la restricción auto impuesta para la altura máxima de tapas
sobre el columpio, de 2.15a (la de diseño es 1.5a), solo permitió manejar como
caudal máximo de ensayo 71.7 l/s en el modelo, equivalentes a 1267.49 m3/s en el
prototipo, correspondiente a su vez a un periodo de retorno de 3500 años
aproximadamente (no se tiene un dato preciso pues no se conoce el análisis
probabilístico que los diseñadores de Miel I utilizaron en la serie histórica de
caudales empleada para la estimación de esos períodos de retorno).
En el proceso de re calibración de la gola (teniendo en cuenta que se había
calibrado cuando se hicieron los ensayos para el proyecto de Miel I) se encuentra
una pequeña diferencia en el coeficiente de descarga (Cd), correspondiente al 4%.
Sin embargo, esta diferencia puede considerarse normal dentro de los errores
propios de este tipo de experimento, y no altera sustancialmente los resultados
finales de la investigación.
La velocidad media a la salida del salto de esquí (o sea en el labio de este) es un
parámetro importante porque permite determinar la energía remanente del flujo
después de transitar por el rebosadero, lo que a su vez determinará el poder
erosivo y de socavación del chorro al golpear en el pozo de impacto.
Al respecto, en la gráfica 1 puede observarse que la disposición de las tapas de
los columpios no parece incidir notoriamente en los valores de esta velocidad,
aunque pudiera decirse que ella disminuye ligeramente a medida que se aumenta
la altura de las tapas. La máxima velocidad resulta ser de 24.1 m/s para el caudal
máximo de 1267.49 m3/s.
En cuanto a la presión del agua sobre la tapa 1, se observa un comportamiento
obvio en cuanto a que esta presión se incrementa con el caudal, obteniéndose
91
para el caudal máximo de ensayo (1267.49 m3/s) una presión cercana a 10 m.c.a.
(metros de columna de agua).
En el comportamiento de la presión que el agua ejerce sobre la tapa 2 se
evidencia una gran variación de la presión con la variación de la altura de las
tapas, llegando en algún caso a ser el triple o más para la condición de diseño
(tapa más cercana al columpio) que para la primera variación de tapas (tapa más
lejana al columpio). Esto, que podría esperarse, muestra la bondad de separar las
tapas del columpio.
Para el caudal máximo de ensayo (1267.49 m3/s), el cual solo pudo alcanzarse
con la primera variación en la altura de las tapas, la máxima presión media
alcanzada es de 4.3 m.c.a., bastante menor que la que se tiene en la tapa 1 para
el mismo caudal.
En el comportamiento de la presión que el agua ejerce sobre la tapa 3 se observa
un comportamiento similar al de la tapa 2 aunque la variación de la presión con las
condiciones de ensayo no es tan grande como en ella.
Sin embargo, la presión en la tapa 3 para el caudal máximo de ensayo muestra un
incremento cercano al 25% con respecto a la tapa 2 (5.36 m.c.a.). Esto puede
deberse al efecto que tiene la convergencia de las paredes del rebosadero que
concentran el flujo (la sección recta del canal en el columpio 2 es mayor que la del
columpio 3).
Finalmente, en cuanto a la presión del agua sobre la tapa 4, el análisis para este
caso es similar al de los dos casos anteriores, con la observación, también similar,
de que la presión para el caudal máximo presenta un incremento cercano al 20%
con respecto a la tapa (6.44 m.c.a.), en lo cual también puede influir la
convergencia de las paredes laterales. - En cuanto a la variación de la presión en
92
los columpios 1 a 4 para las tres condiciones de ensayo no se observa nada
extraordinario y tales variaciones pueden considerarse, en general, pequeñas y
poco significativas, aparte de una medición en el columpio 3 cuya calidad se pone
en entredicho.
Así las cosas, las presiones para el caudal máximo (que se considera son las que
intervienen para fines de diseño), fluctúan entre 16 y 19 m.c.a., con un valor
máximo en el columpio 4, como era de esperarse por el efecto de la convergencia
de las paredes, de 18.99 m.c.a.
En el columpio 5, que corresponde al salto de esquí para la proyección del chorro
a la salida del rebosadero, se presenta como notorio el hecho de que la presión,
para un mismo caudal, es en todos los casos menor para la condición de ensayo
número 1 y la máxima presión para esta condición es de 16.06 m.c.a., muy similar
a la que se tiene para los demás columpios.
En los diferentes ensayos se observa en general una tendencia al incremento de
la velocidad por efecto de la convergencia de las paredes laterales del rebosadero.
Sin embargo, se detecta (especialmente para el caudal máximo) un fenómeno
según el cual en el punto de la toma de datos donde el flujo es más aireado y
turbulento (entrada al columpio 4) la velocidad aparece como menor que en un
punto más alto, en donde la sección recta es mayor pero el flujo es menos
turbulento y menos aireado.
Por otra parte, la condición de ensayo no incide de manera notoria en la velocidad
media en cada punto de ensayo para cada caudal.
Del análisis de gráficas se encuentra que:
93
-
La mayor presión se presenta en la tapa 1, la cual por razones de su
comportamiento hidráulico no se tuvo la necesidad de cambiar de posición
para las diferentes condiciones de ensayo.
-
Las presiones tienden a disminuir hacia abajo del rebosadero, a pesar de la
convergencia de las paredes. Pudiera lo anterior tener que ver con la calidad
de la medida (hecha con piezómetros) por la fuerte aireación del flujo.
-
La presión sobre las tapas disminuye notoriamente en la medida en que se
incrementa la altura de las mismas sobre el columpio. Esto, independiente del
caudal de ensayo.
94
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
La realización de los ensayos para tres condiciones diferentes donde la variable
más importante era la altura de las tapas sobre el columpio, permitió –con base en
los resultados- demostrar que la condición más conveniente es la de colocar las
tapas sobre los columpios a 2.15a (a excepción de la primera porque no se vio
necesario en cuanto a que no mejoraba su comportamiento hidráulico con la sobre
elevación). Esta elevación era la máxima que permitía el diseño, antes de que el
sistema tapa-deflector perdiera su sentido porque el chorro ya no lo golpearía.
Esta demostración se apoya en el hecho de que:
-
La capacidad de descarga del rebosadero es máxima para esa condición.
-
La presión sobre las tapas es mínima para esa condición.
-
La velocidad disminuye ligeramente a medida que se aumenta la altura de las
tapas.
-
Se atenúa el efecto que en el comportamiento del flujo tiene la convergencia de
las paredes laterales.
-
No se tiene una incidencia significativa de las condiciones de ensayo en la
presión del agua sobre el fondo de los columpios, a excepción del salto de
esquí (columpio 5), en el cual la presión es menor para esa condición de
ensayo (altura de tapas 2.15a).
Este diseño, que intercala sistemas de disipación de energía con tramos de rápida
a lo largo del rebosadero, garantiza la auto aireación del flujo y la reducción de
velocidades en los tramos de rápidas y en la salida del salto de esquí, de tal forma
que atenúa de manera sustancial el riesgo de cavitación y elimina la necesidad de
estructuras de aireación como las que se acostumbran en los rebosaderos de
rápida lisa y salto de esquí, y como la que en particular incluye la del rebosadero
del proyecto Miel I.
95
Si se desprecian pérdidas por fricción a lo largo del rebosadero y se considera que
toda la energía potencial contenida en el flujo entre el nivel del embalse y el labio
del salto de esquí, se transforma en energía cinética, y si se tiene en cuenta la
energía cinética remanente del flujo a la salida del salto de esquí en función de la
velocidad media medida allí para el caudal máximo de ensayos (24.14 m/s
prototipo), se tendría que la pérdida relativa de energía que se genera en este
rebosadero de RRTC es de:
- Pérdida relativa de energía (%) = ((E1 – E2) / E1) * 100 Siendo, E1 = 143.6 m
(diferencia de nivel entre el embalse y la superficie del flujo a la salida del salto de
esquí, escala de prototipo). E2 = (Vmax2)/ 2g = (24.14)2 / 2g = 29.73 m Luego,
pérdida relativa de energía = 79 %
La pérdida relativa de energía (79%), y por ende la eficiencia de la estructura en la
disipación de energía a lo largo de ella, garantizan la proyección del chorro desde
el salto de esquí con una energía remanente tal que, la que no se disipa por
fricción con el aire en su trayectoria parabólica, termina disipándose en un pozo de
impacto que resultará de poco tamaño y profundidad en comparación con el que
se tendrá en rebosaderos de rápida lisa y salto de esquí y en particular el que se
tendrá en el proyecto Miel I, con las implicaciones ambientales que esto conlleva.
Los registros que se tienen sobre presiones en las tapas y en los fondos de los
columpios, sumados a la geometría claramente definida en la investigación del
sistema tapa-columpio-deflector, se constituyen en información importante para el
diseño estructural de este tipo de rebosaderos.
El propósito de hacer una simbiosis entre una estructura de vertimiento de aguas
en laderas de fuerte pendiente, desarrollada a través de investigaciones locales, y
un rebosadero de presa, se logra con satisfacción, con seguridad y con creces, y
si bien no se constituye de manera inmediata en una alternativa de diseño para
96
consultores internacionales, sienta las bases para esto en un futuro, después de
nuevas y más exhaustivas y detalladas investigaciones.
El buen funcionamiento de los CANALES DE RÁPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO
queda en evidencia al ser utilizados para cumplir una función para la cual no
fueron desarrollados inicialmente entrando así a la gama de estructuras
alternativas, y se establece su gran capacidad de conducción y disipación a pesar
de que los rebosaderos son estructuras de gran envergadura.
Se recomienda estudiar este tipo de estructuras sobre modelos existentes de otros
rebosaderos diferentes a Miel I, en donde se involucren nuevas variables de
ensayo, por ejemplo nuevos caudales de diseño, nuevas distancias entre
columpios, paredes laterales no convergentes, distintas alturas de presas, distintas
pendientes, distintos ángulos de salida del deflector, etc.
Figura 4. Esquema general del rebosadero. Perfil.
97
Fotografía 1. Modelo hidráulico del RRTC en operación.
98
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99