OBRAS ESPECIALES PARA DISIPACION DE ENERGIA EN

OBRAS ESPECIALES PARA
DISIPACION DE ENERGIA EN
CAMBIOS BRUSCOS DE NIVEL EN
SISTEMAS DE ALCANTARILLADO
Marco Castro D., Prof. Dr.-Ing. Civil
Ximena Hidalgo B., M. Sc., Ing. Civil
Rafael Poveda F., Ing. Civil
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DEL AGUA
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Quito - Ecuador
SISTEMAS DE ALCANTARILLADO
• Una de las características físicas más
frecuentes de sistemas de alcantarillado en
ciudades con topografía accidentada son las
pendientes superiores al 10%.
Para
mantener velocidades admisibles de flujo en
los colectores se requiere que las pendientes
longitudinales de éstos sean menores que las
pendientes del terreno.
• En
consecuencia,
se
deben
ubicar
estructuras de caída, en donde debe
disiparse la energía potencial debida al
desnivel.
Alternativas de la solución técnica para
salvar un desnivel
Para salvar el desnivel
entre los colectores A
y B existen tres
alternativas:
• pozo de caída libre,
• canal o túnel de fuerte
pendiente con sección
parcialmente llena; y
• estructuras
de
disipación especiales:
descargador a vórtice
o pozo de bandejas.
A
Q
∆H
Q
B
Estructuras especiales: Descargador a
vórtice
Tipo 1: Uniòn tangencial de dos colectores al mismo nivel
Q
Q
Las
estructuras
especiales
deben
garantizar la solución
al problema planteado,
cumpliendo con la
descarga del caudal
de
diseño
y
la
disipación de energía
entre el nivel superior
de entrada y el inferior
de salida
Tipo 2: Uniòn de dos colectores paralelos a diferente altura
Q
Q
Q
Tipo 3: Uniòn de dos colectores desde diferente nivel
Q
Q
Q
Tipo 4: Uniòn de dos colectores con direcciones opuestas
Q
Q
Q
Estructuras especiales
Requerimientos de la obra:
(a) conducción apropiada: flujo con material sólido – amplia
gama de caudales de operación (seco – alta carga de material
sólido):
Ø no generar embalsamiento en el flujo de aproximación
Ø poca perturbación aguas abajo de la unión de caudales y en el flujo
de entrega al colector inferior
Ø ninguna sedimentación de material o lodo en el interior de la estructura
Ø no generar obstrucción del flujo
Ø abrasión mínima
Ø poco ruido durante la operación
Ø ningún olor o mal aspecto del interior de la estructura
Ø circulación permanente y adecuada del aire en el interior
Ø flujo continuo, tranquilo y homogéneo hacia aguas abajo
Ø ningún daño catastrófico por sobrecarga temporal o imprevista
Estructuras especiales
Requerimientos de la obra:
(b) facilidad constructiva
(c) facilidad para las operaciones de mantenimiento y de
reparación
(d) económicamente rentable y justificable, incluyendo los
costos de operación y de mantenimiento
El drenaje de centros urbanos requiere por lo tanto, el
conocimiento y manejo de criterios de diseño de estructuras
especiales de disipación de energía, cuyo uso es cada vez más
frecuente en zonas serranas o pedemontanas.
Disipadores a vórtice
Ø El flujo de aproximación se
convierte en un flujo rotacional por
medio de la cámara de entrada.
Ø El flujo de caída en el conducto
vertical es de tipo helicoidal, que
desciende apegado a la pared
interna
Ø Se forma un núcleo central de aire,
cuya presencia es muy importante
para garantizar la estabilidad del
movimiento.
Ø La energía es continuamente
disipada por efecto del cambio de
dirección inicial y por la fricción en
las paredes curvas internas.
Ø Luego del descenso, una porción
pequeña de la energía cinética
inicial (aprox. 15%) permanece
para ser disipada al pie del pozo
vertical en la cámara de disipación.
Disipadores a vórtice: Aproximación subcrítica
PLANTA
VISTA LATERAL
R
Q
∆h
R
∆R
S
Q
PARED
DIRECTRIZ
B
d
CANAL DE
APROXIMACION
CAMARA DE
ENTRADA
R
Disipadores a vórtice: Aproximación subcrítica
Disipadores a vórtice: Aproximación subcrítica
Disipadores a vórtice: Aproximación subcrítica
Disipadores a vórtice: Aproximación
supercrítica
VISTA LATERAL
PLANTA
Q
S
HMAX
R
R
Q
B
d
R
CANALDE
APROXIMACION
CAMARA DE
ENTRADA
APLICACIÓN DEL DESCARGADOR A
VORTICE – flujo de aproximación
subcrítico
Ø ∆H = 13 m
Ø Ancho
del
canal
de
aproximación b = 4.3 m,
Altura h = 5 m,
Ø Pendiente del canal de
aproximación I0 = 0.005,
Ø Qd= 60 m 3/s Fr < 1
Ø Cámara de entrada, forma
de caracol; I0 = 0.004, h = 6
m.
Ø Pozo vertical, φ = 4.5 m,
longitud 8 m.
Ø Cámara disipadora: b = 5.8
m, h = 6 m, I0 = 0.04, L =
18m.
Ø Colector de salida: L= 314
m, Dh = 4.03 m, I0 = 0.04.
.
APLICACIÓN DEL DESCARGADOR A
VORTICE – flujo de aproximación
subcrítico
Condiciones para el análisis experimental
• Fuerzas predominantes en el fenómeno:
gravedad y viscosidad
• Criterio de similitud:
Froude λ NATURALEZA = λ MODELO
• Escala seleccionada: 1:18
APLICACIÓN DEL DESCARGADOR A
VORTICE – flujo de aproximación subcrítico
Resultados del análisis
experimental
• Hasta un 86 % de
disipación de energía
(Q máximos)
• El
flujo
permanece
adherido a la pared interior
del pozo en toda su
longitud para la gama de
caudales de operación
APLICACIÓN DEL DESCARGADOR A
VORTICE – flujo de aproximación
subcrítico
Resultados
experimental
•
•
•
del
análisis
La presión en las paredes del
pozo vertical es prácticamente
nula
Se requiere de un ducto
adicional de ventilación para
extraer el aire introducido por
los caudales máximos en la
cámara al pie
Flujo estable a la salida de la
cámara, siempre que se controle
el
flujo
con
un
diseño
geométrico
apropiado
del
colector de salida y de la pared
de aguas abajo de la cámara
APLICACIÓN DEL DESCARGADOR A
VORTICE – flujo de aproximación
subcrítico
Características hidráulicas favorables
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
Ø
flujo estable en el movimiento helicoidal
ausencia de presiones negativas en el pozo vertical
flujo silencioso
excelente aireación en el núcleo
disminución y/o eliminación de olores desagradables
energía remanente mínima al pie
flujo controlado y regulado en la salida, al pie del
desnivel
Ø posibilidad de control de la eficiencia en las crecidas
APLICACIÓN DEL DESCARGADOR A
VORTICE – flujo de aproximación
subcrítico
Recomendaciones
Q
VARIANTE
1
Q
VARIANTE
Q
CORTE A-A
CORTE A-A
Q
VARIANTE
Q
PLANTA
A A
• Ductos
ventilación y
3
de
CORTE A-A
Q
PLANTA
A
2
PLANTA
A A
A
• Obras
complementarias
internas
que
permiten
la
separación del aire
y su expulsión
desde la masa de
agua.
Estructuras especiales: Disipador en
bandejas
Hipótesis:
ØEl impacto del flujo de
entrada en la pared vertical
reduciría la energía
(velocidad y presión)
ØLa presencia del dintel
direcciona la corriente con
baja presión hacia las
plataformas inferiores.
ØEl movimiento del agua al
bajar por la cascada se
caracterizaría por un
escurrimiento con superficie
libre entre plataformas
ØSe formarían zonas de
vórtice con aireación del
flujo.
Disipador en bandejas
• No se dispone de información sobre las variaciones
requeridas en la geometría del pozo según sea el flujo de
aproximación subcrítico o supercrítico.
• La presencia de la pantalla de impacto induce a restringir
el uso del disipador en función del valor del número de
Froude del flujo de aproximación.
• Toda la información técnica disponible sobre el uso de
las pantallas de impacto como disipadores de energía, se
refieren al caso en que existe control desde aguas abajo.
• En el disipador de bandejas, la pantalla funciona como
estructura de desvío de la dirección principal de flujo y
pierde importancia como elemento complementario en el
proceso de disipación.
Disipador en bandejas
• Para los caudales
mínimos, (5 % Qd), se
observa que el flujo de
caída no topa la pantalla
vertical de impacto ni la
primera bandeja
horizontal.
• El flujo es de caída libre,
cuya energía deberá ser
disipada en la tercera
bandeja, sin la presencia
de colchón de agua que
amortigüe el impacto del
chorro.
Disipador en bandejas
• Para los caudales medios,
(30 % Qd ;,TR = 5-10 a), se
observa que el flujo choca
contra la pantalla vertical
en el tercio inferior y por
lo tanto su eficiencia por
impacto es muy baja.
• El flujo se desvía
totalmente en el sentido
vertical, se forma una
pantalla líquida que
impacta en la bandeja
horizontal.
Disipador en bandejas
• Esta pantalla reduce la apertura
disponible para que el agua fluya
sobre la bandeja horizontal.
• El flujo se torna bifásico por la gran
introducción de aire que descarga
con fluctuaciones.
• El flujo de descenso entre
bandejas no es aceptable, pues los
chorros impactan aleatoriamente
sobre las paredes de la estructura
cambiando de dirección sin generar
pérdidas de energía significativas
Disipador en bandejas
• La falta de uniformidad del flujo, la
gran cantidad de aire introducido y
las fluctuaciones generadas
conducen a que el flujo de la
emulsión origine el riesgo de
cavitación localizada, altamente
agresiva para las estructuras de
hormigón.
• El funcionamiento hidráulico de la
estructura no es adecuado y se
agravaría con el incremento de
caudal.
Disipador en bandejas
Observaciones sobre el funcionamiento de la
obra en modelos
• Para el rango de caudales ensayados, las hipótesis
sugeridas para recomendar el uso de la
estructura no se cumplen.
• Se recomienda, la revisión de las hipótesis de
dimensionamiento hidráulico del disipador de
bandejas, los criterios de diseño hidráulico y el uso
de la estructura en sistemas de alcantarillado.
• No existe a la fecha, una justificación teórica ni una
validación experimental que permita su cita en el
Plan Maestro de Alcantarillado para el Distrito
Metropolitano de Quito.
Disipador en bandejas
RECOMENDACIONES
Identificación experimental de:
• Características hidráulicas del funcionamiento de la
obra relacionadas con las condiciones del flujo de
aproximación (sub- o supercrítico), para una gama
amplia de caudales de operación
• Ubicación adecuada de las pantallas
• Evaluación cualitativa del riesgo de vibraciones o de
presencia de caudal fluctuante
• Determinar el tipo del flujo de caída desde la primera
plataforma hacia las pantallas inferiores, examinando
si la ventilación es suficiente, tal que no se produzcan
obturaciones o perturbaciones al flujo continuo.
Disipador en bandejas
• Determinar el riesgo de cavitación local en varios
sitios de la obra y su afectación sobre el
hormigón
• Determinar la profundidad mínima o máxima del
pozo
para
garantizar
su
adecuado
funcionamiento.
• Requerimiento de ventilación en toda
profundidad del pozo (instalación de ductos)
• Características del flujo de salida
la
CONCLUSIONES
• Una de las estructuras de disipación que ofrece
ventajas desde el punto de vista hidrodinámico
es la denominada “descargador a vórtice”.
• Sobre la base de experiencias en el laboratorio se
ha demostrado su versatilidad para la solución del
problema de cambios de nivel en un espacio
reducido
con
excelente
eficiencia
en
la
disipación, sin riesgo de cavitación, ni
vibraciones de la estructura.
• Atendiendo al amplio uso que en los últimos años se
ha dado a la estructura denominada “pozo de
bandejas”, por su sencillez en la concepción y
en la implantación, por su geometría simple y
por la facilidad en la construcción, se reportan
los resultados del estudio experimental básico en
modelo, con resultados no muy alentadores en lo
que se refiere a su eficiencia hidráulica.
• A la fecha se continua con la investigación en
modelo hidráulico; sin embargo, debe prevenirse
sobre el uso generalizado de esta obra.
CONCLUSIONES
• La descripción hecha en la base teórica sobre el
fenómeno de flujo de caída en el pozo de bandejas
no representa lo observado en los modelos.
• Finalmente, se quiere resaltar que el uso de la
modelación física para obtener criterios de diseño
hidráulico es vigente.
• Mientras los requerimientos físicos para obtener una
aceptable eficiencia en una estructura hidráulica se
hacen cada vez más exigentes, es asimismo cada vez
más importante el análisis del funcionamiento de la
estructura con la ayuda de su modelo hidráulico.
• La necesidad de la modelación responde a la
dificultad de comprender y sistematizar todas las
características hidrodinámicas de una estructura y
del flujo de agua correspondiente.