Tabla de aforo

-
I
Un caudal dado puede ser regulado por un vertedero estrecho que descarga con
una carga alta o con uno ancho por el que pasa una corriente poco profunda. La
combinación óptima de carga y anchura depende de diversos factores, como son los
siguientes:
1. Del gasto total del vertedero, en m'/s.
2. De la anchura del canal de Ilegada, principal o secundario, en el cas0 de un dispositivo instalado en el mismo cauce, y de la anchura del canal, aguas abajo del vertedero,
cuando éste funciona como una toma.
3. De la profundidad del agua en el canal de entrada, principal o secundario.
4. De la perdida de carga disponible en el vertedero.
5. De limitaciones constructivas, tales como la disposición de las guías, del mecanismo
de elevación de las compuertas y del peso de la compuerta.
6. De si el vertedero se mueve por detrás de una compuerta de fondo o de-un salto
en el canal.
7. De la precisión de medida deseada.
8. Del número de vertederos que se necesitan y del deseo de normalizar sus dimensiones.
En la practica estos factores limitan el valor máximo de HI a 1,OO m. La anchura
del vertedero, b,, varia de 0,30 m hasta 4 m, correspondiendo las mayores anchuras
a los valores mas altos de Hlmax.
Generalmente el diseño se basa en la elección de la altura de carga, Hl, que dará
una precisión razonable y en la subsiguiente elección de la anchura más adecuada
para el caudal del proyecto. La tabla de aforo que se da en el Apartado 6.5 es válida
para la carga energética máxima, Hlmax,
siendo ésta igual a la longitud de la coronación.
El proyectista necesita entonces, solamente, seleccionar la tabla apropiada, que le da
una anchura razonable (ver el Apartado 4.3).
Para un vertedero móvil, que suministra agua a una gran finca o a un grupo de
fíncas pequeñas, generalmente se utiliza un limite superior de H I de, aproximadamente, 0,50 m. Para hacer minima la longitud de la coronación móvil, ésta debe ser,pues,
L = 0,50 m y la anchura del borde redondeado de la parte aguas arriba, de 0,2HI,,,
= 0,lO. Las demás dimensiones de este dispositivo de derivación se muestran en la
Figura 6.10. Con una anchura de b, = 0,30 m, que.es la minima en la practica, el
vertedero de la Figura 6.10 puede medir y regular caudales de entre 5 y 170 litros/s,
siendo sus dimensiones lo suficientemente reducidas como para dar servicio a pequeiías unidades de riego (terciarias).
Con frecuencia, resulta más práctico utilizar una anchura menor que b, = 1,50m,
ya que puede utilizarse un mecanismo de compuertas central para mover el vertedero,
al tiempo que el sistema de guias puede ser relativamente sencillo (ver las Figuras
6.11 y 6.12 o el Apartado 6.6). Si la anchura supera 1,50 m, deberán utilizarse engranajes de elevación a ambos lados del vertedero para evitar que la compuerta se acodale
en las guías.
6.5
Tabla de aforo
El nivel del agua más arriba de una toma móvil permanecerá casi constante, o fluctuará
con el del canal del que se hace la derivación, en función del tipo de dispositivo y
162
volante y eje ocultos
soporte superior/
L 10ox5ox8
m
v)
estacion
de aforo
soporte de
compuerta
LlOOx50x5
I
f
'i
astidor de las guías
orificios para el
pasador de b.loqueo
compuertadefondo
h
.I,
junta
de cierre-
Figura 6 .I O Dimensiones de uso más frecuente de una obra de derivación, con vertedero móvil.
de SU procedimiento de manejo. Por tanto, la profundidad del agua, y,, en el canal
de aproximación, puede variar, mientras que el caudal derivado y, por tanto, h,, son
los mismos. La variación resultante en la velocidad de aproximación, v,, es mayor
si la carga aguas arriba, h,, es grande en relación con la profundidad del agua, y,,
tal como ocurre con el vertedero del tipo adosado en un salto de agua.
La aparición de valores diferentes de v, (y, por tanto, de v12/2g)para el mismo
valor de hl, da lugar a errores algo superiores en la medida del caudal (ver el Apartado
7.4.4). Si el nivel del agua en el canal de abastecimiento continuo oscila más de, aproximadamente, 0,15HI,,,, se deberá utilizar un vertedero de doble compuerta, o bien
una de las alternativas del fondo para un vertedero de compuerta montada en un
salto. En cualquiera de los dos casos debe utilizarse la tabla de aforo del vertedero
de doble compuerta (ver la Figura 6.5). Sin embargo, muchos sistemas de canales
de riego operan de forma que el nivel del agua en los canales principal y secundarios
se mantenga dentro de unos límites estrechos, por medio de dispositivos de control
mbviles. En estas condiciones de manejo, la profundidad del agua, yI, en el canal de
aproximación, permanece bastante constante. AI deducir la tabla de aforo (Tabla 6.1)
se han supuesto estas condiciones y se han utilizado:
Para el tipo de compuerta doble (Figura 6. IO),
y,
2Hl,,, -i-0,05m
(6.1)
163
Tabla 6.1
Tablas de aforo, pare vertederos móviles, en unidades mbtricas
-
-
L
0,50 m
0,3 m < b, < 2.0 m
hl
( m)
( 3 1 s p:r
metro
de anchura)
Con s a l t o
en s o l e r a
hl
( m)
Doble
campuerts
p:r metro
de anchura)
L
1.00 m
1.0 m < b, < 4.0 m
hl
( m)
Con s a l t o Doble
en s o l e r a compuerte
( d / s p9,r metro
de anchura)
Con S a l t o
en e o l e r a
Doble
mmpuerta
0.05
0,018
0,018
0.10
0,052
0,052
0.06
0.07
0,024
0,031
0,07
0,038
0.08
0.09
0.10
0,024
0,031
0,038
0,045
0,053
0,045
0.053
0.09
0.10
0,053
0,030
0,037
0,045
0,052
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0,068
0,087
0,106
0,127
0,149
0.068
0.087
0,106
0,127
0,149
0.11
0.12
0.13
0.14
0.15
0,062
0,070
0,079
0,089
0.099
0,061
0.070
0,079
0,088
0,098
0,11
0.12
0.13
0.14
0.15
0.061
0,069
0,078
0,088
0,097
0,061
0,069
0,078
0,087
0.097
0.22
0.24
0.26
0.28
0,173
0.197
0,223
0,250
0,278
0,172
0,197
0,222
0,249
0,276
0.16
0.17
0.18
0.19
0.20
0.109
0.120
0.131
0,142
0,154
0,108
0,119
0,130
0,141
0,152
0,16
0.17
0.18
0.19
0.20
0,107
0,118
0,129
0,140
0,151
0,107
0,117
0,128
0,139
0,150
0.32
0.34
0.36
0.40
0,307
0,337
0.367
0,400
0,433
0,305
0,334
0,364
0,396
0,428
0.21
0.22
0.23
0.24
0.25
0,166
0.179
0,192
0,205
0,218
0,164
0,176
0,188
0,201
0,214
0.21
0.22
0.23
0.24
0.25
0,163
0,175
0,187
0,200
0.213
0,162
0,174
0,186
0,198
0,211
0.42
0.44
0.46
0.48
0.50
0,467
0,503
0,539
0,576
0,614
0,461
0.495
0,530
0,566
0.602
0.26
0.27
0.28
0.29
0.30
0,232
0,247
0.261
0,277
0,292
0,227
0,241
0.255
0.269
0,283
0.26
0.27
0.28
0.29
0.30
0,226
0,240
0,253
0,268
0.282
0,224
0,237
0.251
0.265
0.279
0.52
0.54
0.56
0.60
0.653
0.694
0,735
0.778
0.821
0,640
0,678
0,717
0.757
0,798
0.31
0.32
0,33
0.34
0.35
0,308
0,324
0,341
0,358
0,376
0.298
0.313
0,328
0,344
0,360
0.31
0.32
0.33
0.34
0,35
0,297
0,312
0,327
0,343
0,359
0,293
0,307
0,322
0.337
0.353
0.62
0.64
0.66
0.68
0.70
0,866
0,912
0.959
1,008
1,057
0,839
0,882
0,925
0,968
1.014
0.36
0.37
0.38
0.39
0.40
0,394
0,413
0.432
0,451
0,471
0.376
0.392
0,409
0.426
0,444
0.36
0.37
0.38
0.39
0,40
0.375
0,391
0,408
0,425
0,443
0,368
0.384
0,400
0,416
0,433
0.72
0.74
0.76
0.78
1,108
1.160
1.214
1,269
1,326
1,060
1,106
1,153
1,202
1,251
0.41
0.42
0.43
0.44
0.45
0.492
0,513
0.535
0,558
0,578
0,461
0,479
0,497
0,516
0.535
0,4Za
0,44
0.46
0.48
0.50
0,479
0,516
0.554
0,594
0.635
0,467
0,501
0.537
0.574
0,611
0,82
0.84
0.86
1.384
1,444
1,505
1,569
1,634
1,301
1,352
1,403
1.456
1.509
0.46
0,47
0.48
0.603
0,554
0,574
0.593
0,52
0.54
0.56
0,677
0,721
0.767
0.814
0.863
0,650
0,689
0,730
0.771
0,814
0.92
0.94
0.96
1,701
1.564
1,619
1.675
0,914
0,967
1,021
1.078
0,857
0,901
0,947
0,993
1,041
0.08
0.58
0.60
0.62
0,64
0,66
0.68
0.70
0,031
0,037
0,045
AH
-
0.13 m
0,11 m
a Cambio en e l incremento d e carga.
0.30
0.38
0.58
0.80
0.88
0.90
1.089
0.72
164
-
~~
L
0.75 m
0.5 m < b, < 3.0 m
0.20 m
0.17 m
0,26 m
0,22 m
Para el tipo de compuerta montada en un salto (Figura 6.5),
y1
1,33H,max
(6.2)
Si el valor de y1 es diferente de los valores anteriores, puede deducirse una tabla de
aforo adecuada ajustando el cambio de la velocidad de aproximación por el método
expuesto en el Apartado 7.4.7, o interpolando entre las cargas tabuladas. Se dan tres
series de tablas: para L = 0,50 m, 0,75 m y 1,OO m. Para reducir al mínimo el tamaño
del vertedero se ha utilizado, como límite superior, Hl/L < 1,O.
Al pie de la Tabla 6.1 se da la pérdida de carga necesaria, AH, en el vertedero móvil.
Estos valores pueden ser utilizados si el vertedero tiene un tramo corto de canal rectangular en SU salida, tal como el del ejemplo de la Figura 6.21. Si se utiliza un canal
de cola más ancho deberán calcularse las pérdidas de carga por el método que se
explica en el Apartado 7.5 o estimarlas en 0,4H,,,, para el cas0 más desfavorable
(ver la Tabla 7.5).
6.6
Disposicion de las guias
Según se mencionó en el Apartado 6.4, la disposición de las guías en los vertederos
con anchura de entre 0,30 y 1,50 m puede ser bastante sencilla; las compuertas, con
sus correspondientes soportes de suspensión y perfiles, se mueven por dentro de estrechas acanaladuras con cierre hidráulico del tipo metal contra metal. Las filtraciones
de agua por los bordes horizontales se impiden utilizando juntas de goma.
El sistema de guías y juntas de cierre terminales, que pueden usarse en el tipo de
vertedero que se muestra en la Figura 6.10, se dan en la Figura 6.1 1. SegÚn se muestra,
los perfiles de las guías van enrasados con los cajeros del canal de aproximación. También las pletinas de elevación, de 8 x 50 mm, encajan perfectamente en las guías de
10 mm de anchura. Por tanto, la anchura del vertedero es la misma que la del canal
de aproximación. La coronación del vertedero se mueve, entre las paredes de hormigón
o fábrica de ladrillo, con una holgura de unos 5 mm, lo que apenas tiene una influencia
apreciable en la exactitud de la medida del caudal.
SegÚn se expusó en el Apartado 6.2.1, el movimiento de las compuertas superior
y de fondo se restringe para reducir al mínimo las pérdidas accidentales o las salidas
furtivas de agua. Para est0 se suelda una pletina de 8 x 60 mm en el ángulo superior
de la compuerta alta. Esta pletina encaja en la guía correspondiente y termina 0,20
m por debajo de la esquina superior del bastidor (la compuerta de fondo está cerrada).
Un pasador de cierricon candado encaja en un orificio (10 x 40 mm) que atraviesa
la estructura, justamente por encima de esta pletina. Si el pasador se retira, la compuerta de fondo puede abrirse 0,20 m, lo cual permite que fluya menos agua a través
de esta abertura que sobre el vertedero, con lo que se evitan despilfarros.
En los verrederos con compuerta de fondo, la compuerta vertical se coloca, generalmente, de forma que aproximadamente la mitad de la coronación del vertedero quede
aguas arriba del plano de la compuerta, con el fin de reducir al mínimo el par de
empuje giratorio sobre esta compuerta, cerca de las guías. Sin embargo, los vertederos
que se mueven detrás de un salto tienen, frecuentemente, la compuerta vertical unida
al borde redondeado que presenta en la parte de aguas arriba SU coronación (ver la
Figura 6.5), de manera que se necesita dar una robustez algo mayor a las guías de
165
Figura 6.13 Sección de un sistema de guias para compuertas de entre 1,SO y 4,OO m de anchura (dimensiones
en milimetros)
de la carga hidráulica máxima, bajo la que tendrá que funcionar, del tipo de canal
en el que se instale (a nivel de finca o a nivel de zona), de la velocidad del desplazamiento de la compuerta y del método de manejo.
Existen en el mercado diversos mecanismos que cubren las necesidades de múltiples
aplicaciones. En el Apartado 6.7.2 se describen algunos dispositivos que pueden utilizarse en vertederos de anchura menor de 1,50 m.
EI mecanismo elevador de la compuerta debe superar un conjunto de fuerzas para
mover cualquier vertedero desplazable. Estas fuerzas incluyen el peso del vertedero
y de la compuerta o compuertas, el peso del soporte y del eje, la resistencia por el
rozamiento debido a la presión hidráulica ejercida contra la compuerta o compuertas
y el peso del agua sobre la coronación del vertedero.
Para determinar la fuerza de elevación necesaria para mover un vertedero se utiliza
la ecuación siguiente:
F
=
fTb,
+ W + pghib,L
(6.3)
en donde:
F = Fuerza elevadora necesaria (N)
f = Coeficiente de rozamiento (adimensional)
b, = Anchura del vertedero (m)
W = Peso del vertedero móvil (y compuertas) más el de las pletinas de sujeción, el
del soporte y el del vástago (N)
g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s’)
p = Densidad del agua (kg/m3)
hl = Carga sobre la coronación del vertedero (m), aproximadamente igual al calado
aguas arriba
T = Superficie del triángulo sombreado o trapezoide de la Figura 6.14 (kg/s2)
168
A
I
todas las compuertas deben elevarse
para el arrastre de sedimentos
B
D
Figura 6.14 Ejemplos de presión hidráulica ejercida sobre vertederos móviles.
En la Figura 6.14 se muestra la presión hidráulica, ejercida sobre las compuertas y
el vertedero, en cuatro posiciones extremas de este Último. La Figura 6.14A, ilustra
la posición para la que F llega a ser máxima con un vertedero de doble compuerta.
Esto se debe a que T = 0,5pgy12y a que todas las compuertas y el vertedero deben
levantarse para facilitar el arrastre de sedimentos. En la Figura 6.14D la fuerza, F,
alcanza un valor maximo para el vertedero de compuerta tras un salto, debido a que
el valor de T 2: 0,4pghI2(para pI = 0,33H,,,,) y a que todos los demás términos
de la Ecuación 6.3 tienen un valor maximo. En la Ecuación 6.3 se utilizan dos coeficientes de rozamiento diferentes. El primer0 es para iniciar el movimiento de las compuertas partiendo de SU posición de cierre, y SU valor, con un criterio conservador, se
ha determinado que puede ser, aproximadamente, f = 0,6. Una vez que la compuerta
se ha levantado un poco, este coeficiente, inicialmente alto, se reduce hasta, aproximadamente, f = 0,3. Estos valores aproximados varian según el tiempo transcurrido
desde la Última apertura de la compuerta, según que ésta se halle mas o menos cubierta
por sedimentos de limo o arena y según que las superficies de contact0 estén bien
lubrificadas o secas.
6.7.2
Tipos de mecanismos para la elevación de compuertas
Una vez determinada la fuerza, F, el paso siguiente es elegir una combinación del
mecanismo de elevación y del correspondiente vástago. Tanto el engranaje con piñón
como el gato de elevación son muy apropiados, cuando las fuerzas a vencer son pequeñas. La ventaja de estos mecanismos de bajo coste es que pueden ser soldados el
uno al otro en la mayoría de los talleres mecánicos.
Mecanismo de piñón y cremallera
Este mecanismo fué desarrollado por Fullerformt (1 977) para disponer de un disposi-
t Los nombres comerciales o de empresas se dan solo para ayudar al lector, sin que ésto signifique una
aprobación o un tratamiento de preferencia hacia la compañía citada o hacia sus productos.
169
VISTA FRONTAL
(dimensiones en mm)
(el perfil frontal L 1O0 x 50 x 6 y la manivela nose ven)
SECCION SOBRE LA MANWELA
: w 1 -
perfil L 150 x 50 x
,orificiade 15 mm
solda
DETALLES DE LA
TERMINACION DE LA MANIVELA
Figura 6 . I5 Mecanismo elevador de piñón y cremallera.
tivo de bajo coste, para el ajuste exacto de compuertas pequeñas. Para un verteder0
de 0,30 m de anchura no se presentarán problemas si se construye de acero de alta
resistencia, con las dimensiones que aparecen en la Figura 6.15. Si la manivela tiene
un radio de longitud 6 veces la del piñón y se le aplica una fuerza manual de 120
N ( N 12 kgf), este mecanismo puede producir una fuerza de elevación, F, de aproximadamente 700 N (68 kgf).
170
VISTA SUPERIOR DEL FRENO
SECCION A-A
VISTA FRONTAL
to de giro alternativo
6.7 o la 6.8
VISTA SUPERIOR DEL BRAZO DE PALANCA(todos los elementos en un solo plano)
2A
(dimensiones en m m )
*-so+
Figura 6.17 Mecanismo elevador de gato.
172
l
Ï
I t-"+"I
I
7
I
diametro
del volante
en m m
250
360
450
610
760
*)
diametro lvueltas del
lfuerza de elevacion,
en N, para un
lel husillo volante para
en m m
A
mover la com- esfuerzo sobre el
puerta 25 mm volante de 120 N
22
29
22
29
29
38
29
38
29
38
2,5
2.5
2,s
2.5
2.5
2.0
23
2.0
2.5
2.0
4300
3400
5800
4800
5800
4300
7250
dimensiones en mm
-
8
C
E
F
-
70
16
80
180
95
70
16
80
180
95
90
29
1 O0
230
120
90
29
1 O0
230
120
90
29
1 O0
230
120
5800
8700
7250
-
1 N = 0,0981Kg fuerza
Figura 6.18 Dimensiones deun volante (adaptado de la ARMCO Steel Corporation, 1977)
Husillo con volante
Para vertederos que se suben y bajan regularmente y requieren una fuerza de elevación
mayor de 750 N (73 kgf) se recomienda el empleo de un husillo con volante. Esto
supone, en la práctica, que deben equiparse con husillo y volante los vertederos que
tienen una longitud de coronación de L = 0,50 m (que son, por lo general, los más
utilizados) y cuya anchura sea mayor que la minima, b, = 0,30 m.
Existen en el mercado muchas clases de volantes manuales con tuercas de elevación,
de hierro fundido o de bronce. Se recomiendan especialmente las tuercas de bronce,
en vez de las de fundición, por SU alta resistencia a la corrosión, SU m i s larga duración
y SU mayor eficiencia.
.
173
como el que se muestra en la Figura 6.8, la carga aguas arriba referida al resalto y,
por tanto, el caudal que fluye sobre el vertedero, permanecen constantes.
6.8
Ejemplo de diseño para la construccion de una obra de
derivacion
Según se explicó en el Capítulo 4, la solera y los cajeros de las obras de medición
pueden construirse de ladrillo, de hormigón armado o con una combinación de ambos
materiales. Como se puede ver en la Figura 6.4, la mamposteria de piedra natural
da buenos resultados. La elección del material de construcción debe basarse tanto
en SU disponibilidad como en la de la mano de obra, pues de ambos depende el coste
de construcción de la obra. Desde el punto de vista hidraulico no existe preferencia
alguna por ningún material de construcción especifico.
El vertedero de coronación móvil es especialmente adecuado para regular y medir
el caudal derivado de un canal de riego principal o secundario. En el ejemplo de la
Figura 6.21 se utilizó hormigón armado, por ser el material de construcción mas corriente. Esta obra aloja un vertedero de tamaño normalizado (L = 0,50 m), situado
en un salto. Sin embargo, si se rebajase la solera del canal de aproximación, podría
instalarse un vertedero con compuerta de fondo.
VISTA FRONTAL
SECCION A-A
Figura 6.20 Detalle del angulo superior del bastidor de un vertedero de doble compuerta (ver la Figura
6. I I).
175
176
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