HPI 10

Según la definición de la Fig. 16.1, ¿qué es exactamente un vertedero?. Una disposición constructiva tipo barrera, azud o presa que vierte agua por encima al sobrepasar cierto nivel, constituyendo una singularidad en canales. Una estructura de control hidráulico tipo compuerta o válvula que regula el caudal por debajo, al abrirse parcialmente en el fondo del canal. Una obra de captación subterránea tipo pozo o dren que extrae agua por debajo del radier, funcionando como una singularidad en tuberías. Un dispositivo de medición tipo Venturi o Parshall que afora el caudal por estrechamiento lateral, sin que el agua llegue a verter nunca.

¿Qué se entiende por cresta, umbral o coronación del vertedero?. La parte más alta de la obra constructiva sobre la cual vierte directamente el agua. La parte más baja de la obra constructiva bajo la cual se filtra el agua, correspondiente a la cimentación profunda. La zona intermedia del paramento de aguas abajo donde impacta la lámina vertiente. La línea de agua del embalse muy aguas arriba donde el nivel ya no sufre depresión.

¿Qué son los paramentos del vertedero?. Las dos paredes o taludes que limitan físicamente la obra, situados aguas arriba y aguas abajo de la misma. Las dos escalas limnimétricas que miden la carga h y la altura a, colocadas a 4h de distancia aguas arriba. Los dos extremos laterales que limitan la longitud b del vertedero, que pueden no coincidir con el ancho L del canal. Las dos líneas de corriente que delimitan la lámina vertiente o napa, separando el agua en movimiento del aire.

Respecto al perfil del vertedero, ¿cuál es la definición correcta?. Es la forma de su sección transversal y en particular la curva en la coronación, que coincide además con la forma natural que toma el agua al verter. Es la anchura en sentido normal al escurrimiento del agua, que puede coincidir o no con el ancho total L del canal o depósito donde se instala. Es la distancia horizontal de 4h donde se debe colocar la escala de medida, para que el efecto de depresión del nivel sea ya despreciable. Es la altura medida desde el radier o fondo propio hasta el paramento de aguas arriba, que define la capacidad de embalse aguas arriba.

La altura de la barrera a del vertedero es: La altura del paramento de aguas arriba medida desde el radier o fondo propio de la obra hasta la coronación. La altura del agua medida sobre la coronación del vertedero, necesaria para que se produzca el vertido. La altura del paramento de aguas abajo medida desde el pie de la obra hasta el nivel del agua en el canal de descarga. La anchura total del canal de aproximación L medida perpendicularmente al flujo, que delimita la zona de agua muerta M.

¿Qué representa la longitud b del vertedero de la Fig. 16.3?. La anchura del vertedero en sentido normal al escurrimiento del agua, que puede o no coincidir con el ancho L del canal o depósito donde se halla. La longitud del canal de aproximación en sentido paralelo al escurrimiento del agua, que siempre debe coincidir con el ancho L del depósito regulador. La altura de la lámina vertiente medida sobre la coronación, que debe medirse a una distancia de 4h para evitar errores por depresión del nivel. La distancia desde el punto de agua muerta M hasta la coronación, que determina la zona donde el escurrimiento no participa del vertido útil.

En la Fig. 16.1, ¿qué es el punto M y la zona que señala?. Una zona de agua muerta ubicada aguas arriba junto al paramento, donde el agua no participa del escurrimiento útil y la sección útil disminuye. Una zona de velocidad máxima ubicada justo sobre la coronación, donde el agua aumenta su calado y se produce un remanso hacia aguas arriba. Una zona de medición óptima ubicada a 3h del vertedero, donde la depresión del nivel es de solo un 3% según el criterio de Forchheimer. Una zona de impacto de la napa ubicada aguas abajo del vertedero, donde la lámina vertiente choca y disipa su energía por resalto hidráulico.

Sobre la carga h del vertedero, ¿dónde y cómo debe medirse correctamente?. Donde sea despreciable el efecto de depresión del nivel por aumento de velocidad; a 4h es despreciable y a 3h es de solo un 3% según Forchheimer. Justo sobre la coronación del vertedero, en el punto de máxima curvatura de la lámina, donde la velocidad es mínima y el teorema de Bernoulli no aplica. En la zona de agua muerta M, a ras del radier, con el cero de la escala enrasado con el fondo del canal para evitar errores de nivelación. Aguas abajo del vertedero, inmediatamente después de la caída de la napa, donde toda la sección del canal vuelve a participar del escurrimiento total.

Para medir h con una escala, ¿qué requisito exige el texto?. Que el cero de la escala esté enrasado con la coronación del vertedero o referido a ella con nivelación de precisión, y colocarla a una distancia 4h. Que el cero de la escala esté enrasado con el radier o fondo del canal, y colocarla justo en la coronación para medir directamente la altura a. Que el cero de la escala esté enrasado con la superficie libre del agua 3h aguas arriba, y colocarla en el punto M de agua muerta del canal. Que el cero de la escala esté enrasado con el paramento de aguas abajo, y colocarla a una distancia L coincidente con el ancho total del depósito.

¿Qué es la lámina vertiente o napa según la Fig. 16.4?. Es el agua misma y la forma que ésta adquiere tal como está vertiendo por encima de la coronación, denominación que también recibe el nombre de napa. Es la obra de hormigón con forma de sección transversal curva que obliga al agua a peraltarse aguas arriba para evitar velocidades excesivas en el canal. Es la escala graduada que mide la carga h del vertedero, cuyo cero debe estar enrasado con la coronación y colocada a una distancia de 4h aguas arriba. Es la zona de agua muerta que no participa del escurrimiento, ubicada en M, donde la sección útil disminuye y el nivel se deprime por Bernoulli.

Según el texto, ¿para qué se usan los vertederos aforadores?. Para calcular y determinar con precisión el caudal que realmente circula por un canal, utilizando la relación entre la carga h y la longitud b medida. Para evacuar de forma segura el agua que viene en crecidas extraordinarias, mediante aliviaderos laterales, presas-vertedero o grandes aliviaderos especiales. Para peraltar o sobreelevar el nivel del agua hacia aguas arriba, evitando de esta forma que se generen velocidades altas y erosiones en el canal. Para retener sedimentos y materiales flotantes que arrastra el agua, evitando que pasen aguas abajo y protegiendo las turbinas de la central.

¿Cuál es la función de los vertederos frontales descrita al final?. Peraltar o sobreelevar el agua hacia aguas arriba del vertedero, con el objetivo principal de evitar que se produzcan velocidades altas en el canal. Evacuar el caudal de crecidas hacia un cauce lateral de emergencia, con el objetivo principal de proteger la presa-vertedero de desbordamientos peligrosos. Medir el caudal circulante con gran exactitud mediante la napa aireada, con el objetivo principal de controlar dotaciones de riego en canales. Disipar la energía de la lámina vertiente en el pie de la presa, con el objetivo principal de evitar la socavación del lecho aguas abajo de la obra.

Según el apartado 16.3 del libro, ¿qué son exactamente los aliviaderos y qué tipologías se citan?. Son vertederos destinados a evacuar el agua que viene en crecidas, pudiendo ser laterales, presas-vertedero, barreras-vertedero y grandes aliviaderos especiales de embalses. Son vertederos destinados a calcular el caudal que circula por un canal, pudiendo ser de pared delgada, de pared gruesa, triangulares y trapeciales según su perfil. Son vertederos destinados a peraltar o sobreelevar el agua hacia aguas arriba, evitando velocidades altas, pudiendo ser frontales, inclinados y de fondo. Son vertederos destinados a medir la carga h donde es despreciable la depresión del nivel, debiendo colocarse a 4h y con el cero enrasado con la coronación.

Según el criterio del espesor del umbral e (ap. 16.2), ¿cómo se clasifican?. Pared delgada cuando e < 3h es pequeño, pared gruesa cuando e ≥ 3h, e intermedia cuando e < 3h pero sin ser delgada, incluyendo perfiles curvos. Pared delgada cuando e es igual o mayor que 3h, pared gruesa cuando e es menor que 3h, e intermedia cuando la coronación es recta y viva. Pared delgada cuando no existe contracción inferior ni lateral, pared gruesa cuando hay contracción completa, e intermedia cuando la contracción es imperfecta. Pared delgada cuando la lámina es libre con aire en zona A, pared gruesa cuando la lámina es adherente sin aire, e intermedia cuando es deprimida.

¿Qué es la contracción inferior en un vertedero según el ap. 16.3?. La contracción que sufre la lámina vertiente en su parte inferior al verter, semejante a la estudiada en orificios. La contracción que sufre la lámina vertiente en sus lados verticales cuando el ancho b es menor que el ancho L del canal. La contracción que sufre la lámina por falta de aire en la zona A, que hace que la presión disminuya y la lámina se pegue al paramento del vertedero. La contracción que sufre la lámina cuando el nivel de aguas abajo es alto y el resalto ocurre al pie, peraltando el nivel de aguas arriba.

¿Qué es la contracción lateral y cuándo se produce?. Se produce cuando el ancho b del vertedero es menor que el ancho L del canal o depósito donde se halla, habiendo contracción en los lados verticales. Se produce cuando el espesor e del umbral es mayor o igual a 3h, habiendo contracción en el fondo del canal por la zona de agua muerta M. Se produce cuando no hay acceso franco de aire en la zona A, disminuyendo la presión por arrastre de aire y desplazando la lámina hacia la pared. Se produce cuando el nivel de aguas abajo supera el límite de influencia, peraltando la carga h para el mismo caudal vertido.

Sobre vertederos con o sin contracción, ¿cuál es la clasificación correcta?. Pueden ser con contracción completa o incompleta según existan los dos tipos o se elimine alguno, sin contracción, o con contracción imperfecta por proximidad a paredes. Pueden ser con contracción libre cuando hay aire en zona A, con contracción deprimida cuando no hay aire franco, o con contracción adherente cuando no hay aire. Pueden ser con contracción delgada cuando e < 0.5h, con contracción gruesa cuando e ≥ 3h, o con contracción intermedia cuando el perfil es curvo continuo. Pueden ser con contracción sumergida bajo rodillo R, con contracción ondulada superficial, o con contracción con influencia desde aguas abajo que peralta h.

Según las aristas de entrada (ap. 16.4), ¿qué diferencia hay?. Vertederos de aristas vivas que provocan contracción, y vertederos de entrada redondeada que eliminan la contracción en el lado redondeado. Vertederos de aristas vivas que eliminan la contracción por curvatura favorable de filetes, y vertederos de entrada redondeada que provocan contracción inferior y lateral. Vertederos de aristas vivas que corresponden a pared gruesa con e ≥ 3h, y vertederos de entrada redondeada que corresponden siempre a pared delgada. Vertederos de aristas vivas que solo funcionan como vertedero libre, y vertederos de entrada redondeada que solo funcionan como vertedero sumergido.

Conceptualmente, ¿por qué el caudal real vertido es mayor que el crítico teórico?. Porque el vertedero es una caída con Bernoulli mínimo o crítico con filetes curvos, no rectos, y la curvatura favorable de los filetes aumenta ligeramente el caudal real sobre el teórico. Porque el vertedero es una singularidad en canales con agua muerta en M, donde la sección útil disminuye y por Bernoulli la velocidad aumenta y el nivel se deprime. Porque el vertedero necesita mayor carga h cuando está sumergido bajo rodillo R, y Bazin lo llamó lámina ahogada aunque la expresión induce a error. Porque el vertedero mide la carga h a 4h de distancia, con cero enrasado con coronación, siendo despreciable el efecto de depresión según Forchheimer.

¿Qué es un vertedero LIBRE?. Aquel que no sufre influencia de aguas abajo, cuya lámina toma forma de caída natural, con afluencia de aire en la zona A para mantener presión atmosférica y nivel bajo aguas abajo. Aquel que no tiene acceso franco de aire en la zona A, donde la presión disminuye por arrastre de aire y la lámina se desplaza hacia la pared, aumentando el caudal para misma h. Aquel que no tiene en absoluto acceso de aire en la zona A, donde el agua arrastra todo el aire inicial y la lámina se pega por completo al paramento del vertedero. Aquel que sufre aumento de carga sobre lámina adherente y no puede mantener su forma, separándose del paramento pero con una masa de agua tumultuosa en la zona A.

Diferencia clave entre lámina deprimida y lámina adherente: En la deprimida (Fig. 16.6) no hay acceso franco de aire en zona A y la presión baja por arrastre, desplazando la lámina; en la adherente (Fig. 16.7) no hay nada de aire y la lámina se pega totalmente al paramento, con mayor Q para misma h. En la deprimida hay afluencia total de aire en zona A manteniendo presión atmosférica; en la adherente hay una masa de agua tumultuosa en zona A que necesita mayor h para mismo Q. En la deprimida el espesor e es ≥ 3h con contracción inferior; en la adherente el espesor e es < 3h con contracción lateral imperfecta por proximidad a paredes. En la deprimida el nivel de aguas abajo es alto y el resalto está al pie; en la adherente el nivel de aguas abajo sube bruscamente a la superficie con ondulaciones superficiales.

¿Qué es el vertedero con lámina sobre agua tumultuosa?. Un vertedero con lámina adherente que al aumentar la carga no puede mantener su forma, se separa del paramento y deja en su interior, en la zona A, una masa de agua tumultuosa que necesita mayor h. Un vertedero con lámina libre que al aumentar el nivel de aguas abajo queda sumergido bajo un rodillo o torbellino superficial R, siendo otro tipo de lámina ahogada según Bazin. Un vertedero con lámina sumergida que al aumentar todavía más el nivel de aguas abajo sube bruscamente a la superficie y aparecen unas ondulaciones superficiales características. Un vertedero con influencia desde aguas abajo donde, por elevarse el nivel aguas abajo, se peralta el nivel de aguas arriba modificando la carga h para el mismo caudal vertiente.

¿Cuándo aparece la influencia desde aguas abajo (16.5.7) y la lámina sumergida (16.5.5)?. Cuando el resalto es rechazado no hay influencia aparente; si el resalto ocurre al pie y el nivel sube, primero la lámina queda bajo un rodillo R (sumergida) y luego sube a superficie ondulada, peraltando aguas arriba. Cuando el espesor e es igual o mayor que 3h y la arista es viva, la lámina sufre contracción inferior semejante a orificios y el caudal disminuye por curvatura desfavorable de filetes. Cuando el ancho b es menor que L y hay contracción lateral, la lámina sufre depresión del nivel por teorema de Bernoulli y la zona M de agua muerta no participa del escurrimiento. Cuando no hay acceso de aire en la zona A, la lámina se deprime y luego se adhiere totalmente al paramento, aumentando el caudal para la misma carga h por mayor curvatura.

¿Qué es un vertedero con lámina sumergida?. Es un vertedero con lámina anterior tipo tumultuosa al que se le aumenta el nivel de aguas abajo, quedando el perfil de la lámina vertiente sumergido bajo un rodillo o torbellino superficial R. Es un vertedero con lámina libre al que se le elimina totalmente el aire de la zona A, quedando la lámina pegada por completo al paramento del vertedero por arrastre total del aire inicial. Es un vertedero con arista viva y espesor e ≥ 3h en pared gruesa, donde la lámina sufre contracción inferior semejante a la estudiada en orificios. Es un vertedero con ancho b menor que L del canal, donde se produce contracción lateral en los lados verticales, considerado en planta.

¿Qué es un vertedero con lámina ondulada o sumergida superficial?. Es la evolución de la lámina sumergida cuando se aumenta todavía más el nivel de aguas abajo, subiendo bruscamente a la superficie y apareciendo unas ondulaciones superficiales características. Es la evolución de la lámina libre cuando no hay acceso franco de aire en la zona A, disminuyendo la presión por arrastre de aire y desplazando la lámina hacia la pared del vertedero. Es la evolución de un vertedero en pared delgada cuando el espesor del umbral es menor que 3h pero no llega a ser pared delgada, con perfil de coronación curvo continuo. Es la evolución de un vertedero con contracción completa cuando se eliminan la contracción inferior y lateral mediante entrada redondeada que evita la depresión.

¿Cuándo empieza la influencia desde aguas abajo?. No tiene por qué empezar cuando el nivel de aguas abajo alcanza la cota de coronación, pues existen niveles de río aguas abajo superiores al umbral que no peraltan el nivel aguas arriba en pared gruesa. Empieza exactamente cuando el nivel de aguas abajo alcanza la cota de coronación del vertedero, quedando la lámina sumergida bajo el rodillo R y pasando a lámina ondulada superficial. Empieza exactamente cuando desaparece el acceso de aire en la zona A, produciéndose lámina deprimida y luego adherente que aumenta el caudal para la misma carga h medida. Empieza exactamente cuando el ancho b del vertedero es menor que el ancho L del canal, produciéndose contracción lateral imperfecta por proximidad a las paredes del canal.

Según su forma geométrica, ¿cómo se clasifican los vertederos?. Rectangulares definidos por su ancho b que son los más frecuentes, triangulares definidos por su ángulo en el vértice, trapeciales, circulares y parabólicos. Con contracción inferior en parte inferior tipo orificio, con contracción lateral cuando b < L del canal, sin contracción, y con contracción imperfecta por proximidad. De aristas vivas que provocan contracción y de entrada redondeada que elimina la contracción en el lado donde se ha redondeado. En pared delgada cuando el espesor es pequeño, en pared gruesa cuando e ≥ 3h, y en pared intermedia cuando e < 3h pero con perfil curvo continuo resuelto.

Según su disposición respecto a la corriente, ¿qué tipos hay?. Normales o frontales a la dirección de la corriente, laterales, de planta curva, de diversas alturas, y otras disposiciones no tratadas en este capítulo del libro. En pared delgada con lámina libre y aire en zona A, con lámina deprimida sin aire franco, con lámina adherente pegada, y sobre agua tumultuosa en zona A. Con velocidad inicial despreciable cuando el embalse es grande, y con velocidad inicial apreciable cuando la velocidad de acercamiento es digna de tenerse en cuenta. Con paramentos verticales tanto aguas arriba como aguas abajo, o con paramentos inclinados que modifican la forma de la lámina vertiente y la crisis del flujo.

¿Qué es un vertedero con y sin velocidad inicial?. Sin velocidad inicial si la velocidad de acercamiento es despreciable por embalse grande; con velocidad inicial si esa velocidad es digna de tenerse en cuenta y hay que sumar v²/2g a h. Sin velocidad inicial si la lámina es libre con presión atmosférica en A; con velocidad inicial si la lámina es deprimida sin acceso franco de aire y presión menor en A. Sin velocidad inicial si el ancho b coincide con el ancho L del canal; con velocidad inicial si b es menor que L y hay contracción lateral en lados verticales. Sin velocidad inicial si el espesor e es ≥ 3h en pared gruesa; con velocidad inicial si el espesor es pequeño en pared delgada con aristas vivas que provocan contracción.

¿Por qué en la Fig. 16.13 se dibuja la línea de energía por encima de h?. Porque la distribución de velocidades de los filetes líquidos en un canal no es uniforme e igual a su velocidad media, y hay que considerar la energía cinética de acercamiento. Porque la lámina vertiente está sumergida bajo un rodillo o torbellino superficial R, y el nivel de aguas abajo peralta el nivel de aguas arriba modificando la carga. Porque no hay acceso de aire en la zona A y la presión disminuye por arrastre de aire, desplazando la lámina hacia la pared y aumentando el caudal para misma h. Porque el vertedero es en pared gruesa con aristas vivas y contracción inferior semejante a orificios, donde el caudal real es superior al crítico teórico por curvatura.

¿Qué es y para qué sirve la rejilla tranquilizadora de la Fig. 16.14?. Es una rejilla o celosía especial de listones de madera entrecruzados que logra mayor uniformidad en el escurrimiento, colocada poco aguas arriba del vertedero aforador de precisión. Es una barrera-vertedero de diversas alturas y planta curva que sirve para evacuar el agua de crecidas, especialmente conveniente cuando el nivel de abajo es muy alto. Es un dispositivo de aristas redondeadas que elimina la contracción inferior y lateral, especialmente conveniente cuando el vertedero tiene lámina adherente completa al paramento. Es un aliviadero lateral de forma trapecial que sirve para peraltar el agua hacia aguas arriba, evitando velocidades altas, especialmente en canales con curvas o caídas.

En la Fig. 16.14, ¿qué significan h y a y por qué la rejilla va antes?. h es la carga de agua sobre coronación y a es la altura de la barrera desde el radier; la rejilla va antes para corregir perturbaciones por singularidades como curva o caída próxima. a es la carga de agua sobre coronación y h es la altura de la barrera desde el radier; la rejilla va después para que la lámina adherente se pegue totalmente al paramento del vertedero. h es el ancho b del vertedero normal al flujo y a es el ancho L del canal; la rejilla va antes para provocar contracción lateral y eliminar la contracción imperfecta por paredes. h es la línea de energía con v²/2g y a es la zona de agua muerta M; la rejilla va después para evitar que el resalto rechazado peralte el nivel de aguas arriba del vertedero.

¿Por qué el vertedero rectangular libre en pared delgada sin contracción lateral (b = L) tiene interés especial para aforos?. Por la constancia del régimen cuando el aire tiene fácil acceso bajo la lámina vertiente, no habiendo contracción lateral por b = L, pero sí existiendo contracción inferior. Por la variabilidad del régimen cuando no hay acceso de aire en zona A, habiendo contracción lateral completa por b < L, pero sin existir contracción inferior. Por la necesidad de rejilla tranquilizadora poco aguas arriba para uniformizar, habiendo contracción imperfecta por proximidad a paredes y lámina adherente sin aire en zona A. Por la influencia desde aguas abajo que peralta h para mismo Q, habiendo lámina sumergida bajo rodillo R y luego ondulada superficial.

¿Para qué son recomendables los vertederos triangulares libres en pared delgada?. Por su precisión y estabilidad como aforadores para caudales relativamente pequeños, existiendo numerosas experiencias que garantizan las fórmulas y correcciones usadas habitualmente. Por su capacidad para evacuar caudales de crecidas extraordinarias como aliviaderos, existiendo presas-vertedero y barreras-vertedero de grandes aliviaderos especiales de embalses. Por su capacidad para peraltar o sobreelevar el agua hacia aguas arriba, evitando velocidades altas en el canal, especialmente con paramentos inclinados y planta curva. Por su necesidad de rejilla tranquilizadora poco aguas arriba para uniformizar el escurrimiento, cuando hay singularidades próximas como curvas o caídas que perturban.

Por qué es tan grave que la lámina se despegue y vuelva a pegarse en un vertedero de obra?. Porque se traduce en inestabilidad del escurrimiento y vibraciones de la obra perniciosas estáticamente, y además puede aparecer cavitación que destruye los materiales si la depresión es de valor apreciable. Porque se traduce en que el coeficiente m pasa de 0,40 a 0,54 y el caudal aforado deja de ser constante, obligando a usar la fórmula Q = m tg α √(2g) h^(5/2) en vez de la rectangular. Porque se traduce en que el ancho b deja de coincidir con L y aparece contracción lateral, obligando a colocar la escala a 4h con cero enrasado en coronación según Forchheimer. Porque se traduce en que la zona de agua muerta M no participa del escurrimiento, disminuyendo la sección útil y deprimiendo el nivel por teorema de Bernoulli según ap. 12.2.2.

Perfil Creager: ¿Cuándo se usa y cómo se calcula?. Para cargas altas, caudales grandes u obras de importancia con h mayores de 1-3 m; se calcula con tabla de Fig. 16.23 para ho = 1 m y para otra ho se multiplican x e y por ho, ciñéndose la lámina a él. Para caudales relativamente pequeños por su precisión y estabilidad como aforador; se calcula con chapa de 1 a 3 mm inoxidable y fórmula Q = m tg α √(2g) h^(5/2) con α semiángulo inferior. Para evacuar crecidas como aliviaderos laterales y presas-vertedero; se calcula con altura a desde radier y carga h sobre coronación, entrando por h/a y hr/a. Para uniformizar el escurrimiento tras singularidades como curvas; se calcula con rejilla de listones entrecruzados poco aguas arriba y línea de energía con h + α v²/2g.

Criterio de cavitación en Creager: ¿Cuándo es segura la depresión D?. D debe ser menor que (presión atmosférica del lugar - corrección por temperatura del agua - 2 m de garantía), siendo D metros de presión por debajo de la atmosférica en carga de agua. D debe ser mayor que (presión atmosférica del lugar + corrección por temperatura del agua + 2 m de garantía), siendo D metros de presión por encima de la atmosférica en carga de agua. D debe ser menor que (h/a + h_r/a) según Fig. 16.16a, siendo D el rodillo R superficial que aparece cuando el nivel de aguas abajo se eleva más allá del límite de influencia. D debe ser igual a (0,667 m) producto del coeficiente de orificio, siendo D el factor que convierte el m de orificios en m de vertederos, del orden de 2/3 y no comparable.