Principios Hidráulicos y Diseño de Estructuras: Vertederos, Orificios, Alcantarillas y Represas

Conceptos Fundamentales en Hidráulica e Ingeniería Civil

1. Sensibilidad de Vertederos: Triangular vs. Rectangular

¿Por qué un vertedero triangular es más sensible que uno rectangular para medir caudal?

Para medir pequeños caudales, el vertedero triangular es más preciso que el rectangular. Esto se debe a que, para un mismo valor de caudal, las alturas (h) son mayores en el vertedero triangular, lo que permite una mayor sensibilidad en la medición.

2. Comparación de Caudal: Orificios en Descarga Libre vs. Ahogada

Dados dos orificios, uno en descarga libre y otro ahogado, ¿cuál descarga mayor caudal y por qué?

Un orificio en descarga libre descargará un mayor caudal que un orificio ahogado. Esto se debe a que el caudal está en función de la carga hidráulica (H), que se relaciona cuadráticamente con la velocidad.

• En descarga libre, H se mide desde la superficie del agua aguas arriba hasta el baricentro del orificio.
• En descarga ahogada, H es la diferencia de niveles entre aguas arriba y aguas abajo.

Por lo tanto, para un mismo orificio, la carga H será mayor en condiciones de descarga libre, resultando en un mayor caudal.

3. Funcionamiento de Alcantarillas: ¿Orificio o Canal?

¿En qué condición de escurrimiento sería admisible considerar el funcionamiento de una alcantarilla como el de un orificio y cuándo como un canal?

El funcionamiento de una alcantarilla puede considerarse:

• Como un orificio cuando el escurrimiento es a sección llena y/o trabaja a presión.
• Como un canal cuando el escurrimiento es a sección libre (es decir, el agua no alcanza el intradós o la parte superior del conducto).

4. Control de Escurrimiento en Alcantarillas con Altura Crítica en la Entrada

Si en una alcantarilla se produce altura crítica en la sección de entrada, ¿el escurrimiento será con control en la entrada o en la salida y por qué?

Si se produce altura crítica en la sección de entrada de una alcantarilla, el escurrimiento tendrá control en la entrada. Esto ocurre bajo ciertas condiciones específicas, como cuando la relación entre la carga hidráulica y la altura crítica (Hr/yc) y la altura de salida (Hs) respecto a la altura crítica (yc) cumplen ciertos criterios (e.g., Hr > yc y Hs < yc).

Para que el control se establezca en la entrada del conducto, se deben cumplir las siguientes condiciones:

• El nivel de aguas arriba no ahoga el dintel de la alcantarilla.
• La pendiente de fondo es supercrítica.
• El conducto no trabaja a sección llena.

5. Estados de Carga Críticos en el Diseño de Represas

¿Cuáles son los estados de carga más importantes que se verificarían en una represa?

Dado que la mayor solicitación en una represa es el empuje hidrostático, es fundamental considerar las siguientes situaciones típicas a las que podría someterse el embalse:

1. Embalse vacío: Durante la construcción, el empuje hidrostático se considera nulo. Sin embargo, se debe prestar atención a las presiones internas o residuales causadas por efectos de temperatura o sismos.
2. Nivel Máximo Normal (NMN): Este estado considera el llenado del vaso y la altura por oleaje.
3. Nivel de Avenida de Proyecto (NAP): Se utiliza para dimensionar el aliviadero y corresponde al nivel máximo que el embalse puede alcanzar durante una avenida de diseño.
4. Nivel de Avenida Extrema (NAE): Superior al NAP, se considera si existe una avenida de magnitud superior a la calculada para el NAP. Este nivel define el inicio del vertedero.

Además de estos estados, se deben considerar otros factores importantes como la filtración, los sismos, el peso propio de la estructura, los efectos térmicos, el empuje de sedimentos y el oleaje, entre otros.