1. LABORATORIO N°3: VERTEDEROS
Facultad: Ingeniería civil
Curso: Hidráulica
Integrantes:
De La Cruz Orihuela, Laura
Cornejo Cárdenas, José Favio
Docente: Ing. Oscar Velarde Villar
Fecha de entrega: 12 / 10 / 23
La Molina, 10 de octubre de 2023
NOTA:
GRUPO N°9
2. 2
INDICE
I. INTRODUCCIÓN...............................................................................................................3
II. OBJETIVOS.......................................................................................................................4
III. GENERALIDADES .........................................................................................................4
IV. CLASIFICACIÓN DE LOS VERTEDEROS ..................................................................5
3.1. Según su forma geométrica.......................................................................................5
3.1.1. Vertederos Rectangulares ..........................................................................................5
3.1.2. Vertederos Triangulares.............................................................................................8
3.1.3. Vertederos Trapezoidales ..........................................................................................9
3.1.4. Vertedero circular ....................................................................................................10
3.2. Según el ancho de la cresta.....................................................................................11
3.2.1. Vertederos de cresta delgada ...................................................................................11
3.2.2. Vertedero de cresta ancha........................................................................................13
3.2.3. Perfil Creager...........................................................................................................15
V. REQUISITOS GENERALES DE INSTALACIÓN DE VERTEDEROS.......................15
VI. DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA ......................................................................16
5.1. Equipos y Materiales......................................................................................................16
5.2. Procedimiento ................................................................................................................18
5.3. Datos obtenidos..............................................................................................................20
5.4. Datos calculados.............................................................................................................20
VII. OBSERVACIONES ......................................................................................................22
VIII. CONCLUSIONES........................................................................................................22
IX. RECOMENDACIONES.................................................................................................23
X. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................................23
3. 3
INTRODUCCIÓN
El vertedero hidráulico o aliviadero es una estructura hidráulica destinada a propiciar el pase,
libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales, siendo el aliviadero en
exclusiva para el desagüe y no para la medición.
Existen diversos tipos según la forma y uso que se haga de ellos, a veces de forma controlada
y otras veces como medida de seguridad en caso de tormentas en presas.
En una obra de toma, el vertedero se constituye en el órgano de seguridad de mayor
importancia, evacuando las aguas en exceso generadas durante los eventos de máximas
crecidas.
El vertedero puede tener diversas formas según las finalidades a la que se destine. Si descarga
se efectúa sobre una placa con perfil de cualquier forma, pero de arista aguda, el vertedero
se llama de pared delgada; cuando la descarga se realiza sobre una superficie, el vertedero
se denomina de pared gruesa. Ambos tipos pueden utilizarse como dispositivos de aforo en
el laboratorio o en canales de pequeñas dimensiones. El vertedero de pared gruesa se emplea
además como obra de control o de excedencias en una presa y como aforados en grandes
canales
II. OBJETIVOS
2.1. GENERAL
Evaluar que el rendimiento de diversos tipos de vertederos en términos de su capacidad para
controlar el flujo de agua y distribuirlo eficientemente.
Comprender la relación entre la geometría del vertedero, la altura del agua y el caudal.
2.2. ESPECÍFICOS
Determinar que el caudal y la altura de agua en función de la geometría del vertedero y las salidas
utilizadas.
4. 4
Realizar que experimentos bajo diferentes condiciones de flujo, como caudales variables y
variaciones en la geometría del vertedero
Identificar que las ventajas y desventajas de cada tipo de vertedero en términos de su
aplicabilidad en situaciones del mundo real, como sistemas de irrigación, control de inundaciones y
embalses de regulación.
Identificar que las posibles fuentes de error en el experimento y así poder mejorar para futuros
laboratorios.
5. 5
GENERALIDADES
El vertedero es un muro o una barrera que se interpone al flujo, causando sobre elevación
del nivel de la lámina aguas arriba y disminución aguas abajo, Figura 1. Las principales
funciones de los vertederos son:
Contrastar el nivel en embalses, canales, depósitos, estanques, etc.
Realizar la medición de caudales.
Elevar el nivel del agua.
Permitir la evacuación de crecientes de un determinado caudal.
Figura 1. Vertedero de cresta delgada
6. 6
Los vertederos son estructuras que se utilizan frecuentemente para la medición de caudales;
sin embargo, cuando se instalan en corrientes naturales presentan la desventaja que se
colmatan de sedimentos.
Las variables básicas Q y H siguen un modelo matemático dado por la ecuación de
patronamiento (II.1).
Donde:
Q : caudal.
K : constante de calibración.
H : carga hidráulica con relación a la cresta del vertedor.
m : exponente.
Para determinar el caudal que pasa a través del vertedero se aplica la ecuación de la energía
entre 1 y 2 (Figura 2), considerando algunas suposiciones básicas, entre ellas:
Las pérdidas por fricción y locales entre 1 y 2 son despreciables. La tensión superficial es
despreciable.
El flujo aguas abajo de la estructura (vena) debe ser libre (no ahogado) para garantizar que
la presión en la vena sea la atmosférica (chorro libre).
La distribución hidrostática de presiones.
7. 7
CLASIFICACIÓN DE LOS VERTEDEROS
3.1. Según su forma geométrica
3.1.1. Vertederos Rectangulares
a. Vertederos de pared delgada sin contracciones
.
Figura 2. Vertedero de cresta delgada sin contracciones
Aplicando la ecuación de energía entre los puntos 1 y 2, se obtiene una expresión para el caudal:
En donde:
QT : caudal teórico
L : longitud del vertedero.
P : altura del vertedero.
H : carga hidráulica sobre la cresta.
V : velocidad de llegada al vertedor.
g : aceleración debida a la fuerza de la gravedad.
La ecuación (II.2) no considera las pérdidas por fricción en el tramo, ni los efectos de
tensión superficial, por lo tanto, el caudal real es menor que el caudal teórico, por tal
razón se introduce un coeficiente que permita incluir estas consideraciones, como se
8. 8
indica en la ecuación (II.3).
Cd = coeficiente de descarga, cuyos valores característicos deben estar entre 0.55 y
0.65.
Despreciando la influencia de la velocidad de llegada al vertedor, la ecuación (II.3)se
simplifica de la siguiente forma:
Sotelo (1982) presenta ecuaciones que permiten calcular los coeficientes de descarga
para vertederos rectangulares con contracciones o sin ellas y también para vertederos
triangulares.
b. Vertederos de pared delgada con contracciones
En la Figura II.3 se presenta un esquema con las diferentes posibilidades de un
vertedero rectangular, con o sin contracciones. Para esta situación, la longitud efectiva
del vertedero es L’.
El efecto de la contracción se tiene en cuenta restando a la longitud total de la cresta
del vertedero L, el número de contracciones multiplicada por 0.1H.
L´ : longitud contraída de la lámina de agua en el vertedero.
L : longitud real del vertedero.
n : número de contracciones laterales, obsérvese la Figura II.3.
Reemplazando la ecuación (II.6) en la ecuación (II.5) se obtiene:
9. 9
Figura 3. Vertedero rectangular con y sin contracciones.
Para el caso del vertedero sin contracciones laterales (n = 0), se requiere de una zona
de aireación en los extremos de la estructura que permita el ingreso de aire y así para
garantizar que la presión aguas abajo de la estructura sea la atmosférica, véase la Figura
II.3.
10. 10
3.1.2. Vertederos Triangulares
Figura 4. Vertedero triangular.
Cuando los caudales son pequeños es conveniente aforar usando vertederos en forma de
V puesto que para pequeñas variaciones de caudal la variación en la lectura de la carga
hidráulica H es más representativa.
11. 11
3.1.3. Vertederos Trapezoidales
Este vertedero ha sido diseñado con el fin de disminuir el efecto de las contracciones que
se presentan en un vertedero rectangular contraído.
Figura 5. Vertedero trapezoidal.
Cd1 : coeficiente de descarga para el vertedero rectangular con contracciones.
Cd2 : coeficiente de descarga para el vertedero triangular.
L : longitud de la cresta.
: ángulo de inclinación de los lados respecto a la vertical.
m : inclinación lateral
La ecuación anterior puede transformarse así:
Cuando la inclinación de los taludes laterales es de 4V:1H, el vertedero recibe elnombre
de Cipolletti en honor a su inventor. La geometría de este vertedero ha sido obtenida de
manera que las ampliaciones laterales compensen el caudal disminuido por las
contracciones de un vertedero rectangular con iguales longitud de cresta y carga de agua.
Sotelo (1982) afirma que el término entre paréntesis de la ecuación (II.10) es de 0.63 lo
que conduce a la siguiente ecuación de patronamiento, en sistema M.K.S:
12. 12
3.1.4. Vertedero circular
Figura 6. Vertedero circular.
H : carga hidráulica o altura de carga, expresada en decímetros.
D : diámetro [decímetros].
Q : caudal [lt/s].
: depende de la relación H/D dada por la Tabla II.1.
La ecuación (II.12) es válida si 0.20m ≤ D ≤ 0.30m; 0.075 < H/D < 1.
Tabla II.1 Valores característicos de para vertederos circulares utilizados en la
ecuación (II.12). Sotelo (1982).
La ecuación típica de patronamiento, planteada por Azevedo y Acosta (1976) es:
13. 13
3.2. Según el ancho de la cresta
3.2.1. Vertederos de cresta delgada
Este tipo de vertedero es el más usado, especialmente como aforador, por ser una
estructura de fácil construcción e instalación. Debidamente calibrados o patronados se
obtienen ecuaciones o curvas en las cuales el caudal es función de la carga hidráulica H.
Figura 7. Vertedero rectangular de pared delgada con contracciones.
Ecuación de patronamiento típica: Azevedo y Acosta (1976).
Influencia de la forma de la vena
El funcionamiento de los vertederos de pared delgada puede variar según la forma de la
vena o chorro aguas abajo de la estructura, en situaciones en que no toda la lámina esté
en contacto con la presión atmosférica, modificándose la posición de la vena y alterándose
el caudal. Es por ello que cuando el vertedero es usado para medición de caudales se debe
evitar la situación anterior. Esta influencia se puede presentar en vertederos sin
contracción lateral que no dispongan de una adecuada aireación. En estas circunstancias
la lámina líquida puede tomar una de las formas siguientes (Figura II.8):
Figura 8. Forma de la vena líquida. a) Deprimida; b) Adherida; c) Ahogada.
14. 14
- Lámina deprimida (Figura II.8 a). El aire es arrastrado por el agua, ocurriendo un
vacío parcial aguas abajo de la estructura, que modifica la posición de la vena, el caudal
es mayor al previsto teóricamente.
- Lámina adherente (Figura II.8 b). Ocurre cuando el aire sale totalmente. En esta
situación el caudal también es mayor.
- Lámina ahogada (Figura II.8 c). Cuando el nivel aguas abajo es superior al de la
cresta P’>P. Los caudales disminuyen a medida que aumenta la sumersión. En esta
situación el caudal se puede calcular, teniendo como base los valores relativos a la
descarga de los vertederos libres aplicándoles un coeficiente de reducción (Tabla II.2),
estimado con datos del U. S. of Board Waterway presentada por Azevedo y Acosta,
(1976).
Tabla II.2 Coeficiente de descarga para vertederos delgados con funcionamiento
ahogado. Azevedo y Acosta (1976)
15. 15
3.2.2. Vertedero de cresta ancha
Los vertederos de cresta ancha tienen menor capacidad de descarga para igual carga de
agua que los vertederos de cresta delgada y su uso más frecuente es como estructuras de
control de nivel.
La mínima distancia a la cual se deben instalar los medidores de la carga hidráulica (H)
para que no esté afectada por la declinación de la lámina de agua es 3.5H, como se observa
en la Figura II.9.
Figura 9. Vertedero rectangular. a) Cresta delgada. b) Cresta gruesa.
Sotelo (1982) presenta una clasificación del funcionamiento de los vertederos, según la
relación e/H, como se presenta a continuación:
Cuando e/H es menor que 0.67 el chorro se separa de la cresta y el funcionamiento es
idéntico al del vertedero de pared delgada.
Cuando e/H es mayor a 0.67 el funcionamiento es diferente, pues la lámina vertiente se
adhiere a la cresta del vertedero.
Si la relación e/H es mayor que 10 se considera que el funcionamiento es en canal.
Ecuación de patronamiento típica.
Azevedo y Acosta (1976) proponen:
16. 16
: coeficiente de corrección para vertederos de cresta ancha.
: coeficiente de corrección para vertederos ahogados.
La ecuación (II.17) es válida para velocidades de aproximación cercanas a cero y sin
contracciones laterales. Para considerar el efecto de las contracciones laterales se debe
utilizar la longitud L´ obtenida en la ecuación (II.6), en lugar de L.
1
2
17. 17
3.2.3. Perfil Creager
Se usa para evacuar caudales de creciente, pues la forma especial de su cresta permite la
máxima descarga al compararlo con otra forma de vertedores para igual altura de carga
de agua.
Figura 10. Vertedero con perfil Creager.
Ecuación de patronamiento típica: Azevedo y Acosta (1976).
REQUISITOS GENERALES DE INSTALACIÓN DE VERTEDEROS
El vertedero deberá ubicarse en canales de sección uniforme y alineamiento recto aguas
arriba, en una longitud mayor de 20H.
El vertedero debe instalarse normalmente al flujo y la cresta debe estar perfectamente
lisa y nivelada.
La lectura de la carga H sobre la cresta se mide con una regla graduada o limnímetro
ubicado por lo menos a una distancia 3.5 veces la carga máxima hacia aguas arriba.
Para asegurar su funcionamiento con descarga libre, debe instalarse un dispositivo de
ventilación que comunique la cara aguas abajo del vertedero con la atmósfera.
Si la instalación del vertedero es permanente, debe dejarse un dispositivo de drenaje
para evacuar los sedimentos depositados.
Se recomienda que la cresta sea de material resistente a la corrosión como bronce, acero,
plástico y con la arista viva.
18. 18
DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA
5.1. Equipos y Materiales
Además de los Equipos de Protección Individual y Bioseguridad, también se utilizaron los
siguientes:
- Cronómetro y libreta de apuntes
- Balde para determinar el gasto real (m3
/s)
19. 19
- Vertedero rectangular de pared delgada con contracciones
- Vertedero triangular de pared delgada con contracciones
21. 21
5.2. Procedimiento
1º. Antes de iniciar el ensayo, asegurarse de que el reservorio esté aproximadamente en
2/3 de su capacidad con agua.
2º. Para empezar con el ensayo encendemos la bomba con una potencia regulada y
esperamos aproximadamente 2 minutos hasta que el flujo en el canal de la parte superior
se estabilice
3º. Para observar los cambios que genera el uso del vertedero, ubicamos dicho accesorio
en el canal y además procedemos a originar el fenómeno del Resalto Hidráulico para
obtener los diferentes tirantes para los 2 ensayos que se realizaron, se midió también la
altura antes del vertedero para que de esa manera determinar la longitud de la cresta,
además de medir con una wincha la Longitud del Resalto (LRH).
23. 23
4º. Para la determinación del Caudal real procedemos a realizar mediciones de volumen,
considerando un volumen de 15 Litros en un determinado período que será obtenido
mediante la ayuda de un cronómetro.
24. 24
5.3. Datos Obtenidos
DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO
N° DE ENSAYO 1 2
VERTEDERO
Longitud de la cresta (cm) 6.1 6.1
Ancho del canal (cm) 10
Altura del vertedero (cm) 10
Cresta (cm) 7.0 4.0
CAUDAL
Volumen (Litros) 22.6
T1 (s) 7.99 15.60
T2 (s) 7.95 15.79
T3 (s) 7.91 7.77 15.66 15.60
N° DE ENSAYO 1 2 Unidad
Longitud de la cresta (L) 0.07 0.07 m
Ancho del canal (b) 0.1 m
Altura del vertedero (P) 0.1 m
Cresta (H) 0.059 0.0365 m
Volumen (V) 0.015 m3
Tiempo (T)} 7.24 12.965 s
g 9.81 m/s2
Área 1 (A) 0.0013 0.00085 m2
Área 2 (A) 0.0042 0.0033 m3
Área 3 (A) 0.007 0.0056 m4
Volumen (V) 0.015 m3
Tiempo (T)} 7.24 12.965 s
g 9.81 m/s2
Área 1 (A) 0.0013 0.00085 m2
Área 2 (A) 0.0042 0.0033 m3
Área 3 (A) 0.007 0.0056 m4
26. 26
5.4. Datos Obtenidos
5.4. Datos calculados
DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO
N° DE ENSAYO 1 2
VERTEDERO
Longitud de la cresta (cm) 7.5 7.5
Ancho del canal (cm) 10
Altura del vertedero (cm) 10
Cresta (cm) 5.9 3.65
RESALTO
HIDRAULICO
Y1 (cm) 1.3 0.85
Y2 (cm) 4.2 3.3
Y3 (cm) 7 5.6
CAUDAL
Volumen (Litros) 15
T1 (s) 7.22 7.18 13.01 12.96
T2 (s) 7.35 7.19 12.78 13.15
T3 (s) 7.3 7.2 12.96 12.93
N° DE ENSAYO 1 2 Unidad
Longitud de la cresta (L) 0.075 0.075 m
Ancho del canal (b) 0.1 m
Altura del vertedero (P) 0.1 m
Cresta (H) 0.059 0.0365 m
Y1 0.013 0.0085 m
Y2 0.042 0.033 m
Y3 0.07 0.056 m
Volumen (V) 0.015 m3
Tiempo (T)} 7.24 12.965 s
g 9.81 m/s2
Área 1 (A) 0.0013 0.00085 m2
Área 2 (A) 0.0042 0.0033 m3
Área 3 (A) 0.007 0.0056 m4
28. 28
OBSERVACIONES
Los formulas teóricas se basan en suposiciones que pueden no capturar completamente la
complejidad del laboratorio, lo cual se omiten factores importantes que afecten los resultados
experiméntales
Existe cierto error debido a que existen errores en la medición, como la velocidad, el caudal, el tiempo.
Las condiciones del laboratorio pueden ser diferentes de las condiciones teóricas ideales.
Variación de temperatura, viscosidad del fluido, u otros factores ambientales que pueden influir en los
resultados experimentales
Se observó la eficiencia de cada tipo de vertedero en términos de su capacidad para controlar el
flujo de agua y distribuirlo de manera uniforme.
Se observó que al cambiar la geometría del vertedero y observar cómo influye en el flujo,
incluyendo la anchura de la cresta, la forma de la ranura o el ángulo del vertedero.
Se observo cómo la presencia de turbulencia en el flujo puede influir en la medición de la altura
del agua y el caudal, especialmente en vertederos de cresta delgada.
CONCLUSIONES
Se determinó que existe una relación lineal entre la altura de agua y el caudal para cada tipo
de vertedero.
Se determinó qué tipo de vertedero y salida es más eficiente para diferentes aplicaciones y
condiciones de flujo.
Se Identificó posibles fuentes de error en las mediciones y proponer mejoras en el diseño y la
ejecución del laboratorio.
RECOMENDACIONES
Al momento de registrar los tiempos en los diferentes en las diferentes pruebas lo recomendable
es realizar los con “cronómetros de llenado” o “cronómetros de volumen” para que los tiempos
marcados sean lo más precisos posibles.
Mantener un registro detallado de todas las condiciones experimentales, como la temperatura
del agua, la velocidad de la bomba, rugosidad de las paredes del canal, etc.
Realizar múltiples repeticiones del experimento para obtener datos más confiables y así poder
calculas promedios
29. 29
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
o Diseño de pequeñas presas, bureau of reclamation.
o Ven te Chow, Hidraulica de canales abiertos ,2004.
o Estudio y Patronamiento de vertederos, departamento de hidráulica, Universidad del
Cauca.
o Arturo Marcano, experiencias en la aireacion del aliviadero del proyecto guri, 2004.
o Dr. Evio Alegret y Dr. Rafael Pardo Breña, diseño hidráulico de aliviaderos para presas
pequeñas, instituto superior politecnico Jose Antonio Echevarria, 2001.
o Ramiro Marbello Perez, vertederos y calibracion de vertederos de medida, universidad
nacional de Colombia sede Medellin.
o Manuel Agustin Lux Monroy, medidores de flujo en canales abiertos, universidad de
San Carlos de Guatemala, 2010.
o Hydraulic design of stilling basins and energy dissipatorsunited states department of
the interior. bureau of reclamation.
o Máximo Villón Bejar, “Hidráulica de Canales” Ed. Villón Perú 2007.
o Manual Básico de diseño de estructuras de disipación de energía hidráulica- tesis
Escuela Politécnica del Ejército 2013.
o Criteria for hydraulic of bucket type energy dissipatorsbureau of indian standars.
o “Modelamiento Hidráulico para el estudio de la disipación de energía en cimacios con
trampolines”. tesis de la UCSM – Arequipa.
o “Estructuras Hidráulicas”. apuntes de clase - FIC – UNSA, Ing. Víctor Oscar Rendon
Dávila 2016.
