1. Ingeniería

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COMPARACIÓN DE ESTRUCTURAS DE LLEGADA DE UNA
CAPTACIÓN DE ALTA CAÍDA
González Broc Héctor1 y Cafaggi Félix Amalia Adriana2
1
Comisión Nacional del Agua. Río Churubusco No. 650, Col. Carlos Zapata Vela, Del. Iztacalco, México D.F.,
México. C.P. 08040
2
Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Exterior S/N, Ciudad Universitaria,
Del. Coyoacán. México D.F., México. C.P. 04510
[email protected], [email protected]
Elementos que conforman una captación de
alta caída
El drenaje profundo se compone de diversas estructuras que
conducen el gasto hacia la salida del sistema. Para resolver el
problema de la conexión entre el drenaje superficial o semiprofundo y el drenaje profundo, es necesario contar con
estructuras especiales. Tal es el caso de la captación de alta
caída, la cual tiene como función regular, controlar y conducir
el gasto desde el drenaje superficial hacia los emisores que
viajan a grandes profundidades. En la ilustración 1 se
muestran los elementos que conforman una captación de alta
caída:
-
Colector de alivio o colector madrina
Caja de control
Canal de aproximación
Cámara de descarga o estructura de llegada
Lumbrera de caída
Estructura amortiguadora
regular, por medio de compuertas, el gasto que ingresa a la
lumbrera de caída. Por lo general, para facilitar las maniobras
de mantenimiento, durante la época de estiaje se evita el
ingreso de aguas residuales hacia el drenaje profundo. Para
evitar la acumulación de azolve en el colector de alivio, se
recomienda ubicar la caja de control inmediatamente después
de la caja derivadora.
Canal de aproximación
El canal de aproximación se ubica entre la caja de control y la
lumbrera de caída. Su función es la de concentrar el gasto y
conducirlo hacia la lumbrera y en algunos casos funciona
como transición hacia la pared vertical del conducto. El perfil
del flujo depende del gasto, de la geometría del canal y de la
longitud de éste. Por tal motivo, entre mayor sea la distancia
entre la caja de control y la lumbrera de caída, menores serán
los cambios en el perfil del flujo a lo largo del canal. El diseño
hidráulico debe ser tal que se eviten alteraciones aguas arriba,
como es el caso del salto hidráulico que podría reducir la
capacidad de conducción del gasto hacia la lumbrera.
Cámara de descarga o estructura de llegada
La cámara de descarga es la estructura que conecta el canal de
aproximación con la lumbrera de caída y sus características
geométricas son determinantes en el comportamiento del flujo
a lo largo de ésta, por lo que constituye una parte crucial en el
diseño de las captaciones de alta caída. Las mejoras que se han
ido implementando en las captaciones de alta caída a lo largo
de los años se enfocan en la optimización del diseño y
configuración de la cámara de descarga. En este trabajo se
hace especial énfasis en este tipo de estructuras, y se presentan
tres formas de conducir el flujo desde el canal hacia la
lumbrera de caída.
Ilustración 1. Principales componentes de una captación.
Colector de alivio
El colector de alivio, también denominado madrina, es el
conducto que conduce el gasto que se desea introducir a la
lumbrera; cuenta con una caja derivadora que permite desviar
el flujo hacia la estructura de caída en época de lluvias o hacia
otro componente del sistema de drenaje durante los periodos
de estiaje. El colector se diseña con pendiente suficiente para
evitar la acumulación de azolve.
Caja de control
La caja de control es un elemento ubicado entre el colector de
alivio y el canal de aproximación y cuya función es la de
Lumbrera de caída
La lumbrera de caída es un conducto de sección circular que
por lo general se adosa a la lumbrera constructiva. Inicia desde
la cámara de descarga y termina en la parte baja de la
lumbrera constructiva antes de la estructura amortiguadora. Su
diámetro suele ser de medida comercial por razones
constructivas y su principal función es la de conducir el flujo a
grandes profundidades, disipando la mayor cantidad de
energía para evitar daños en las estructuras aguas abajo, así
como permitir la circulación de aire dentro de la estructura. Su
tamaño debe de ser tal que no obstruya el paso a la lumbrera
constructiva y que permita el acceso de personal y maquinaria
en caso de mantenimiento.
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Estructura amortiguadora
La estructura amortiguadora tiene como función disipar la
energía del agua a la salida de la lumbrera de caída para evitar
daños en la losa de fondo y dirigir el flujo hacia el túnel
profundo en dirección horizontal.
s ancho del muro guía interior de la espiral
Cámara de descarga o estructura de llegada
Existen tres formas usuales de conducir el flujo desde el canal
hacia la lumbrera de caída:
-
Por medio de cámara guiadora de forma espiral
En descarga directa con caída libre
Por medio de una lumbrera con ranura vertical
Captación de alta caída con cámara guiadora de forma
espiral
La captación de alta caída con cámara guiadora de forma
espiral es probablemente la más utilizada en la práctica. Su
comportamiento es muy eficiente y sus resultados muy
favorables debido a que se produce una significante disipación
de energía por fricción en las paredes por efecto de la
superposición de los componentes tangenciales y rotacionales
del flujo. Esta condición permite que el flujo viaje a velocidad
considerable a lo largo de la lumbrera de caída, adhiriéndose a
sus paredes y desplazándose en forma helicoidal, permitiendo
que se forme un núcleo de aire al centro cuya presión es muy
cercana a la presión atmosférica. El flujo del canal de
aproximación con pendiente prácticamente horizontal es
transformado en flujo helicoidal por la estructura de entrada.
En la práctica se ha observado que tan sólo el 40% de energía
cinética resta de ser disipada en la estructura de salida.
Se recomienda la aplicación de este tipo de estructuras para las
siguientes condiciones:
-
La profundidad a la que se desea descargar el gasto
es de cuando menos 10 m
El flujo en el canal de aproximación se encuentra en
régimen subcrítico estable (F<0.7) o en régimen
supercrítico estable (F >1.5)
El diseño de este tipo de estructura depende esencialmente de
las condiciones de aproximación del flujo hacia la lumbrera de
caída y contempla tres elementos:
La ilustración 2.a) muestra la estructura de entrada utilizada
para flujos en régimen subcrítico en el canal de aproximación.
Para este caso, la geometría de la cámara guiadora se
determina a partir de los siguientes parámetros geométricos:
a distancia entre el eje de la lumbrera vertical y el eje central
del canal de aproximación;
b ancho del canal de aproximación;
DS diámetro de la lumbrera de caída;
R=DS/2 radio de la lumbrera de caída;
Ri (con i=1 hasta i=4) es el radio de los cuadrantes de la
espiral;
ΔR radio del borde entre la pared de la lumbrera y la parte baja
de la cámara de descarga;
c ancho mínimo del muro que forma la espiral con el canal de
aproximación;
e excentricidad;
Ilustraciones 2a y 2.b. Geometría de la cámara en espiral.
La geometría de estas estructuras (Drioli, 1967) es:
D
a  S  R  c  s  b
(1)
2
bs
e
(2)
7
D
R4  S  R  c  e
(3)
2
(4)
R3  R4  e
R2  R4  3e
(5)
R1  R4  5e
(6)
1.5  a / DS  2 , se recomienda R  DS / 6 .
La ilustración 2.b) muestra la estructura de entrada utilizada
para flujos en régimen supercrítico. La pendiente de plantilla
del canal de aproximación S0 debe de ser menor al 30% y la
pendiente de la espiral S0e debe de ser igual o mayor a la del
canal.
Para este tipo de flujo la geometría se determina como:
aRsc
2
2R  s  c
R2 
2
a  R  s b
R3 
2
R1  R  s
e1  a  R1
e2  R  s  c  R2
e3  a  b  R3
s1  a  b  R
R1 
( R  s  c)  a  (3R  s)
0.8R  b  2R
0.8R  c  2R
(7)
(8)
(9)
(8)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
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Diseño hidráulico
La carga total H es:
H h
V2
2g
(17)
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descargados hacia el drenaje profundo de manera libre desde
el canal de aproximación hacia la lumbrera de caída sin
necesidad de emplear algún tipo de cámara de descarga o
estructura de llegada.
Flujo de aproximación en régimen subcrítico
Hager (2010) dedujo la siguiente ecuación de descarga:
Q
 (2 y )1/ 2
(18)

2 1/ 2
Q0 
1  R 
 2 
 
 
 ya  
µ es el coeficiente de contracción
2
 1  2 y  2/3 
  0.95   2  1   
(19)
 9  
 
El parámetro y = h/h0 es la profundidad relativa del canal de
aproximación. Los valores de h0 y Q0 dependen
exclusivamente de la geometría de la cámara espiral.
1/ 2
 gaR5 
Q0  
 (21)
 b 
La ilustración 3 muestra la relación de descarga de Q/Q0 en
función de h/h0 cuyo comportamiento es prácticamente lineal.
A fin de que el núcleo de aire sea lo suficientemente grande y
el flujo esté sujeto a una presión muy cercana a la atmosférica
(condiciones de superficie libre), la profundidad relativa debe
limitarse a y ≤ 4. Adicionalmente, asumiendo la excentricidad
óptima R/a = 0.4, las variables de diseño se definen como:
aR
hD 
QD  R2 (8ghD )1/2 (23)
(22)
b
Sustituyendo el valor de hD y con a= R/0.4 en la ecuación de
QD se obtiene:
h0 
aR
(20)
b
Ilustración 3. Relación de descarga de Q / Q0 en función de
h / h0 para flujo de aproximación en régimen subcrítico.
(D.L.Vischer & W.H.Hager).
1/2
 5g 
(24)
QD  2 R3  
 b 
Flujo de aproximación en régimen supercrítico
El gasto de diseño QD está en función del diámetro de la
lumbrera de caída (Kellenberger, 1988)
Ilustración 4. Salto hidráulico para flujo supercrítico en el canal
de aproximación.
1/2
  D 5 
QD   g  s  
(25)
  1.25  
El flujo de entrada en régimen supercrítico genera un salto a lo
largo de la pared exterior de la espiral sobre la estructura de
llegada (ilustración 4). La altura máxima de la ola hm y su
ubicación αm dependen del número de Froude y de la
geometría de la cámara en espiral. Kellenberger dedujo la
siguiente expresión:
 2bh2 1 
hm
 (0.15F  1.1)  F 3  S0i  (26)
R1
2 
 R1
El valor del ángulo αm se obtiene con la siguiente expresión:
1/2
 h
 75  
(27)
F
 R1 
S0i pendiente de plantilla de la espiral en la cámara espiral
F número de Froude en el canal de llegada.
m
Captación de alta caída libre
El funcionamiento de este tipo de estructura es muy básico ya
que los gastos transportados por el drenaje superficial son
En la ilustración 5 se muestran las variables que intervienen en
el cálculo hidráulico y diseño de este tipo de estructuras
(DGCOH, 1989). El método analítico contempla el balance de
las energías así como expresiones empíricas.
Diseño Hidráulico
Se calcula el tirante crítico.
Se obtiene el valor de pm  con la expresión empírica:
0.4
 Q  

H 

 1.596  V   0.805  (28)

  g 
 Dl 

Donde: HV, altura del vertedor; Dl, diámetro de la lumbrera de
caída. Se recomienda proponer valores de HV / Dl entre 0.80
y 2. A partir de la ecuación de la energía se obtiene:
V2 p
(29)
H R  H c  yc  c  m
2g 
Donde HR es la altura del nivel de energía, Hc altura de caída,
Vc2/2g carga de velocidad en la sección crítica, pm  carga de
presión media sobre la losa de la estructura amortiguadora.
pm
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Por esta razón, se propuso un cambio gradual entre el canal y
la lumbrera a través de un cimacio de sección rectangular cuyo
ancho inicial es igual al del canal de aproximación y el ancho
final es igual al diámetro de la lumbrera. Su función es
asegurar que el flujo se adhiera al fondo, evitando zonas de
baja presión. Adicionalmente, se debe colocar una transición
al final del cimacio, de tal forma que la estructura cambie de
sección rectangular a sección circular. Las recomendaciones
de diseño están en función del diámetro y se muestran en la
ilustración 6.
Ilustración 5. Variables que intervienen en el diseño de una
captación de caída libre (DGCOH 1989).
Una vez que se conoce el valor de HR, se calcula la desviación
estándar de la carga de presión sobre la losa de fondo de
acuerdo a la expresión:

Donde 
1.51
 Q 
 0.417 H R  2.5

D

g 
 l
p
(30)
p
es la desviación estándar de la carga de presión

sobre la losa de fondo.
Conocida la desviación estándar de la carga de presión sobre
la losa de fondo, es posible obtener los valores máximos y
mínimos de oscilación de la altura del agua, ya que:
p pm
p
(31)

 K



p  es la carga de presión máxima y mínima. Se sugieren
valores de K=1.65 y K=1.96 para niveles de confianza del
90% y 95% respectivamente.
El método de diseño de la captación con caída libre se basa en
proponer distintos valores de Dl y de Hv. El diseño óptimo
será aquél que para cierto valor de Hv / Dl se obtengan valores
mínimos de carga de presión en el fondo con el objeto de
reducir el impacto del agua en la estructura.
En un principio se planteó que el eje del canal de
aproximación (colector madrina) pasara por el centro de la
lumbrera de caída. De dicho arreglo se observó
experimentalmente que debido a su funcionamiento
hidráulico, se impide la recirculación de aire bajo la caída del
chorro, provocando que el aire arrastrado por el flujo no sea
sustituido, por lo que llegan a formarse bajo el chorro zonas de
baja presión que en ocasiones, llegan a provocar oscilaciones
en el flujo, produciendo vibraciones en la lumbrera de caída y
causando graves daños.
Ilustración 6. Geometría de la caída libre con cimacio.
Captación de alta caída con ranura vertical
La necesidad de diseñar un tipo de captación de alta caída que
combine las ventajas que presenta la cámara en espiral con
aquellas que presenta la estructura de caída libre ha dado
como resultado un tipo de captación denominada captación de
alta caída con ranura vertical.
La estructura de caída con ranura vertical consiste en un canal
de transición cuyo ancho inicial es igual al ancho del canal de
aproximación y el ancho final es igual al ancho e de la ranura
de entrada a la lumbrera. Para un mejor funcionamiento, la
pendiente del canal de transición debe ser significativamente
mayor a la del canal de aproximación. La geometría se
muestra en la ilustración 7.
Conocido el gasto de descarga y la geometría de la estructura
de llegada es posible determinar el tirante del agua en el canal
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de transición. Si el régimen del flujo en el canal de llegada es
subcrítico y la descarga es libre, al inicio de la rápida se
presenta el tirante crítico, lo mismo sucede si el canal tiene
pendiente horizontal y descarga libre.
Para gastos de mayor magnitud, la sección de control se ubica
al final del canal de transición, al inicio de la lumbrera de
caída en el punto P mostrado en la figura y se considera que el
flujo en este punto se encuentra en régimen crítico tanto que
aguas arriba se encuentra en régimen subcrítico.
Q B 
2
(36)
2g y2
Sustituyendo Ea y Ej de las expresiones (34) y (35), la
ecuación (36) se puede expresar en términos adimensionales
como:
1
(37)
E*  y*  2
2 y*
En donde:
Ea  y 
y* 
y
yca
(38)
3

E*  ( B cos )3/2  z*
(39)
2
e
z
(40)
z* 
yca
Para valores de E*  1.5 , la sección de control se ubica en la
entrada a la lumbrera (Jain 1984). A partir de las ecuaciones
anteriores, el gasto crítico de se obtiene:
(41)
ge(2 z / 3)3/2
Qc 
3/2
2/3

e 
2/3
 cos    
B 

Para un gasto de diseño Qmax, el diámetro mínimo de la
lumbrera de caída puede obtenerse con la siguiente relación
empírica (Hager y Vischer, 1995):
1/5
 Q2 
DS  
(42)

 g 
A fin de asegurar la formación de un núcleo de aire en la
lumbrera de descarga, Jain y Kennedy sugieren la siguiente
expresión para un diseño conservador:
1/5
Ilustración. 7. Geometría de la cámara con ranura vertical.
La energía específica en el canal de transición es
V2
(32)
E
 y cos 
2g
Cuando la sección de control se presenta a la entrada de la
lumbrera, el tirante crítico se determina
2
1
Q
(33)
ycj   
 e  g cos 
En donde e es el ancho de la ranura vertical que forma el canal
de aproximación con la lumbrera. La energía específica en
este punto se obtiene mediante la expresión:
3
1/3
3  (Q / e) 
2/3
(34)
 cos  
2  g 
Si se desprecian las pérdidas en el canal de transición, la
energía específica en el canal de resulta:
(35)
Ea  E j  z
En dónde z es la diferencia de elevaciones desde el canal de
aproximación hasta la entrada a la lumbrera.
Ej 
Así mismo, la energía específica en el canal de aproximación
está en función del gasto y del tirante:
1/3

 

Q2 e
1
4  3 6
(43)
 
 1
4
 g D cos    1  (e / D) 
Para poder relacionar el gasto, el diámetro de la lumbrera, el
ancho de la ranura y el ángulo de plantilla con el fin de
obtener resultados favorables, Jain y Kennedy recomiendan el
uso de las siguientes expresiones:
1/5
 Q2 
D  k 

 g 
(44)
3/5
1/5
 4 (e / D)1/3
  Q2 
1
D  
 
 (45)
4/3
  1  (e / D) cos    g 
El valor de k depende del ángulo β y de la relación e / D y
oscila entre 0 y 1. La ecuación (45) muestra que para un valor
dado de e / D , el valor de k se incrementa en poca medida
conforme aumenta el valor de β.
Las ilustraciones 8.a y 8.b muestran el valor de k en función
del ángulo β para valores de e / D  0.2 y e / D  0.25 . Para
un diseño conservador, se puede adoptar un valor de k =1.2.
Se define Qf como gasto libre de descarga y equivale al gasto
que puede ser descargado libremente por la estructura. Su
valor puede calcularse con la expresión:
D 

Q f   tan 

1 e / D 

3/2
ge cos2 
(46)
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Qc debe ser menor que Qf, con el objeto de evitar flujos
inestables y condiciones que propicien saltos hidráulicos.
Ilustración 8.a
Ilustración 8.b
Ejemplo de aplicación
Se desea conducir un gasto de diseño de 10 m3/s a una
profundidad de 25 m hacia un túnel profundo. El gasto es
conducido por el sistema de drenaje a través de un canal de
aproximación de sección rectangular de 2.5 x 2.5 m a una
profundidad de 10 m por debajo del nivel de calle. La
pendiente del canal es S0 = 0.001 y el coeficiente de Manning
es n = 0.014.
Para un caso práctico se debe determinar el tirante de llegada;
pero para este ejemplo se considera que se presenta el tirante
normal yn en el canal de aproximación. Para esta condición el
tirante normal, la velocidad y el número de Froude resultan:
yn   2.26m
V
Q
10

1.77m/s
A 2.5  2.26
F  0.38  0.7 , régimen subcrítico estable, dentro del límite
recomendado.
Cámara en espiral
Ilustración 9. Geometría de la cámara en espiral.
Captación de alta caída libre
El tirante crítico, la velocidad crítica y la carga de velocidad
crítica son:
yc  3
Q2
102
3
1.18m
2
gb
9.81  2.52
Con la ecuación (24) se determina el radio de la lumbrera, el
cual resulta R = 1.04 m, por lo que D = 2.08 m, este valor se
ajusta al diámetro comercial inmediato superior, el cual es
Vc 
DS  2.13m
Vc2 3.42

0.589m
2 g 19.62
Además, se proponen: c = 0.20 m, s= 0.10 m, ΔR = (Ds/6) ≈
0.35 m.
A partir de las ecuaciones (1) a (6) se diseña la cámara en
espiral y se obtiene:
a  R  R  c  s  b  1.065  0.35  0.2  0.1  2.5  4.125m
b  s 2.5  0.10

 0.37 m
7
7
R4  R  R  c  e  1.065  0.35  0.20  0.37 1.99m
R3  R4  e  1.99  0.37  2.36m
R2  R4  3e  1.99  3(0.37)  3.10m
R1  R4  5e  1.99  5(0.37)  3.84m
e
En la ilustración 9 se muestra el diseño de la cámara.
10
 3.4m/s
2.5  1.18
Se proponen diferentes valores de diámetro de lumbrera Dl ,
desde 1m hasta 4 m, y empleando las expresiones (28) a (31)
se obtienen los valores de las cargas presiones máximas y
mínimas. Con el objeto de disminuir la altura del vertedor se
propuso el valor de H v / Dl = 0.85, aceptando presiones
máximas de 6 m sobre la losa de fondo y oscilaciones no
mayores a 5 m. En tabla 1 se muestran los resultados
obtenidos, se destaca que el diámetro de la lumbrera resulta en
valores de 1.8 a 2.2 m.
El diámetro se ajusta al valor comercial inmediato superior de
tal forma que:
Dl  2.13m
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Tabla 1.
Hv/Dl =0.85
Dl
(m)
pm 
(m)
(28)
HR
p 
(m)
(29)
(m)
(30)
1
3.44
17.63
13.11
1.8
3.44
17.63
2
3.44
17.63
2.2
3.44
3
4
p  mín
(m)
(31)
p  máx
(m)
(31)
Oscila
ción
(m)
-18.19
25.07
43.26
1.43
1.09
5.79
4.70
0.96
1.86
5.02
3.16
17.63
0.67
2.34
4.54
2.21
3.44
17.63
0.21
3.10
3.78
0.68
3.44
17.63
0.07
3.32
3.55
0.23
A partir de las recomendaciones de diseño mostradas en la
ilustración 6, se obtiene:
R  4.5Dl  4.5  2.13  9.59m
Hv  0.85Dl  0.85  2.13 1.81m
Longitud de la lumbrera z considerando un espesor de la losa
de fondo de 0.70m
z  Hc  4.5Dl  Dl  0.70  Dtúnel
z  25  9.59  2.13  0.70  5.0
z  7.58m
En la ilustración 10 se muestra el diseño geométrico
resultante.
Captación de alta caída con ranura vertical
Ilustración 10. Geometría de la estructura de caída libre con
vertedor.
El diámetro de la lumbrera de caída se determina con la
expresión (44). Para un diseño conservador se elige k  1.2
1/5
1/5
 Q2 
 102 
D  k 
  1.2 
 1.91m
 g 
 9.81 
Ajustando el valor al diámetro comercial superior inmediato y
ahora llamándolo DS :
DS  2.13m
Se recomienda un valor de β de 19° a 35°, por lo que se
propone β=27°.
z 1
tan 27  
L 2
Se propone un valor de z  2m y se obtiene L  4.0m
El ancho e de la ranura se determina con la ecuación (43):


1/3


 
e(10)2
1

 1
4 

3
6
4

 9.81 (2.13 )cos 27   1   e  


  2.13  
Al despejar e se obtiene
e  0.88m
Con la expresión (41) se determina el gasto de control Qc :
Qc 
 2(2) 
9.81(0.88) 

 3 

 0.88 
2/3
 cos 27 

 2.5 



3/ 2
2/3  3/ 2
10.46 m3 /s


Este valor se aproxima al valor del gasto de diseño de 10 m3/s,
por lo tanto se aceptan los valores del ángulo β y del ancho e.
Para determinar el tirante y J a la entrada de la ranura, se
plantea la ecuación de la energía entre el inicio de la rampa y
este punto, y se tiene:


Q2
Q2
z  y1 

y
cos




J
2
2

( B1 y1 ) 2 g 
(e yJ ) 2 g 


102
102

y
cos
27



J
2
2

(2.51  2.26) 2 g 
(0.88 yJ ) 2 g 
yJ  4.2m
2  2.26 
Para el ancho e = 0.88 m, el tirante crítico es yc =2.36m, por
tanto, en toda la rampa se presenta un flujo en régimen
subcrítico.
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negativas que pueden llegar a presentarse, por lo que no
representa una solución económica a largo plazo.
La captación con ranura vertical presenta las mismas ventajas
que la captación con cámara en espiral además de tener un
diseño más sencillo y compacto. La combinación de este tipo
de captación con una estructura disipadora eficiente puede ser
la solución más viable para conducir el gasto del drenaje
superficial a grandes profundidades.
Cabe señalar que para gastos mayores a los 20 m3/s, las
dimensiones de las captaciones aumentan considerablemente,
ocupando grandes espacios dentro de la lumbrera constructiva
además de elevar el costo de construcción. Por esta razón es
recomendable contar con alternativas para reducir el gasto de
diseño como es el caso de estructuras de regulación, tanques
de tormenta o pozos de infiltración.
Ilustración 11. Geometría de la cámara con ranura vertical.
Conclusiones
La elección del tipo de estructura de alta caída depende de tres
principales factores a tomar en cuenta; estos son: el gasto de
diseño, las restricciones geométricas y las restricciones
económicas.
Las estructuras de alta caída con cámara en espiral han
demostrado ser muy eficientes en relación al comportamiento
del flujo y a la disipación de la energía a lo largo de la
lumbrera de caída. Esto último representa una gran ventaja al
momento de diseñar la estructura disipadora ya que cerca de la
mitad de la energía se disipa en la lumbrera. El
comportamiento del flujo en este tipo de captación no
representa daños en la estructura por lo que constituye una
solución económica a largo plazo. Adicionalmente, el tamaño
de la cámara en espiral es relativamente compacto, lo que
facilita el acceso a la lumbrera constructiva para trabajos de
inspección y mantenimiento. No obstante, el proceso
constructivo de la cámara de llegada puede resultar
complicado debido a la precisión geométrica que requiere y de
los métodos constructivos a emplear. Es preciso señalar que el
uso de este tipo de estructura requiere de un control adecuado
del flujo ya que su eficiencia está en función de la estabilidad
del mismo.
La captación con caída libre representa una solución sencilla y
económica en términos de diseño y construcción, siempre y
cuando el gasto de diseño sea de pequeñas magnitudes. Para
gastos mayores es necesario incorporar un cimacio entre el
canal de aproximación y la lumbrera, lo que resulta en una
estructura de gran tamaño, complicando su construcción y
elevando el costo de la misma. El comportamiento del flujo en
este tipo de captación puede llegar a dañar la estructura debido
a la forma en que se disipa la energía y a las presiones
La bibliografía referente a este tipo de captaciones además de
ser escasa, presenta a menudo errores algebraicos. Gran parte
de las ecuaciones presentadas son expresiones empíricas
resultado de ensayes de laboratorio con modelos a escala por
lo que su aplicación es limitada. Actualmente aún queda
mucho por estudiar en referencia a las captaciones de alta
caída, como es el caso de las estructuras amortiguadoras o las
caídas en cascada, que debido a la falta de estudios, no se
cuenta con las herramientas confiables para su diseño. Debido
a la falta de espacio, no se analizó en este artículo el
comportamiento del flujo en la estructura de caída, pero en
todos los casos, éste resultó dentro de las recomendaciones de
diseño (González Broc, 2012).
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