Instrumentación de presas

Arquitectura. Construcción. Presas. Medidores de presión. Piezómetros hidráulicos. Piezómetros neumáticos. Piezómetros de cuerda vibrante. Piezómetro de resistencia eléctrica. Medición de infiltraciones

  • Enviado por: Lucy Guato
  • Idioma: castellano
  • País: Ecuador Ecuador
  • 25 páginas
publicidad
publicidad

CANALETA PARSHALL, MEDIDOR DE FLUJO PARA CANAL ABIERTO

VENTAJAS:

•Baja inversión
•Más resistente que cualquier metal
•Dimensiones estables
•Es una canaleta prefabricada, se tiene seguridad en sus dimensiones, moldeada en una sola pieza.
•Construcción resistente
•Resistente a la corrosión
•Su fabricación en fibra de vidrio, permite soportar el ataque químico de líquidos corrosivos.
•Fácil instalación
•Ligera y resistente; puede ser instalado en líneas de concreto
•Superficie lisa
•Esta característica minimiza la acumulación de suciedad.
•Durable
•Y más exacta que el concreto.
•Indicador de nivel
•Opcionalmente se suministra una regleta , la cual se localiza dentro del canal, para una indicación rápida de flujo
•Selección del tamaño de garganta apropiado


DESCARGA LIBRE DE FLUJO

Las tablas de descarga anteriores, son apropidadas para condiciones de flujo libre, y no aplica en casos de flujo sumergido. Existen condiciones de flujo libre cuando el nivel a el punto de medicion, corriente abajo, no excede al nivel de medicion corriente arriba, en 2/3 partes; ambos son medidos sobre la cresta del canal.


FLUJO LIBRE CONTRA FLUJO SUMERGIDO

En condiciones de flujo libre, el nivel de agua corriente abajo no afecta el nivel de la corriente arriba.

Tecnicamente hablando, el flujo de agua pasa a traves de la cabeza critica, usualmente cerca de la cresta del canal (la entrada a la garganta), en condiciones de flujo libre.

En condiciones de flujo sumerjido, la profunididad de la cola de agua es suficientemente grande como para afectar la profundidad de corriente arriba y es necesaria la medicion de la cabeza en dos lugares en el canal

El punto en el cual el flujo cambia de flujo libre a flujo sumergido, es llamado el punto de sumersion de transicion y es expresado como un porcentaje, el cual varia de tamaño a tamaño, siendo tan pequeño como el 55% y tan grande como el 80%.

Se tienen curvas de calibracion para una determinacion facil de flujo libre y sumergido, para lo cual existen totalizadores, indicadores y registradores electronicos disponibles en el mercado como complemento del canal parshall, tal como el medidor sigma, el que tiene integradas las curvas de canaletas para descarga libre, y pueden ser implementadas en el mismo, las condiciones de flujo sumerjido.

INSTRUMENTACIÓN DE PRESAS

1. EQUIPOS MEDIDORES DE PRESIÓN

Los piezómetros son comúnmente utilizados para medir la presión del agua que puede ser inducida durante la construcción de la presa. Se utilizan también para medir la presión del agua y el nivel de la superficie freática causadas por la infiltración del agua a través de porciones relativamente permeables del terraplén y la fundación. Dichas mediciones pueden llegar a ser críticas debido a posible tubificación u otras condiciones de inestabilidad o infiltración inducida, tales como elevaciones excesivas de la presión hidrostática. Los piezómetros pueden ser diseñados para operar como sistemas abiertos o cerrados.

Las celdas de presión total se utilizan para monitorear la presión estática total que actúa sobre una superficie plana y ayudan a definir la magnitud de esfuerzos principales en terraplenes y contra conducciones, estructuras de operación, fundaciones y paredes de retención.

ð      TIPOS BÁSICOS DE MEDIDORES DE PRESIONES

Muchos estilos y tipos de aparatos para medir presiones han sido utilizados a través de los años.

Los equipos de sistema cerrado incluyen:

Piezómetros hidráulicos

Se utilizan para medir la presión de poros en terraplenes y fundaciones de las presas. Este tipo consiste de uno o dos tubos llenos con fluido y una punta porosa; el piezómetro se conecta a un manómetro en el punto de observación. En el tipo de dos tubos, el segundo tubo sirve como un medio de limpieza para remover gas o sedimento acumulado.

-       Ventajas y limitaciones: La principal ventaja, un tiempo de lectura menor que con piezómetros de tubo abierto, poseen capacidad (aunque limitada) para medir presiones negativas, menos propensos a daños durante construcción.

-       Las desventajas: una significativa rata de falla, la necesidad de una caseta terminal en la pata, dilaciones en los trabajos de construcción durante la instalación y técnicas de mantenimiento anual algo complicadas que requieren entrenamiento especializado.

-       La falta de disponibilidad de estos equipos, altos costos de fabricación, los manómetros deben reemplazarse en promedio cada 10 años y algunas veces es difícil de conseguir los reemplazos adecuados.

Piezómetros Neumáticos

Los piezómetros neumáticos se instalan también en la presa. Se utilizan donde las operaciones de construcción podrían dañar otro tipo de instrumentación. Su uso también minimiza la interferencia con los equipos de construcción.

-         Ventajas y limitaciones: tienen fácil mantenimiento, un tiempo de retraso relativamente corto y el nivel del sitio donde se hacen las lecturas es independiente del nivel de la punta del piezómetro. El único mantenimiento requerido es la ocasional calibración de los manómetros de los equipos de lectura y la remoción de agua de las mangueras cuando se necesite.

-         La única limitación significante, es que ellos han sido usados por un tiempo relativamente corto y su durabilidad todavía está por probarse totalmente. Requiere de cantidad significativa de tiempo para la realización de las lecturas. Su proceso de lectura crea la necesidad de un entrenamiento de personal considerable.

-         Ensayos efectuados en piezómetros neumáticos indican que se deben calibrar antes de instalarse adheridos a las mangueras con su longitud a utilizar para determinar su desviación desde cero

Piezómetros de cuerda vibrante

Se instalan en fundaciones y terraplenes para el monitoreo de la presión de agua de poros. Como los otros sistemas de piezómetros cerrados, se emplean en terraplenes donde la utilización de piezómetros de tubo abierto podrían ser dañados si interfieren con el equipo de construcción. En algunas instalaciones se han utilizado para chequear la precisión de instrumentos adyacentes. También se utilizan donde se requiere el monitoreo de presiones de poros negativas.

-         Ventajas y limitaciones: ventajas, se incluyen su facilidad de lectura y mantenimiento, corto tiempo de respuesta en la lectura y la aptitud para suministrar presiones negativas. El único mantenimiento requerido es el cuidadoso mantenimiento de las unidades de lectura y las baterías.

-         Las limitaciones: inhabilidad para desairear las puntas de los piezómetros. En aplicaciones donde son importantes pequeños cambios de la presión de poros, es necesario hacer correcciones por cambios en la presión barométrica y por temperatura, aunque no es generalmente un problema en la mayoría de las presas.

-         Se requiere algún entrenamiento especial del personal para calibrar y ensayar el equipo antes de instalarlo.

-         Aunque no se tiene una amplia experiencia con estos equipos parecen ser rígidos y durables. La facilidad con que se pueden automatizar puede llegar a ser una ventaja importante en el futuro.

Piezómetro de resistencia eléctrica

Se utilizan en terraplenes y fundaciones.

-         Ventajas y limitaciones: El sitio de lectura es independiente de la localización del sensor. Sus limitaciones están relacionadas principalmente a la medición de diminutos cambios de resistencia. Requiere de precauciones extras y técnicas apropiadas durante su instalación y lectura

Celdas de presión total

Se utilizan para el monitoreo de la presión estática total (suelo y agua) en el terraplén de una presa de tierra, en su fundación, contra la superficie de conductos de concreto o estructuras adyacentes. Pueden ser neumáticas o eléctricas.

-         Ventajas y limitaciones: Facilidad y relativa rapidez de lectura. Además la elevación de los conductos y el sitio de lectura son independientes del nivel de la celda lo cual permite el uso de un sistema central de observación.

-         Las principales limitaciones de las celdas consisten en que su durabilidad a largo plazo no ha sido suficientemente probada y es necesario colocar un piezómetro en su vecindad para determinar la presión de poros y sustraerla de la total con el fin de conocer la presión estática, pueden medir efectivamente las presiones.

Los aparatos de sistema abierto incluyen:

Piezómetros Casagrande

Se usan para la medición de la presión del agua en terraplenes, fundaciones o en sitios seleccionados de los contrafuertes de las presas. Pueden instalarse en una perforación o en terraplenes durante construcción.

- Ventajas y limitaciones: Entre las ventajas tenemos:

~ Operación simple, costo de instalación relativamente barato (aunque la perforación puede ser costosa), confiabilidad, no existe problemas de corrosión, un largo y exitoso período de desempeño, no requiere mantenimiento, los datos tomados del piezómetro pueden utilizarse con poco o ningún cálculo matemático,

La punta piezométrica se fabrica de materiales inertes, durables que no se deterioran ni corroen, con ensayos simples se puede determinar su sensibilidad y la permeabilidad del suelo alrededor de la punta.

Limitaciones :

~ Los filtros porosos pueden llegar a obstruirse por la repetida entrada y salida del agua, el tiempo de lectura es relativamente largo, puede ser dañado durante construcción o interferir con el equipo, el tubo debe extenderse lo más verticalmente posible (lo cual excluye el monitoreo de áreas por debajo del embalse), las instalaciones en limo están sujetas a problemas resultantes de la tendencia de partículas finas a penetrar dentro del relleno de arena, reduciendo la sensibilidad del piezómetro

2. INSTRUMENTOS PARA LA MEDICIÓN DE INFILTRACIONES

Los equipos para la medición de infiltraciones se instalan en las presas para medir

Las cantidades de infiltración a través, alrededor y bajo terraplenes.

ð VERTEDEROS

Los vertederos son uno de los instrumentos más antiguos, simples y confiables para medir el flujo del agua en un canal si se dispone de suficiente caída y la cantidad de agua a medir no es muy grande. Los vertederos son instrumentos efectivos de medición porque si tienen un tamaño y forma determinados en condiciones de flujo libre y régimen permanente, existe una relación definida entre la forma de la abertura determina el nombre del vertedero rectangular, trapezoidal, o de corte en "v". Para un vertedero rectangular o uno trapezoidal, el borde inferior de la abertura se llama cresta y los bordes laterales se denominan lados o extremos. La lámina de agua que fluye sobre la cresta recibe el nombre de napa. Los vertederos operan mejor si la descarga se hace libremente a la atmósfera. Si el vertedero está sumergido o parcialmente sumergido, se presentan presiones negativas que afectan la descarga y producen errores en las mediciones de flujo. En ciertas condiciones, el espacio inferior de la napa se ventila artificialmente para mantener una presión cercana a la atmosférica. La condición de flujo libre es más deseable que la del flujo parcial o totalmente sumergido.

Selección del tipo de vertedero: Cada uno de los vertederos usados tiene características que los hacen apropiados para condiciones de operación particulares. En general los vertederos rectangulares sin contracciones o los de corte en "v" de 90 grados proporcionan más precisión en las mediciones que los vertederos Cipolletti y los rectangulares contraídos.

ð CANALETAS PARSHALL

Una canaleta Parshall es una forma especial de sección para medir el flujo en canales abiertos, la cual se instala en un dren lateral o zanja para medir una rata de flujo de agua.

Las canaletas Parshall tienen las siguientes ventajas:

-         Pueden operar con pérdidas de cabeza relativamente pequeñas.

-         Es relativamente insensible a la velocidad de aproximación.

-         Es apta para mediciones precisas de caudales para casos no sumergidos o con considerable sumergencia aguas abajo.

-         La velocidad del flujo es lo suficientemente alta para eliminar los depósitos de sedimentos en el interior de la estructura durante su operación.

Sus principales desventajas son:

-  Su costo es mayor en comparación con los vertederos.

-         Requieren de fundaciones sólidas e impermeables

-         Requieren de mucha precisión en su fabricación para un desempeño satisfactorio.

ð        MEDIDORES DE VELOCIDAD

En el mercado se encuentran disponibles varios tipos de medidores de velocidad con diferentes métodos de operación. Algunos usan el principio del tubo Pitot, otros utilizan equipos de propelas, medidores de flujo acústicos o correntómetros electromagnéticos. La mayoría de estos equipos se usan para medir flujo en tuberías y canales.

ð        RECIPIENTES CALIBRADOS

Es el método más simple para determinar la cantidad de flujo en drenes. Consiste en medir el tiempo que tarda en llenarse un recipiente de capacidad conocida. Se utilizan para flujos relativamente bajos.

3. INSTRUMENTOS PARA LA MEDICIÓN DE MOVIMIENTOS INTERNOS

La mayoría de movimientos significativos se clasifican como vertical, horizontal (traslacional) y rotacional. Los movimientos verticales, los cuales indican los asentamientos. Los movimientos horizontales o traslacionales se refieren a movimientos que son aproximadamente perpendiculares al eje de la presa resistencia al corte del suelo de la fundación o del suelo del terraplén.

Los instrumentos instalados para medir movimientos internos, tienen carácter permanente. Por lo tanto, los equipos deben ser comerciales, sencillos de operar, relativamente resistentes a la corrosión, durables, adaptarse fácilmente a las condiciones del lugar, y por supuesto, aptos para obtener la información de campo deseada. El registro de los instrumentos debe ser simple, de lectura directa, deben ser equipos mecánicos y eléctricos que puedan usarse por personal relativamente inexperto.

Los instrumentos usados para medir movimientos internos incluyen aparatos para asentamientos, inclinómetros, extensómetros, cintas de rotura y sistemas de radiosonda.

ð EQUIPOS PARA MEDICIÓN DE MOVIMIENTO INTERNO VERTICAL (IVM)

Estos equipos registran valores de consolidación en la dirección vertical a la estructura, la consolidación total y el asentamiento total del material de fundación.

Ventajas y limitaciones: Las ventajas del IVM incluyen la relativa precisión en la determinación de la consolidación de diferentes niveles de la fundación y el terraplén. El IVM mide la consolidación de cada estrato en intervalos verticales correspondientes al intervalo en el cual son instaladas las crucetas.

La desventaja de estos equipos está en la necesidad de instalarlos a medida que avanza la construcción de la estructura, ya que no es posible hacerlo en perforaciones. Como resultado de ello, interfieren con los equipos de construcción causando dilaciones en la construcción de las obras y se exponen a sufrir daños.

ð        PLACA - BASE DE FUNDACIÓN

La instalación de una placa -base de fundación se hace para medir la consolidación en los suelos de la fundación bajo una presa de tierra.

La placa-base de fundación consiste en una placa, una cruceta anclada y secciones de tubería de 1 ½ y 2 pulgadas.

La totalidad del instrumento se instala a medida que avanza la construcción del terraplén. Las lecturas se toman bajando un torpedo dentro de la tubería y se lee la distancia a la placa-base.

ð        INCLINÓMETROS DE INSTALACIÓN NORMAL

Los inclinómetros se usan para medir los movimientos laterales y su dirección en estribos, fundaciones, terraplenes y la consolidación inducida por el asentamiento de terraplenes y fundaciones. La medición de asentamientos a través del movimiento vertical del revestimiento del inclinómetro tiene en la actualidad mayor aplicación que el método del IVM. Así, la misma instalación permite medir simultáneamente asentamientos y movimientos laterales. El revestimiento del inclinómetro debe instalarse con juntas deslizantes, las cuales se acoplan a medida que avance la construcción, situación que brinda la oportunidad para medir los asentamientos, o debe instalarse en perforaciones con juntas de empalme, en estribos o en terraplenes completos, si no se esperan asentamientos importantes.

Ventajas y limitaciones: Pueden proporcionar información confiable y segura por años si se les proporciona una instalación adecuada, mantenimiento y si se usan procedimientos de monitoreo apropiados.

La única limitante es el requerimiento de algún grado importante de instrucción del personal que realiza las lecturas de los equipos.

ð        INCLINÓMETROS DE POSICIÓN FIJA

El inclinómetro de posición fija, o in situ, es un instrumento compacto usado para medir cambios progresivos en el ángulo de inclinación de un conjunto de lugares localizados a cierta distancia dentro del revestimiento de una perforación.

Ventajas y limitaciones: Tiene la ventaja, sobre los inclinómetros convencionales, de que puede instalarse en lugares que pueden llegar a ser inaccesibles para el personal encargado de la instrumentación, el sistema puede leerse automáticamente, tiene dos limitantes: solamente pueden medirse los puntos seleccionados a lo largo del perfil del hueco y su costo de adquisición e instalación.

ð        EXTENSÓMETROS

Los extensómetros de posición múltiple (multipunto) se diseñan para medir el desplazamiento axial de puntos determinados a lo largo del eje.

Los extensómetros normalmente se instalan sin revestimiento en perforaciones, pero en terraplenes si los lleva. Estos instrumentos son apropiados para instalaciones verticales, horizontales o en cualquier dirección.

Los extensómetros mas usados son de tres tipos: de barras, de alambre y de cinta.

4. EQUIPOS PARA LA MEDICIÓN DE MOVIMIENTOS SUPERFICIALES

Los equipos para medición de movimientos superficiales utilizados generalmente son los clinómetros, los puntos de control topográfico, puntos de control estructural y aparatos para medir agrietamientos en estructuras de concreto o conducciones. Algunos de estos equipos se miden por métodos topográficos teniendo como referencia mojones instalados fuera de la presa.

ð        CLINÓMETROS

Son equipos portátiles de fácil y rápida lectura que se utilizan para medir rotaciones verticales y horizontales de estructuras y masas rocosas. Las tres partes básicas del clinómetro son las plaquetas, el sensor y la unidad de lectura. Las plaquetas se fijan a la superficie de las estructuras de tal forma que se muevan con ellas.

Los clinómetros tienen la ventaja de ser ligeros, compactos y constituyen un método relativamente económico para obtener datos de movimientos rotacionales. Los datos, sin embargo se limitan solamente a los movimientos de la estructura o masa rocosa a la cual se fija. La rata del movimiento puede determinarse únicamente por comparación de lecturas sucesiva

ð        PUNTOS DE CONTROL TOPOGRAFICO

Se instalan en los taludes externos y sobre los estribos de las presas para detectar la magnitud de los movimientos verticales y horizontales, los puntos de control topográficos proporcionan un cubrimiento total de los movimientos de la presa en la medida en que ellos representen la superficie del terraplén, la lectura del movimiento de los puntos es una labor ardua y deben ejecutarse con una exactitud de 3 mm. Lo cual encarece los datos significativamente.

Los puntos de control topográfico consisten básicamente de tubos o barras de acero de refuerzo embebidas en concreto en el terraplén o los estribos.

El monitoreo de los puntos de control se realiza utilizando los métodos topográficos convencionales: triangulación y nivelación.

ð        PUNTOS DE CONTROL ESTRUCTURAL

Se instalan en algunas estructuras de una presa para detectar movimientos horizontales y verticales.

Los puntos se sitúan donde se sospecha que se puedan presentar movimientos importantes que puedan generar una condición crítica para el funcionamiento de la presa, y en lugares despejados y accesibles que permitan realizar las mediciones.

Los puntos se pueden monitorear por medio de técnicas de medición simples (una regla graduada) o por métodos topográficos simples o complejos según la necesidad

ð        EQUIPOS PARA MEDICIÓN DE GRIETAS

Se usan comúnmente para medir el movimiento relativo de masas intactas a ambos lados de una junta o de una grieta. Únicamente se mide el movimiento relativo del material a cada lado de la junta a menos que se disponga de un punto de control estructural cercano, caso en el cual es posible determinar el movimiento a ambos lados de la grieta.

Pueden utilizarse desde marcas simples ubicadas a cada lado de la grieta hasta equipos precisos patentados tales como el monitoreador calibrado de grietas de Avongard Products, el cual indica el movimiento en dos planos.

Unas simples marcas a cada lado de la grieta pueden ser suficientes, pero es más común la utilización de clavijas o tornillos colocados con resina epóxica en una medición muy exacta de la distancia entre los puntos de observación. Las lecturas periódicas indicaran la rata de movimiento.

5. EQUIPOS PARA MEDIR VIBRACIONES

Las vibraciones en los sitios de presa se pueden clasificar en dos categorías principales.

- Vibraciones naturales causadas por sismos.

- Vibraciones creadas por actividades constructivas.

Los efectos de ambas categorías de vibración son idénticos pero la magnitud y escala de la fuerza de vibración puede diferir grandemente. La posibilidad de daños tales como agrietamientos de las estructuras o la licuefacción de las fundaciones de las presas representa una condición seria y una obvia amenaza para su estabilidad.

No existen actualmente los medios para controlar o predecir con precisión la ocurrencia de sismos.

La intensidad y duración de las vibraciones que puede tolerar una estructura sin experimentar daños es muy variable. Las variaciones que existen en las vibraciones del suelo se deben a factores físicos como el tipo de material, su densidad, contenido de agua y su frecuencia natural de vibración. Otros parámetros que intervienen como el desplazamiento máximo, la velocidad máxima de partícula, la aceleración máxima, y la frecuencia pueden ser difíciles de determinar.

ð        MONITOREO DE EVENTOS SÍSMICOS

Dos clases de instrumentación sísmica se han utilizado para el monitoreo de presas y embalses: medidores de movimientos fuertes en y cerca de la presa misma y redes de sismicidad en el área del proyecto.

El monitoreo de movimientos fuertes se utiliza para medir la resistencia de la presa a temblores de tierra. Aunque las mediciones pueden usarse para verificar asunciones sísmicas de diseño, el beneficio más importante es guiar decisiones en la inspección y reparación después de que la presa ha sido sometida al evento sísmico.

Los datos suministrados por el equipo de monitoreo de movimientos fuertes se constituyen en información vital de entrada para resolver interrogantes y tomar decisiones. Los datos sobre deformaciones suministrados por la instrumentación estática también son valiosos porque los movimientos sísmicos frecuentemente causan movimientos tectónicos regionales y también deformación dentro de depósitos de suelos no cohesivos.

Los equipos para monitoreo de movimiento fuerte se conocen como acelerógrafos de movimiento fuerte o sismográficos.

   1 Antecedentes

 

 

Desde hace varios siglos el ser humano ha tenido la necesidad de medir el comportamiento físico del agua en movimiento o en reposo. Es por ello que ha inventado muchos aparatos que registran la velocidad, la presión, la temperatura y el caudal.

 

Una de las variables que más interesan es esta última, el caudal, puesto que a través de él se cuantificanÿ consumos, se evalúa la disponibilidad del recurso hídrico y se planifica la respectiva gestión de la cuenca.

 

El caudal, Q, se define como el volumen de agua, 'Instrumentación de presas'
, que pasa por una sección en un determinado tiempo, t, es decir:

 

'Instrumentación de presas'

(1.1)

 

'Instrumentación de presas'
Aforar es medir un caudal. Para realizar un aforo en un sistema hidráulico, se puede medir directamente el volumen, en un recipiente y el tiempo, con un cronómetro.

 

Este método volumétrico es el más recomendable, sin embargo a veces es difícil de aplicar, solamente resulta útil para caudales pequeÿos y donde las características físicas lo permitan.

 

Debido a lo anterior, han surgido los métodos indirectos, que como su nombre lo seÿala miden otras variables físicas distintas del caudal, como por ejemplo la velocidad o la altura piezométrica, para luego, aplicando los principios hidráulicos, obtener dicho caudal.

 

Los métodos de medición indirectos de caudales se pueden agrupar en dos tipos: ÿrea-Velocidad y Altura Piezométrica. A continuación se describen ambos métodos:

ÿ

 

      1.1  Método ÿrea - Velocidad
 

'Instrumentación de presas'
 

En este método se utiliza la ecuación de continuidad.

ÿEl caudal en una sección transversal de área A está dado por:

'Instrumentación de presas'

(1.2)

 

en donde la integral se aproxima sumando los caudales incrementales calculados para cada medición i, i = 1,2,…,n, de velocidad 'Instrumentación de presas'
ÿy profundidad Di. Las mediciones representan valores promedio a lo largo de un ancho 'Instrumentación de presas'
ÿdel cauce, luego el caudal se calcula como:

 

'Instrumentación de presas'

(1.3)

'Instrumentación de presas'

 

Por su parte, la velocidad 'Instrumentación de presas'
, en un punto, se puede medir, por ejemplo, con alguno de los siguientes dispositivos: flotador y reloj, molinetes y sensores de inducción magnética.

 

Con el flotador y el reloj se toman lecturas del tiempo que recorre un cuerpo que avanza flotando sobre el agua. El molinete registra el número de vueltas que impone el efecto dinámico del agua y se relaciona esta frecuencia de giro con la velocidad. El sensor de inducción magnética basa su funcionamiento en la ley de Faraday que dice que si un medio electroconductorÿ se desplaza en un campo magnético, una tensión inducirá dicho conductor; por lo tanto la tensión es proporcionalmente lineal a la velocidad del conductor eléctrico (corriente de agua).
 

Figura 1.1: Dispositivos para medición del Caudal

'Instrumentación de presas'

Al usar uno u otro aparato de medición es necesario tener siempre presente la posibilidad de generar errores en las mediciones, debido a que un pequeÿo error inicial se puede propagar y repercutir en el dato final.

 

 

      1.2 Método de la altura piezométrica

 

El otro método indirecto para medir el caudal que tiene una corriente de agua, es el que expresa este caudal como una función de la altura piezométrica. La relación es muy sencilla, siendo del tipo potencial:

 

'Instrumentación de presas'

(1.4)

En donde,

Q: caudal

C: coeficiente de descarga

hp: altura piezométrica

z: exponente

 

Tanto el coeficiente C como el exponente z, dependen de las características geométricas del dispositivo de medición que se trate.

 

ÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿ Figura 1.2: Dispositivos para medición del Caudal

'Instrumentación de presas'
 

 

Son varios los dispositivos que utilizan esta relación, como por ejemplo: vertederos, ÿCanaletas Parshall yÿ sensores de nivel, entre otros.

 

Existen en el mercado equipos que son más sofisticados, en donde las lecturas de las alturas o cargas piezométricas se realizan por medio de celdas de presión (transductores) y equipos ultrasónicos, que por un lado mejoran las mediciones notablemente, pero por otro resultan muchísimo más costosos.

 

Hay varios requerimientos para la instalación física de estos equipos de medición, que dependen de cada dispositivo en particular. En canales de superficie libre, la altura piezométrica debe medirse en lugares donde la altura de velocidad sea despreciable, lo cual se logra donde el agua escurre con flujo subcrítico o donde el agua se encuentra estancada.

 

 

 

      2 Experiencia Práctica

 

      2.1.1 Objetivos de la Experiencia

 

  • Aprender a utilizar en terreno distintos equipos para realizar aforos: molinetes, canaletas Parshall y sensor de nivel de agua, verificando el funcionamiento correcto de los medidores existentes, según el procedimiento de aforo.

 

  • Estimar el caudal circundante en el cauce.

 

  • Evaluar e interpretar adecuadamente los datos de medición proporcionados por cada uno de los diferentes dispositivos y poder correlacionar las lecturas obtenidas a través de las diferentes metodologías.

 

      2.1.2 Materiales y Métodos

 

Los materiales que se usarán en esta experiencia son los siguientes:

  • Molinete

  • Canaleta Parshall de 3”

  • Canaleta Parshall de 6”

  • Sensor de nivel de agua

 

      2.1.2.1 Método del molinete:

El molinete es un instrumento que tiene una hélice o rueda de cazoletas, que gira al introducirla en una corriente de agua. El de tipo de taza cónica gira sobre un eje vertical y el de tipo hélice gira sobre un eje horizontal. En ambos casos la velocidad de rotación es proporcional a la velocidad de la corriente; se cuenta el número de revoluciones en un tiempo dado.

'Instrumentación de presas'
Los molinetes pueden ir montados en soportes o suspendidos de cables. Antes de ser usados en el campo, deben ser calibrados por el fabricante para determinar la relación entre la velocidad de rotación de la hélice y la velocidad del agua.

La sección elegida para la medida con el molinete debe estar situada en un tramo recto y de una sección lo más homogénea posible a lo largo de dicho tramo.

Figura Nÿ 2.1: Dos Tipos de Molinetesÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿ ÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿ

a) Tipo taza cónicaÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿ ÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿ

'Instrumentación de presas'
ÿÿÿÿÿÿÿÿ

b) Tipo héliceÿÿ

'Instrumentación de presas'

 

'Instrumentación de presas'
Un molinete mide la velocidad en un único punto, es por esto que, para calcular el caudal total se deben realizar varias mediciones.

     Según sea el grado de precisión que se quiera obtener en el aforo, se tomarán mayor o menor número de puntos de medida en la sección. Cuando se pretende obtener una alta precisión, se elegirán mayor número de verticales en la sección y se calculará la velocidad media en cada vertical. Para cada sección entre dos verticales de medida, el área se calcula como el producto del promedio del alto por el ancho, y la velocidad media como el promedio de las velocidades medias en las verticales. El caudal de cada sección resulta directamente como el producto del área y la velocidad media, mientras que el caudal total se calcula como la suma de los caudales entre verticales.

Determinación de la velocidad media en la vertical:

     La velocidad media del agua en cada vertical puede determinarse mediante los siguientes métodos, dependiendo del tiempo disponible y teniendo en consideración el ancho, la profundidad del agua, las condiciones del lecho, los cambios de nivel, así como la precisión con que se desea operar:

 

a) Método de los puntos: Se deben realizar distintas observaciones de velocidad en cada vertical dependiendo de la profundidad del curso del agua. Para secciones de poca profundidad (menores a 60 cm) se realizan observaciones en cada vertical colocando el molinete a 0,6 de la profundidad total por debajo de la superficie libre. Para profundidades superiores, generalmente, se mide la velocidad a 0,2 y luego a 0,8 de la profundidad de la superficie libre y se usa el promedio de las dos medidas como la velocidad media en la vertical. En la Tabla 2.1 se resumen los antecedentes necesarios para el cálculo de la velocidad media de acuerdo a la profundidad del cauce:

 

Tabla 2.1: Método de los puntos

'Instrumentación de presas'

 

b) Método de múltiples puntos: consiste en medir velocidades en muchas posiciones de la vertical para definir el perfil de velocidad bastante bien y así calcular una velocidad media lo suficientemente exacta.ÿ El método es muy preciso, dependiendo del número de puntos de referencia medidos para el perfil, pero requiere de mucho tiempo.

c) Método superficial: implica medir la velocidad cerca de la superficie libre y despuésÿ multiplicarla por un coeficiente que va desde 0,85 a 0,95, dependiendo de la profundidad del agua, de la velocidad, y de la naturaleza del río o canal.ÿ La dificultad de determinar el coeficiente exacto limita la utilidad y la exactitud de este método. En general, se utiliza para medir la velocidad en crecidas, en donde no se recomienda efectuar un aforo convencional, para proteger los equipos hidrométricos.

d) Método de integración: En este método el molinete es sumergido y elevado a lo largo de toda la vertical a una velocidad uniforme. La velocidad de ascenso o descenso del molinete no deberá ser superior al 5% de la velocidad media del flujo en toda la sección transversal y en todo caso deberá estar comprendida entre 0.04 y 0.10 m/s. Se determina el número de revoluciones por segundo. En cada vertical se realizan dos ciclos completos y, si los resultados difieren de más de 10%, se repite la medición.

e) Curvas Isotáquicas: Consiste en trazar líneas de igual velocidad en el perfil del cauce y obtener la velocidad media de la sección por integración directa.

Figura Nÿ 2.2: Ejemplo de curvas isotáquicas en un cauce

'Instrumentación de presas'


2.1.2.2 
Método de la Canaleta Parshall

Los aforadores Parshall son instrumentos calibrados para la medida del caudal en cauces abiertos. Se describe técnicamente como un aforador de profundidad crítica.

Sus principales ventajas son que sólo existe una pequeÿa pérdida de carga a través del aforador, que deja pasar fácilmente sedimentos o desechos, que no necesita condiciones especiales de acceso o una poza de amortiguación y que tampoco necesita correcciones para una sumergencia de hasta un 60%. En consecuencia, es adecuado para la medición del caudal en canales de riego o en corrientes naturales con una pendiente suave.

El medidor consiste en una sección convergente con el fondo a nivel, una sección de garganta con el fondo con pendiente descendente y una sección divergente con el fondo con pendiente ascendente Gracias a ello el agua escurre a velocidad crítica a través de la garganta.

Figura 2.1: Canaleta de Aforo Parshall

'Instrumentación de presas'
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

La sección control del medidor está situada cerca del final de la sección convergente.

Los aforadores Parshall están calibrados para una altura piezométrica (ha), medida en un lugar definido de la sección convergente. La altura piezométrica de aguas abajo (hb) se mide en la sección de la garganta.

Los aforadores Parshall se construyen de muy diversos tamaÿos y se clasifican según sea la anchura en la sección de garganta. El Parshall más pequeÿo tiene una anchura de garganta de 1 pulgada (25,4 mm) y el más grande de 50 pies (15.250 mm.).

 

La ecuación de descarga es de la forma:

'Instrumentación de presas'

(2.1)

Donde:

K = coeficiente que depende del ancho de la garganta

u = coeficiente que varía entre 1,522 y 1,60.

ha = altura piezométrica en la sección de control A

Cuando la relación de sumergencia (hb/ha) excede el valor de 0,60 en medidores de 3, 6 y 9 pulgadas, entonces la descarga del medidor se reduce debido a la sumergencia. Bajo estas condiciones, las ecuaciones de descarga de los aforadores no son válidas y deben ser reducidas en la variación de la descarga debido a la sumergencia (QE). El caudal corregido (QS) será: QS = Q - QE; QE = reducción de descarga debido a sumergencia.


3  Guía de Trabajo

 

La experiencia será realizada en la Reserva Nacional Río Clarillo, la cual está ubicada en la precordillera de la zona central al sureste de Santiago, comuna de Pirque.

Figura 3.1: Reserva Nacional Río Clarillo

'Instrumentación de presas'

En el sector de Rodeo de Las Yegÿas en grupos de 3 alumnos se deben realizar al menos dos aforos en el río con el Molinete Gurley 622 A.

Figura 3.2: Molinete Gurley 622 A

'Instrumentación de presas'

Para esto los alumnos deben escoger las secciones a aforar, teniendo presente que:

ÿ         La sección elegida debe estar situada en un tramo recto y ser lo más homogénea posible a lo largo de dicho tramo.

ÿ         Verificar que la sección sea adecuada para el tamaÿo del molinete.

ÿ         Examinar las obstrucciones presentes en la sección y en caso de ser necesario remover las piedras pesadas que puedan dificultar una correcta medición. Todo esto debe ser realizado antes de comenzar el aforo, para así no alterar las condiciones del flujo.

Una vez escogido el sitio de medición se debe colocar un lazo de un extremo a otro para marcar bien la perpendicularidad al cauce.

Figura 3.3: Ejemplo de Sección de Aforo

'Instrumentación de presas'

Luego de realizar el aforo anterior, se debe ir a medir el caudal de aporte de la Quebrada de Las Tinajas al Río Clarillo utilizando una Canaleta Parshall de tamaÿo adecuado al sector escogido. Para esto se deberá:

  • Adecuar el terreno con palas e instrumentos disponibles para instalar la canaleta propiamente tal.

  • Encauzarÿ el flujo de tal forma que toda el agua sea captada por la canaleta

  • Cerciorarse de que la canaleta esté horizontal, vale decir, no presente una inclinación que pueda cambiar la altura del flujo.

Figura 3.4: Sector Quebrada de Las Tinajas

'Instrumentación de presas'

Una vez cumplidos los puntos anteriores se debe medir la altura de agua en la regla de la canaleta.

Figura 3.5: Canaleta Parshall

'Instrumentación de presas'

 

 
       4 Recomendaciones para trabajo post-experiencia

 

 

Una vez realizadas las mediciones, como trabajo post-experiencia se deben calcular los caudales resultantes en cada sección aforada y comentar los resultados.

 

Además, se debe elaborar un informe explicativo de la experiencia, dando énfasis a los métodos utilizados para la medición de caudal, las secciones escogidas, los resultados obtenidos y las conclusiones que se desprenden.

Para llevar a cabo lo anterior es necesario tener la relación entre la velocidad de rotación de la hélice del Molinete y la velocidad del agua, la cual está dada por el fabricante y se resume en la Tabla 4.1.

 

Tabla 4.1: Tabla de conversión de revoluciones a velocidadÿÿÿÿÿÿÿÿ

'Instrumentación de presas'

Las fórmulas del fabricante para obtener el caudal en base al uso de la canaleta Parshall están dadas por:

 

Canaleta Parshall de 3”:ÿ ÿÿÿÿÿÿÿÿ 'Instrumentación de presas'

 

(4.1)

Canaleta Parshall de 6”:ÿ ÿÿÿÿÿÿÿÿ 'Instrumentación de presas'

 

(4.2)

En donde H es la altura medida en metros

 

Se deberá calcular el caudal por las fórmulas anteriores de acuerdo a la canaleta utilizada y, además, calcular el caudal por la fórmula genérica ('Instrumentación de presas'
), deduciendo los coeficientes K y u, por los principios de Hidráulica. Comparar y comentar los resultados.

 

 

Figura 4.1: Características y medidas de Canaletas Parshall

'Instrumentación de presas'

'Instrumentación de presas'