Metodología para el diseño de canales escalonados, disipadores de energía, empleados en drenaje urbano, basada en modelación física.

Abstract

Actualmente en Colombia, se ha presentado un incremento en la construcción de los canales escalonados (disipadores de energía), especialmente, por la construcción de vías y canalización de los drenajes naturales; sin embargo, no se cuenta con un análisis detallado del comportamiento del flujo, bajo este tipo de condiciones. La mayoría de investigaciones especializadas en el tema se han enfocado en determinar el comportamiento del flujo en canales escalonados, orientados en optimizar la disipación de la energía en presas de concreto compactadas con rodillos (CCR). Por lo anterior, existe la necesidad de validar las teorías reportadas en las literaturas especializadas, sobre diseño de canales escalonados disipadores de energía, aplicables al drenaje urbano. El principal objetivo de la presente tesis es elaborar una metodología unificada de diseño de canales escalonados, aplicable al drenaje urbano. Para lograr el objetivo, se realizó una búsqueda extensa de material bibliográfico y se validaron las diferentes hipótesis de diseño, mediante modelación física a escala reducida. A lo largo del proyecto de investigación, se desarrollaron dos montajes experimentales en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Nacional de Colombia (sede Medellín), con un canal de 6.0 m de largo y 0.394 m de ancho. Para cado uno de los montajes experimentales, se variaron, además de la pendiente longitudinal del canal, la longitud (l) de la huella y la altura (h) de la contrahuella, pasando, en el primer montaje, de 12º (h = 0.08 m, l = 0.367 m) a 8º (h = 0.08 m, l = 0.569 m); y en el segundo montaje, de 8º (h = 0.08 m, l = 0.569 m) a 17º (h = 0.08 m, l = 0.257 m). Para cada escenario de trabajo (o montaje), se simularon diferentes caudales, desde 0.010 m3/s hasta 0.845 m3/s. El caudal fue medido mediante un sensor magnético “SPARLING - GM657” y la profundidad del flujo, por medio de un sensor ultrasónico WL 705 - 12. Los valores medidos en el canal escalonado fueron comparados con los correspondientes a un canal de fondo plano, con una pendiente de 12º. En relación con los resultados, se pudo concluir que, con régimen de flujo rasante, se puede alcanzar una disipación de la energía específica de un 50%, y para el régimen de flujo saltante se logra una disipación del 94%. Para establecer una metodología unificada, se compararon los datos medidos en el laboratorio, con las propuestas de Llano (2003), González and Chanson (2007), Ohtsu et al. (2004), resultando un error de 15%, con respecto a la metodología de González and Chanson, y del 9%, con la de Ohtsu et al. Se descartó la metodología de Llano, debido a que solo era aplicable para canales escalonados, con una pendiente entre 30° θ 55°. Basado en los resultados obtenidos, se plantea una propuesta metodológica que incluye el diseño de canales escalonados, bajo el régimen de flujo rasante y saltante.

Abstract: Currently in Colombia, has been an increase in the construction of stepped channels (energy dissipators) especially by the construction of roads and canalization of natural drainages; however, there is no a de tailed analysis of the behavior of the flow under this circumstances. The majority of the specialized research about the theme has focused on determine the behavior of the flow on stepped channels, oriented on optimize the dissipation of energy in concrete dams compacted with rollers (RCC). Therefore, there is a need to validate the theories reported in the specialized literature on the design of the stepped channels for energy dissipation, applicable to urban drainage. The main objective of this thesis is to elaborate a unified methodology of design of stepped channels for energy dissipation, applicable to urban drainage. To achieve the objective, an extensive search of bibliographic material was carried out and the different design hypotheses were validated, by means of physical modeling on a reduced scale. Throughout the research project, two experimental assemblies were developed in the Hydraulics Laboratory of the Universidad Nacional de Colombia (Medellín eadquarters), with a channel of 6.0 m in length and 0.394 m in width. For each of the experimental assemblies, in addition to the longitudinal slope of the canal variation, the length (l) of the tread and the height (h) of the riser were varied, passing, in the first assembly, of 12° (h = 0.08 m, l = 0 .367 m) at 8 (h = 0.08 m, l = 0.569 m); and in the second assembly, from 8° degrees (h = 0.08 m, l = 0.569 m) to 17° (h = 0.08 m, l = 0.257 m). For each work scenario (or assembly), different flow rates were simulated, from 0.010 m3 / s to 0.845 m3/ s. ix Th e flow rate was measured by means of a magnetic sensor "SPARLING - GM657" and the depth of the flow, by means of an ultrasonic sensor WL 705 - 12. The values measured in the stepped channel were compared with those corresponding to a flat bottom channel, w ith a slope of 12° degrees. In relation to the results, it was possible to conclude that, with a skimming flow a dissipation of the specific energy of 50% can be achieved, and for the nappe flow regime a dissipation of 94% is achieved. in order to establis h a unified methodology, the data measured at the lab was compared with the Llano (2003), González and Chanson (2007), Ohtsu et al. (2004) resulting on a 15% error regard González and Chanson, and a 9% in regard to Ohtsu et al. methodology. Llano methodology w as discarded due the fact that is only applicable to stepped channels with a slope between 30 ° θ 55 ° degrees. Based on obtained results it is posed a methodology that includes the design of th e stepped channels considering the skimming and the nappe flow