Comportamiento hidráulico de aliviaderos de perfil estricto en zonas de gran altitud

Abstract

(English) This research explores the influence of altitude on the shape of strict profile spillways and their discharge coefficients, pressure field, and cavitation risk. An experimental campaign has been carried out next to the Condoroma dam, in Peru, at an altitude of 4075 m a.s.l. and the data obtained were compared with existing classical references. First, the influence of altitude on the spillway profile was analyzed. For this purpose, the discharge over a sharp crested rectangular spillway was analyzed, considering 5 discharge heights of 0.05, 0.10, 0.20, 0.20, 0.30, and 0.35 m and flow rates up to a maximum of 285 l/s. Classical fits by Creager (1917), Scimemi (1930), Creager et al. (1945), Hager (1987), and WES (1977) show some differences with respect to the profile resulting from the Condoroma experiments for all P⁄Hd ratios. The equation proposed for the Condoroma data allows the standard profile of a spillway to be defined at altitudes around 4000 m a.s.l. Near the ridge 0<x⁄H_d <0.5, for dimensionless profiles, there is a tendency for the Condoroma values to overlap with the classical profiles. For x⁄Hd >1, the Condoroma profile, it tends to separate from all the classical profiles, giving a slightly wider profile. In order to evaluate the discharge coefficients, up to five different spillway heights (P), characterized by the dimensionless value (P⁄Hd ) were analyzed. The results show that the discharge coefficients vary considerably, with values systematically lower than those obtained to date in previous studies at lower altitudes. With regard to the pressure field and the risk of cavitation in standard profile spillways designed according to the USBR criteria for the 5 different heights, the results are presented in standardized graphs and compared with previous studies, showing that the pressure ranges obtained are similar. In addition, the structural recommendations for the design of these spillways are compared, and it is found that in most cases they are more restrictive than in areas of lower elevation. With regard to the risk of cavitation, new plots are presented with for P⁄H_d showing that there is a critical value of H⁄Hd and that this is more limiting than the pressure load for all the P⁄Hd studied.

(Català) Aquest treball explora la influència de l'altitud sobre la forma dels sobreeixidors de perfil estricte i els seus coeficients de desguàs, camp de pressions i risc de cavitació. S'ha dut a terme una campanya experimental junt a la presa de Condoroma, al Perú, a una alçada de 4075 m s.n.m. i les dades registrades han estat comparades amb les referències existents clàssiques. Inicialment s’ha analitzat la influència de l’altura en el perfil del sobreeixidor. Per fer-ho s’ha analitzat funcionament d’un vessador rectangular de llavi fi, considerant fins a 5 alçades de vessament de 0,05, 0,10, 0,20, 0,30 i 0,35 m i cabals fins a un màxim de 285 l/s. Els perfils clàssics de Creager (1917), Scimemi (1930), Creager et al. (1945), Hager (1987) i WES (1977) mostren diferències respecte al perfil resultant dels experiments de Condoroma per a totes les relacions P⁄Hd . L'equació proposada en base a les dades de Condoroma permet definir el perfil estàndard d'un sobreeixidor a zones d'altitud al voltant dels 4000 m s.n.m. A prop de la cresta 0<x⁄Hd <0.50, per als perfils adimensionalitzats, hi ha la tendència que els valors de Condoroma es solapin amb els perfils clàssics. Per a valors x⁄Hd >1, el perfil obtingut a Condoroma tendeix a separar-se de tots els perfils clàssics donant un perfil més ample. Per avaluar els coeficients de desguàs s’han analitzat fins a cinc altures de sobreeixidor (P) diferents, caracteritzades pel valor adimensional P⁄Hd . Els resultats indiquen que els coeficients de desguàs presenten diferències substancials, amb valors sistemàticament inferiors als obtinguts fins ara, en treballs previs realitzats a altituds inferiors. Pel que fa al camp de pressions i el risc de cavitació en sobreeixidors de perfil estàndard dissenyats amb els criteris de la USBR per a les 5 altures diferents, els resultats es presenten en gràfics normalitzats i es comparen amb estudis anteriors, on es destaca que els rangs de pressions obtinguts són similars. A més, es comparen les recomanacions estructurals per al disseny d’aquests sobreeixidors i es comprova que en la majoria dels casos són més restrictives que en zones de menor altitud. En relació, al risc de cavitació es presenten nous gràfics pel que fa a P⁄Hd d'on es desprèn que hi ha un valor crític de H⁄Hd i sent aquest més limitant que la càrrega de pressió, per a tots els P⁄Hd estudiats.

(Español) Este trabajo explora la influencia de la altitud sobre la forma de los aliviaderos de perfil estricto, sus coeficientes de descarga, campo de presiones y riesgo por cavitación. Se ha llevado a cabo una campaña experimental junto a la presa de Condoroma, en Perú, a una altitud de 4075 m s.n.m. y los datos registrados se han comparado con las referencias existentes clásicas. Inicialmente, se analizó la influencia de la altitud en el perfil del vertedero. Para ello se ha experimentado el vertido sobre un vertedero rectangular de labio fino completamente aireado, considerando 5 alturas de vertido de 0,05, 0,10, 0,20, 0,30 y 0,35 m y caudales hasta un máximo de 285 l/s. Los ajustes clásicos de Creager (1917), Scimemi (1930), Creager et al. (1945), Hager (1987) y WES (1977) muestran algunas diferencias con respecto al perfil resultante de los experimentos de Condoroma para todas las relaciones P⁄Hd . La ecuación propuesta con los datos de Condoroma permite definir el perfil estándar de un aliviadero en zonas de altitud alrededor de los 4000 m s.n.m. Cerca de la cresta 0<x⁄Hd <0.5, para los perfiles adimensionalizados, existe la tendencia a que los valores de Condoroma se solapen con los perfiles clásicos. Para valores x⁄Hd >1, el perfil obtenido en Condoroma tiende a separarse de los perfiles clásicos, dando un perfil algo menos ancho. Para evaluar los coeficientes de desagüe, se han analizado hasta cinco alturas de aliviadero diferentes (P) de 0,05, 0,10, 0,20, 0,30 y 0,35 m caracterizadas por el valor adimensional (P⁄(Hd)) de 0.25, 0.50, 1, 1.5 y 2. Los resultados indican que los coeficientes de desagüe presentan diferencias sustanciales, con valores sistemáticamente inferiores a los obtenidos hasta la fecha en trabajos previos realizados a altitudes inferiores. Con respecto al campo de presiones y al riesgo de cavitación en aliviaderos de perfil estándar diseñados con los criterios de la USBR para las 5 alturas diferentes, los resultados se presentan en gráficos normalizados y se comparan con estudios previos, apreciándose que los rangos de presiones obtenidas son similares. Además, se comparan las recomendaciones estructurales para el diseño de estos aliviaderos y se comprueba que en la mayoría de los casos son más restrictivas que en zonas de menor altitud. En relación con el riesgo de cavitación, se presentan nuevos gráficos con respecto a P⁄Hd de donde se desprende que hay un valor crítico de H⁄Hd y siendo este más limitante que la carga de presión, para todos los P⁄Hd estudiados.