Trabajo de consulta:

Compuertas Hidráulicas.

Acosta Botero Vanessa 0824924

Buitrago Anthony 0942901

Echeverri Restrepo Francisco 0732447

Materia: Hidráulica

Profesor: Carlos Ramírez

Escuela Eidenar

Universidad del Valle

Cali, Colombia

Octubre 4 del 2010

Introducción

Por medio de este trabajo, se pretende hacer una profundización, sobre uno de los métodos de aforo existentes, para el estudio de los fenómenos en la hidráulica de canales, los cuales se estudiaron en clase.

En este caso se trataron las compuertas, de las cuales se dirán sus aplicaciones y tipos, de acuerdo a la obra en la que se desarrollen, y así comprender y mostrar su utilidad e importancia en el campo de la ingeniería actualmente.

Historia y Desarrollo

Según la Enciclopedia Británica, una compuerta hidráulica puede definirse como una barrera móvil para controlar el paso de un fluido a través de un canal o de una represa. Esta definición explica a la compuerta hidráulica como una estructura de funcionamiento mecánico que posee ciertas características físicas para el control de un flujo a través de un sistema hidráulico.

A partir de esta definición se puede citar algunas reseñas históricas que permitirán entender el uso de este tipo de mecanismos.

El uso de compuertas en estructuras hidráulicas esta estrechamente ligado a la búsqueda de soluciones para problemas de irrigación, suministro de agua y sistemas de navegación. En los comienzos de la ingeniería hidráulica se utilizaban diques de represamiento para depositar el agua en canales de irrigación y los excesos de agua eran vertidos sobre el dique. Como una evolución natural a este mecanismo, se empezaron a construir diques movibles, los cuales podían ser desplazados de su posición original para permitir que los excesos vertieran con mayor seguridad para el conjunto del sistema hidráulico.

Los primeros acercamientos a compuertas fueron dados en China, alrededor del ano 983. Los chinos desarrollaron una gran red de comercio y transporte fluvial, lo cual obligo a desarrollar tecnologías que permitieran navegar con mayor seguridad y precisión. Para sortear las zonas de rápidos empezaron por crear diques con pendientes en las riveras del canal, y los barcos eran arrastrados manualmente hasta pasar el dique. Debido al alto consumo de tiempo y energía en este proceso, crearon la primera estructura parecida a un esclusa, la cual consistía en dos diques separados a una cierta distancia, creando una especie de piscina controlada a la cual entraban los barcos a navegar por si solos. Los niveles de agua eran controlados por barreras creadas con troncos atravesados horizontalmente, los cuales eran deslizados por rendijas cavadas a ambos lados del dique. Partiendo de troncos individuales que eran colocados y removidos uno por uno, llegaron a troncos amarrados formando barreras

compactas y haladas por cuerdas, lo cual era conocido como compuertas tipo guillotina.

En Holanda, el desarrollo de las compuertas siguió un curso parecido al de China, a diferencia de que los sistemas de cámaras con esclusas eran bastante utilizados al interior de las ciudades como medio de transporte. Compuertas tipo guillotina eran utilizadas con contrapesos para poder vaciar gradualmente las cámaras de las esclusas.

En el siglo XVIII apareció el primer canal con esclusas en América, llamada el Little Fallss Canal, este canal presento una novedad respecto al desarrollo de las compuertas, ya que las compuertas de madera que cerraban las esclusas no formaban una placa plana, si no que formaban un ángulo en dirección de aguas arriba y se mantenían cerradas gracias a la fuerza de presión del agua contenida debajo de ellas. Cerca a la base de las compuertas se instalaron mecanismo de pivotes que permitían la entrada y salida del agua.

Este tipo de compuertas que dejaban de trabajar verticalmente para trabajar como pivotes en base a la presión del agua se empezaron a utilizar desde el siglo XV en Italia. Estas compuertas hacían parte de un tipo de esclusas llamadas Pound Locks, las cuales se convirtieron en la base de las esclusas que en la actualidad son implementadas; la palabra Pound es utilizada para ilustrar el compartimiento que es llenado y vaciado con agua entre las dos compuertas. Filipo Maria Visconti diseño en 1439 la primera esclusa de este tipo en Vareno, Italia, aunque la invención de este tipo de compuertas se le atribuye a Leonardo da Vinci. El primer dibujo del cual se tiene constancia actualmente es de 1497, y en el se puede observar un mecanismo muy parecido al actual (Fig 1).

Fig 1.

Otro tipo de compuertas implementadas en el siglo XIX son las Segment Gates, cuyo nombre atribuye a la forma curva de cada una de las compuertas, las cuales se pueden ver como segmentos de cilindro. Como mas adelante se vera, estas compuertas están sujetas a tracción por brazos hidráulicos en el sentido radial de su curvatura. Las mas viejas compuertas de este tipo fueron utilizadas en 1853 para el Rio Siena, en Paris, Francia. Otras compuertas de este tipo fueron utilizadas en 1860 en el delta del Nilo, Egipto.

El desarrollo de las compuertas siguió de forma acelerada y sujeto a las necesidades de mayor envergadura y capacidad para las esclusas. Los países pioneros en el desarrollo de compuertas en el siglo XIX y comienzos del XX fueron Estados Unidos, Alemania y Holanda, los cuales empezaron a utilizar este tipo de estructuras para acueductos de ciudades y para manejo de cuencas hídricas en la construcción de otras obras civiles.

Componentes de una compuerta.

Las compuertas constan básicamente de 3 componentes: la hoja o placa, las partes incrustadas y los mecanismos de operación.

La hoja o placa es un elemento movible que servía como tabique hermético para el paso del agua, su principal función es represar el fluido. Los sellos o empaques están hechos de bandas de caucho y están enroscados en la placa plana. Los elementos de guía y soporte se encuentran adjuntos a la hoja, tales como ruedas, rodillos, zapatas, placas de soporte etc.

Los componentes incrustados se pueden ver como todos los elementos que están unidos al concreto y que se encargan de guiar y acoger la hoja, para redistribuir en el concreto las fuerzas actuantes en la compuerta. Elementos que pertenecen a este tipo pueden ser entre otros, los rieles para ruedas o deslizaderos, guías laterales, contraguías, dinteles o soportes de los empaques. (Fig 2.)

Los mecanismos de operación son los directamente responsables de la apertura y cerrada de las compuertas. Algunas compuertas son movidas por la presión del agua, tales como las de sector, de tambor y de trabado.

Fig 2.

(a) Hoja de la compuerta. (b) ruedas. (c) pasador de ruedas. (d) travesaño terminal. (e) empaque superior. (f) placa plana (g) empaque inferior.

Aplicaciones principales

Las compuertas tienen un amplio rango de aplicación en diversos campos de la ingeniería civil e hidráulica. Entre sus principales usos se puede hacer el siguiente listado:

a) Control de flujos de aguasb) Control de inundacionesc) Proyectos de irrigaciónd) Crear reservas de aguae) Sistemas de drenajef) Proyectos de aprovechamiento de suelog) Plantas de tratamiento de aguah) Incrementar capacidad de almacenamiento de las presas

Tipos de compuertas y clasificación

Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de compuerta a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma del orificio, de la cabeza estática, del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares de operación.

o Compuertas Planas Deslizantes

Se les llama compuertas deslizantes pues para su accionar se deslizan por unos rieles guías fijos. Puede ser movida por diferentes tipos de motores.

Estas compuertas pueden ser de acero estructural, madera y en caso de pequeñas cabeza de hierro, el espesor y el material de la compuerta dependerá de la presión del agua y el diseño de los sellos. Al trabajar a compresión estas compuertas tienen buenas adaptaciones a los sellos presentando pequeñas fugas.

Este tipo de compuertas han sido utilizadas para todo tipo de cabezas, pero resultan ser mas económicas para pequeñas cabezas y tamaños moderados pues necesitan grandes fuerzas para ser movidas.

Fig. 3

Compuertas Planas de Rodillos

Las compuertas planas de rodillos están diseñadas especialmente para controlar el flujo a través de grandes canales donde la economía y la facilidad de operación sean dos factores preponderantes. Son denominadas compuertas de rodillos ya que están soportadas en rodillos que recorren guías fijas y generalmente tienen sellos de caucho para evitar filtraciones a través de los rodillos. Los rodillos minimizan el efecto de la fricción durante la apertura y el cierre de las compuertas, como consecuencia de estos se necesita motores de menor potencia para moverlas. Pueden ser diseñadas para abrirse hacia arriba o hacia abajo.

Estas compuertas son muy versátiles ya que pueden diseñarse tanto para trabajar bajo presión en una o ambas caras simultáneamente. Generalmente son de sección transversal hueca, para disminuir la corrosión e infiltraciones son rellenadas con materiales inertes como el concreto.

Compuertas Radiales (Taintor)

Las compuertas radiales se construyen de acero o combinando acero y madera. Constan de un segmento cilíndrico que está unido a los cojinetes de los apoyos por medio de brazos radiales. La superficie cilíndrica se hace concéntrica con los ejes de los apoyos, de manera que todo el empuje producido por el agua pasa por ellos; en esta forma sólo se necesita una pequeña cantidad de movimiento para elevar o bajar la compuerta. Las cargas que es necesario mover consisten en el peso de la compuerta, los rozamientos entre los cierres laterales, las pilas, y los rozamientos en los ejes.

Con frecuencia se instalan contrapesos en las compuertas para equilibrar parcialmente su peso, lo que reduce todavía más la capacidad del mecanismo elevador.

La ventaja principal de este tipo de compuertas es que la fuerza para operarlas es pequeña y facilita su operación ya sea manual o automática; lo que las hace muy versátiles.

Fig. 4

Compuertas Flap o Clapetas

Llamadas también clapetas, formadas por un tablero articulado en su arista de aguas arriba que puede abatirse dando paso al agua. Estas compuertas se abren automáticamente por un diferencial de presión aguas arriba y se cierran cuando el nivel aguas abajo supera el nivel aguas arriba o cuando el nivel aguas arriba alcance el nivel deseado de almacenamiento.

Existen compuertas clapeta de contrapeso, en las que los tableros se mantenían en su posición elevada por medio de un puntal, hasta que la sobre elevación del nivel del agua les hacía bascular sobre el extremo superior del puntal; también las hay sin contra peso que son recomendadas para aquellos casos de poca altura de agua y gran luz de vano.

Compuertas Ataguía

Están compuestas de vigas separadas colocadas unas sobre otras para formar un muro o ataguía soportado en ranuras en sus extremos. La separación de las pilas de apoyo depende del material de las vigas, de la carga que obre en ellas, y de los medios que se disponga para manejarlas, es decir, para quitarlas y ponerlas.

Compuertas Mariposa

Las compuertas tipo mariposa son utilizadas para controlar el flujo de agua a través de una gran variedad de aberturas. Aunque pueden ser utilizadas para controlar el flujo en ambas direcciones la mayoría de las instalaciones sólo las utilizan para controlar el flujo en una dirección.

Con las compuertas mariposa es posible tener una máxima cabeza de energía en ambos lados de la compuerta. La cabeza estática se mide desde el eje horizontal de apertura de la compuerta. La mayoría de estas compuertas son instaladas en sitios con baja cabeza de presión (menor a 6 metros). Las secciones transversales de este tipo de compuertas normalmente son cuadradas o rectangulares; las secciones circulares no son muy comunes ya que estas se utilizan en válvulas mariposa. Son ideales cuando hay poco espacio disponible ya que al girar respecto a un eje, no es necesario disponer de espacio para levantarlas y allí se puede ubicar el mecanismo de apertura. Estas pueden ser utilizadas como reguladoras de flujo, pues al rotar la hoja cambia el tamaño de la abertura y se regula el caudal que fluye a través de ella.

Compuertas Caterpillar (Tractor)

Son también conocidas como Compuertas de Broome, en honor a su inventor. Este tipo de compuertas son utilizadas tanto para altas como para bajas cabezas de presión. Han sido utilizadas con cabezas hasta de 200 pies en varios proyectos hidroeléctricos y de control de inundaciones.

Ambos extremos de la compuerta están equipados con orugas que facilitan su desplazamiento a lo largo de ranuras paralelas a los lados de la compuerta. Las orugas se mueven alrededor de la compuerta mientras la compuerta es movida. Este tipo de compuertas es movido por medio de cables de acero tirados por motores, lo que facilita su operación bajo diferentes condiciones de flujo.

Compuertas Cilíndricas

Las compuertas cilíndricas consisten en cilindros sólidos de acero (generalmente) abiertas en ambos extremos, que funcionan por el balance de las presiones de agua en las superficies interior y exterior. Este tipo de compuertas generalmente son levantadas por medio de cables o máquinas hidráulicas; como la presión del agua siempre se encuentra balanceada, el único peso que debe ser movido es el equivalente al peso propio de la compuerta.

Mecanismos Complementarios

Por sus grandes dimensiones, peso y cargas que deben soportar, las compuertas deben ser movidas por sistemas mecánicos (eléctricos, hidráulicos, manuales). Estos sistemas pueden ser de gran variedad y su utilización depende de múltiples factores tales como espacio disponible, cargas transmitidas a la estructura y por supuesto el tipo de compuerta que deben mover. Los sistemas más comunes son: pórticos, puentes grúa, vigas de alce, servomotores, contrapesos y malacates.

Se deben incluir mecanismos adicionales como: marcos, sellos, rieles, fuentes de potencia, dispositivos de transporte y sistemas de control para garantizar su buen funcionamiento.

Conclusiones

El desarrollo de compuertas como mecanismo fundamental en las estructuras hidráulicas que a lo largo de la historia se han utilizado para controlar y manejar las fuentes hídricas, ha ido a la par con el desarrollo de la ciencia. En un principio la ingeniería no era sino una expresión tangible de los desarrollos científicos, pero mas adelante el desarrollo de este tipo de estructuras obedeció a estudios muy específicos y profundos que se basaron en las necesidades económicas de los países desarrollados.

El manejo de medios fluviales de transporte requiere de una gran cantidad de estructuras hidráulicas, pues la navegabilidad en este medio no esta garantizada a partir de la naturaleza del medio. El diseño de la compuerta debe obedecer a la morfo dinámica del medio en la cual se implementara. El tipo de fuerza que se necesita para mover las compuertas es un factor importante, pues en algunos casos será suficiente con la presión ejercida por el fluido represado, mas que todo en el caso de represas y diques donde la compuerta es el mecanismo de aislamiento para el vertedero. En otros casos donde la intención es controlar el nivel de la esclusa el mecanismo que abrirá y cerrara la compuerta debe obedecer a las especificaciones graduales con las que se espera manejar el nivel del fluido.

Recomendaciones

Se debe tener en cuenta los aspectos técnicos de la estructura de control ya que dependiendo de su exigencia, así mismo se debe diseñar la compuerta cumpliendo con todas las normas exigidas por la reglamentación nacional, pues esto garantizará el cumplimiento del objetivo de la obra y evitará sobrecostos a la hora de modificar la compuerta.

Para ilustrar una de las necesidades que debe satisfacer una compuerta en una estructura hidráulica se plantea la siguiente recomendación hipotética. Si se necesitara diseñar una compuerta con fines aduaneros, es indispensable que el ancho de esta exceda el paso de los buques por mucho, porque como hemos visto el caso de Panamá, su canal debe ampliarse y por tanto la compuerta de paso final que controla el flujo del canal también deberá hacerlo, al paso de las nuevas flotas de buques que pasan por este canal.