UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental Estudio realizado por encargo de bcasa Barcelona, 20 de Junio de 2017 1 ANTECEDENTES ......................................................................................................................... 1 2 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................... 1 3 METODOLOGÍA ......................................................................................................................... 3 3.1 EL MODELO HIDRÁULICO DEL PICBA 06’ ................................................................................................. 3 3.2 ESCENARIO DE LLUVIAS DEL T10............................................................................................................. 4 3.3 MODIFICACIÓN DE LA RED..................................................................................................................... 6 4 RESULTADOS............................................................................................................................. 7 4.1 RESULTADOS PREVIOS .......................................................................................................................... 7 4.1.1 Diagnosis PICBA 06’ .............................................................................................................. 8 4.1.2 Prognosis PICBA 06’ .............................................................................................................. 9 4.2 “ESCENARIO 1” ............................................................................................................................... .12 4.3 “ESCENARIO 2” ............................................................................................................................... .13 5 CONCLUSIONES ........................................................................................................................14 7 ACRÓNIMOS ............................................................................................................................16 8 BIBLIOGRAFÍA ..........................................................................................................................16 1 Antecedentes Con fecha 15 de Marzo de 2017 Barcelona Cicle de l’Aigua S.A., en adelante bcasa, se pone en contacto con el grupo de investigación GITS UPC para la realización de un estudio hidráulico del desdoblamiento del colector de la Diagonal en su tramo entre el Carrer Girona y el Passeig de Sant Joan. Dicho proyecto contempla solventar uno de los puntos negros del drenaje urbano de la ciudad de Barcelona. En este ámbito existe una capacidad insuficiente para el tránsito de precipitaciones correspondientes al periodo de retorno de 10 años (T10). Esta insuficiencia se traduce en una entrada en carga del colector llegando al vertido a calle través de las tapas de los pozos y consecuente inundación superficial. Esta insuficiencia se ha detectado tanto por las evidencias de campo como a través del modelado hidráulico de la red de drenaje, por lo tanto existe un consenso al respecto. Se da la situación coyuntural de la redacción de un proyecto de reforma de la calzada de la Diagonal que favorece la oportunidad de actuación en el subsuelo. Este documento constituye el cálculo hidrológico necesario para el diseño hidráulico del desdoblamiento del colector existente. 2 Introducción La hidrología es una ciencia extremadamente compleja. Únicamente la simplificación masiva ha permitido desarrollar unas metodologías de cálculo abordables. Conceptos como el coeficiente de escorrentía ocultan fenómenos extremadamente amplios y complejos. Si se trata de escribir de forma completa las ecuaciones que gobiernan el proceso de escorrentía se debe recurrir a la física de múltiples procesos: Flujo subterráneo en medio no saturado, representado por las ecuaciones de Richards (Richards 1967) Flujo superficial, representado por las ecuaciones de Navier Stokes (Pope 2000) Evapotranspiración potencial (Chow et al. 1988) Intercepción y ponding (Brutsaert 2005) Las ecuaciones de gobierno, juntamente con las de cierre dan lugar a un sistema no lineal de ecuaciones difícilmente abordable. Es cierto que se han producido intentos muy ambiciosos de modelar todo ese conjunto de ecuaciones, tanto de forma distribuida (Systeme Hydrologique Europeen)(Abbott et al. 1986) como agregada (HSPF) (Bicknell et al. 1996). Sin embargo resulta mucho más amplia la lista de éxitos derivada del uso de metodologías extremadamente simplificadas como puede ser el método racional modificado (Témez 1978) o el SCS CN (Chow et al. 1988), donde toda la complejidad del proceso se resume en la magia de un coeficiente único. 1 El proyecto aquí desarrollado se engloba dentro de la hidrología urbana, donde una parte de la complejidad del problema, la relacionada con la infiltración, se reduce notablemente. Por el contrario aparecen nuevos problemas como el mecanismo de intercepción del agua por parte de los imbornales o las entradas en carga del sistema de tubos y colectores. El objetivo primordial del presente estudio es establecer un caudal de diseño para la infraestructura. De forma consensuada se fija en diez años el periodo de retorno relevante. Esto significa que se parte de una lluvia asociada a dicho periodo de retorno y se propaga para determinar el caudal asociado. Existe una diferencia conceptual muy importante entre este tipo de hidrología urbana y la que se de en cuencas rurales, la diferencia no radica únicamente en el proceso de infiltración sino esencialmente en el acoplamiento hidráulica hidrología. En entornos rurales los procesos que ocurren cuando hay una precipitación son de índole natural, esto significa que, a parte de las posibles alteraciones antrópicas, se puede hablar de un “caudal natural”. En cuencas urbanas no se existe un concepto equivalente llamado “caudal urbano”, esto se debe a que el propio diseño de la infraestructura y sus colectores condiciona completamente los caudales, de manera en un mismo ámbito, con una red u otra, se obtienen resultados completamente diferentes. Por lo tanto establecer un “caudal de diseño” es muy complicado porque éste siempre vendrá condicionado por la propia infraestructura y todas las modificaciones que se produzcan en ésta alteran su valor. Para tratar de entender este problema se puede pensar en una red que tenga capacidad adecuada para su periodo de retorno de diseño. Si se cambia algún colector por desgaste se puede usar una sección diferente a la anterior y con unos materiales de rugosidad diferente. Con estas nuevas características la respuesta hidrológica de la red cambia y los caudales de diseño también. Por lo tanto no podemos hablar de un caudal de diseño único o absoluto, éste siempre vendrá condicionado por el estado actual o proyectado de la red y su vigencia será limitada. En contraposición tenemos las cuencas rurales donde se han identificado unas características hidrológicas llamadas “naturales”, expresadas en las ecuaciones de la teoría del régimen, que forma parte del núcleo de la geomorfología (Blench 1957, Leopold et al. 2012) y que describen de forma única infinidad de cuencas. Esta caracterización permite que la hidrología de las cuencas rurales pueda prescindir de la hidráulica completa para sustentarse en una forma simplificada, llamada enrutamiento, donde a partir de las características tipo de la cuenca se puede definir el tiempo de tránsito y la laminación experimentada por el caudal. Sin embargo, tal y como se ha visto, para drenaje urbano se debe calcular detalladamente la red, por lo tanto se debe ir a la hidráulica completa, incorporando mucha complejidad al cálculo. El caso de la ciudad de Barcelona posee algunas singularidades adicionales muy interesantes, como la gran dimensión de los colectores, que poseen una capacidad de almacenamiento 2 importante. De la misma forma existen grandes colectores que se comportan como canales, con uniones muy diferentes a los tradicionales pozos de registro 3 Metodología Actualmente está en curso la construcción de un nuevo modelo hidráulico de la red de drenaje de Barcelona por parte de bcasa. A falta de la conclusión de dicho modelo la única herramienta existente con validez es el modelo desarrollado en el marco del último plan director, denominado PICBA 06’. 3.1 El modelo hidráulico del PICBA 06’ Este modelo únicamente contemplaba la red drenaje primaria (de grandes dimensiones). La Figura 1 recoge una imagen del modelo numérico construido en el PICBA 06’. Puede apreciarse como únicamente los grandes colectores aparecen, y la mayor parte de la red no se incluye. Esto se debía a las limitaciones computacionales existentes en la época en la que se construyó el modelo. Las coordenadas usadas en el modelo no se corresponden con la referencia ED50 UTM 31N vigente en aquella época ni con las ETRS89 UTM 31N vigentes actualmente. [m] 43000.0 42500.0 42000.0 41500.0 41000.0 40500.0 40000.0 ) 39500.0 39000.0 38500.0 " 38000.0 ) 37500.0 37000.0 # 36500.0 " 36000.0 35500.0 35000.0 34500.0 76000.0 78000.0 80000.0 82000.0 [m] Figura 1. Imagen del modelo del PICBA 06 tal y como aparece en el software MOUSE de DHI. 3 ) ) ) ) ) ) ) ) Dicho modelo hacía uso del software MOUSE de DHI (“MOdel for Urban SEwers”), una de las herramientas más contrastadas para el modelado de redes de drenaje. Este software se basa en la resolución de las ecuaciones de Saint Venant (Barre de Saint Venant 1871) para canales unidimensionales, complementada con herramientas para el flujo a presión. Existen una serie de detalles relativos al cálculo, tal y como se ejecuta en MOUSE, que son importantes para el diagnóstico. En general MOUSE no resuelve las ecuaciones en régimen rápido, sino que usa una versión simplificada, onda cinemática u onda difusiva (Water&Environment 2004) El régimen rápido es relativamente común en redes de drenaje urbano Esto es consecuencia del algoritmo de Abbott Ionesqu que implementa (Abbott & Ionescu 1967) La configuración de los nodos por defecto es “surface flooding” Esta última característica es muy importante. Tal y como se ha comentado anteriormente la red de drenaje o alcantarillado no se concibe como una red a presión (a priori). Por lo tanto las entradas en carga deben evitarse. En el caso de entrar en carga por limitaciones del sistema deben adoptarse una decisión respecto al desbordamiento. Esto es lo que se denomina la estrategia de “surface flooding”. En esta aproximación se pretende que al tener un tubo de capacidad limitada no se produzca un gran vertido que mantenga la presión baja y que reduzca el agua en el sistema (perdiéndola). Por ello se conecta cada uno de los pozos de drenaje a un tanque de almacenamiento con una área 1000 veces mayor a la de un pozo de registro, en caso de entrar en carga e superar la cota de la calle el agua queda temporalmente almacenada en este ”depósito” de forma que al bajar el caudal se reintroduce en el sistema. En el caso que el agua se vertiese al superar la cota de calle se perdería, de forma que aguas abajo del nudo conflictivo llegaría menos agua y nos podría dar la sensación de que la red está correctamente dimensionada. Con el criterio por defecto de MOUSE se evita que estos desbordamientos “alivien” la situación de los otros tramos, de forma que si un pozo entra en carga sencillamente se acumula el agua dando lugar a niveles de agua superiores al nivel de calle, lo que es completamente imposible. 3.2 Escenario de lluvias del T10 De la misma manera que se ha determinado que el modelo del PICBA 06’ es el más adecuado para determinar los caudales, se hace uso de las lluvias de diseño elaboradas para dicho plan director (ver Figura 2, hietograma en forma de precipitación incremental). Se trata de un hietograma propuesto a partir de la vasta serie histórica de lluvias disponible, con pluviómetros de un siglo de vigencia para datos diarios y múltiples pluviógrafos distribuidos por la ciudad en los últimos 30 años. El hietograma se define a partir de los bloques alternados con una duración total de lluvia de 1 hora y 55 minutos y una duración de la simulación de 2 horas y 10 minutos. Viendo la figura se puede apreciar como el bloque central de máxima intensidad se ha dividido en dos bloques de intensidad constante de 13.7 mm en 5 minutos. Esto es una práctica común 4 dado que la forma de la IDF tiende de forma artificial a crear una asíntota en las duraciones muy cortas. 14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 00:00:00 00:20:00 00:40:00 01:00:00 01:20:00 01:40:00 1 1 1900 Figura 2. Precipitación de diseño en mm proveniente del PICBA 06'. Para ver la forma de la curva S equivalente se ha elaborado la Figura 3, en ella se superpone la precipitación acumulada. Se puede apreciar como la curva S está notablemente desplazada al inicio del episodio y tiene una cola larga. Figura 3. Hietograma de diseño en forma de precipitación incremental y acumulada. 5 3.3 Modificación de la red Tal y como se ha comentado en el apartado anterior existe una relación muy condicionada entre los resultados obtenidos para hidrología urbana y la red de drenaje existente. Esto tiene un fuerte impacto sobre este estudio ya que en él se pretende determinar los caudales de diseño. El protocolo a seguir consiste en substituir el cuello de botella constituido por el colector existente en la Diagonal para determinar qué sucedería en el caso de que no hubiese una capacidad limitada. A pesar de que parece una propuesta sencilla existen infinitas soluciones ya que cada propuesta de supresión del cuello de botella implica un diseño de colector, por lo tanto un resultado hidráulico diferente. Para tratar de entender este fenómeno considérese una sección de colector, ésta posee un área característica, una pendiente, una rugosidad y una relación radio hidráulico calado. La pendiente y la rugosidad condicionan la velocidad del flujo, el área la capacidad y la laminación y el calado modifica la celeridad de onda y por lo tanto la velocidad de propagación del hidrograma. Además existe una limitación adicional derivada del hecho de que el modelo escogido no es capaz de resolver el régimen rápido existente en el colector de Diagonal. El modelo substituye el sistema de ecuaciones dinámico por otro difusivo donde la celeridad en la propagación de la onda pasa a depender únicamente de la velocidad, de manera que si comparamos las velocidades de propagación de uno u otro modelo tenemos: Onda dinámica real V gH 3 2V Chezy (1) Onda difusiva/cinemática 5 3V Manning Donde H es el calado en el colector, g la gravedad y V la velocidad. Puede verse como la diferencia entre ambos es muy importante para números de Froude elevados (régimen rápido). Para el caso de Chezy tenemos: Modelo 3 2V V 0.5V  (2) Fr Modelo real 1 V  gH Por lo tanto cabe suponer que las velocidades de propagación del modelo son mayores que las reales. Con todas estas premisas de partida se hace una propuesta de ampliación del colector existente. Se supone que no se producirá variación de la pendiente ni del calado, e únicamente se incrementa la sección, duplicando su ancho. 6 De esta forma el comportamiento dinámico es análogo al existente, en cuanto a velocidades y celeridades con la salvedad de un mayor efecto de laminación. Esto se corresponderá con el cálculo denominado “Escenario 1”. En el presente estudio se ha llevado a cabo una calibración de la rugosidad del colector de la Diagonal. Esto se ha hecho para tratar de introducir los efectos de degradación del hormigón debidos a la presencia de sulfhídrico en cantidades importantes. Se ha tratado de introducir esta mejora de la rugosidad también en el modelo hidrológico. En el PICBA 06’ se usó un coeficiente de Manning de 0.0147, sin embargo la calibración ha llevado a un coeficiente de 0.018. Por lo tanto se ha repetido el cálculo hidrológico con un coeficiente de Manning de 0.018 y esto se ha llamado “Escenario 2” y ha sido el seleccionado para el diseño de la hidráulica. Únicamente por motivos de análisis de sensibilidad se incluyen los resultados del “Escenario 1” ya que tal y como se ha dicho los correspondientes al “Escenario 2” han sido los usado en el diseño. Podría pensarse que resulta redundante usar un modelo hidrológico hidráulico para establecer unos caudales que posteriormente se usan para un modelo hidráulico diferente. Podría pensarse además que existe la posibilidad de introducir la propuesta de diseño del desdoblamiento en este propio modelo y obtener los resultados acoplados, sin embargo ya se ha descrito en los puntos anteriores como el modelo existente tiene una limitación muy importante en los regímenes rápidos, por ello, para este proyecto particular se consideró que era necesario usar un modelo específico para el cálculo de colectores capaz de resolver correctamente el régimen rápido además de elementos singulares. Esta complejidad fue la razón principal de buscar el soporte de GITS UPC en el desarrollo del cálculo. El modelo utilizado es de implementación propia por ello se adapta el propio código a las necesidades del proyecto. La propuesta final presentada en el cálculo hidráulico llega a números de Froude muy altos debido a que se proponen varias rápidas de entrada a la cámara con saltos próximos a 10 metros. En este escenario un modelo como el utilizado en el PICBA 06’ no constituye una herramienta de proyecto sino de planeamiento básico. Por todo lo dicho anteriormente, del modelo hidrológico hidráulico MOUSE se espera la misma fiabilidad que se asocia a un modelo hidrológico, no se usan sus resultados para dimensionamiento hidráulico. 4 Resultados En este apartado se describen los resultados obtenidos a partir del modelo. Para poder contextualizar los resultados se hace una introducción de los resultados previos existentes. 4.1 Resultados previos Hay que destacar que existen numerosos antecedentes sobre los caudales de diseño. Así en el estudio con modelo reducido realizado con anterioridad en la UPC para el dimensionamiento de la cámara de Passeig Sant Joan se cita explícitamente un caudal extremo de 190 m3/s, valor suministrado por el Ayuntamiento de Barcelona. 7 4.1.1 Diagnosis PICBA 06’ En el estudio del Plan Director de Alcantarillado de Barcelona de 2006, en la fase de diagnosis (estado actual), se evalúa el caudal máximo transportado por la Diagonal en el punto de la entrada de la cámara en 96.45 m3/s (ver Figura 4). Se puede apreciar en el hidrograma como hay una meseta, esto se debe a que el colector existente en Diagonal va en carga con varias tapas desbordadas, por lo tanto el caudal viene limitado por su capacidad no por la hidrología. Precisamente este efecto es lo que se pretende eliminar en el cálculo para el diseño. [m3/s] 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 00:00:00 00:20:00 00:40:00 01:00:00 01:20:00 01:40:00 02:00:00 Figura 4. Hidrograma en el punto de la Diagonal correspondiente a la bifurcación de acceso a la camara de Passeig Sant Joan (resultado de la diagnosis del estado actual del PICBA 06’). En la misma línea, en la Figura 5 se presentan los resultados de presión para el estado actual obtenidos en el PICBA 06’. En color azul aparecen los tramos que no van en carga, con lo que la presión recoge valores negativos correspondientes al resguardo. En color azul oscuro casi negro aparecen las zonas con cargas de agua desde 1.5 hasta 3.3 mca (metros de columna de agua). Pude verse como toda la Diagonal va en carga con valores de hasta 5 mca. En muchas de estas zonas ya se ha producido el salto de tapas con lo que el modelo las usa como desagüe temporal de la red (con o sin almacenamiento, ver Apartado 3.1 del presente documento) por lo tanto sirven de cota superior para las presiones del sistema y limita los caudales de paso. De los mismos resultados la Figura 6 recoge el hidrograma obtenido en uno de los tres tubos de desagüe de la cámara de Passeig de Sant Joan. El caudal total es tres veces éste, por lo tanto es de 57 m3/s. De esta forma se concluye que la diagnosis indica que aproximadamente el 60% del caudal circulante por la Diagonal se desvía y pasa a través de la cámara de Passeig Sant Joan. 8 [m] [m] 39400.0 6.80 < 5.04 6.80 39200.0 3.29 5.04 39000.0 1.53 3.29 -0.23 1.53 38800.0 -1.98 -0.23 -3.74 -1.98 38600.0 -5.50 -3.74 < -5.50 38400.0 38200.0 38000.0 79000.0 79500.0 80000.0 80500.0 81000.0 [m] Figura 5. Resultados de presión para la diagnosis (estado actual) del PICBA 06'. Valores negativos indican resguardo, valores positivos entradas en carga. El resultado se da en mca (metros de columna de agua). [m3/s] 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 00:00:00 00:20:00 00:40:00 01:00:00 01:20:00 01:40:00 02:00:00 31-1-2000 Figura 6. Hidrograma correspondiente a uno de los tubos de desagüe de la cámara de Passeig de Sant Joan. Resultados obtenidos en la diagnosis (estado actual) del PICBA 06’. 4.1.2 Prognosis PICBA 06’ En el mismo plan director PICBA 06’ se realizó una prognosis corrigiendo la capacidad del colector de Diagonal. Para ello se propuso un desdoblamiento del colector actual (ver mapa de la Figura 8). La Figura 7 recoge los hidrogramas obtenidos para el colector existente y para el desdoblamiento, ambos a la altura del desvío de la cámara de Passeig Sant Joan. El colector 9 existente posee una bifurcación para garantizar el reparto y el desdoblamiento está directamente conectado a la cámara. [m3/s] Link Discharge Diagonal 80.0 Desdoblamiento 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 00:00:00 00:30:00 01:00:00 01:30:00 02:00:00 Figura 7. Hidrogramas en la colector existente en la Diagonal y en el desdoblamiento propuesto. Resultado de la prognosis realizada en el PICBA 06'. La suma de ambos caudales arroja un total de 160 m3/s, debe tenerse en cuenta que el modelo correspondiente a la prognosis incorpora todas las otras mejoras de red, por lo tanto no se puede concluir que el nuevo valor esté únicamente relacionado con el desdoblamiento. Debe tenerse en cuenta además que este valor se obtiene con una rugosidad de 0.0147 y con una configuración en la que se forzaba un desvío completo del caudal a partir de la Calle Balmes, seccionando el colector existente para su desvío completo. En contraposición con la modelación aquí realizada en la que sencillamente se amplía el colector existente para eliminar sus “cuellos de botella”, sin añadir medidas correctoras adicionales como correspondía a la prognosis del PICBA 06’. La Figura 8 recoge los resultados de las presiones de carga para prognosis del PICBA 06’. Se puede apreciar como todos los colectores van en lámina libre sin entradas en carga en la Diagonal. Dicho resultado contempla todas las medidas correctoras propuestas, con laminaciones adicionales por nuevas estructuras. Por todo ello difiere notablemente de la configuración de este estudio. El caudal total circulante en la cámara de Passeig Sant joan se representa en la Figura 9 para uno de sus 3 tubos de desagüe. Puede verse como es de 43.3 m3/s, dando un caudal total para la cámara 130 m3/s. 10 [m] [m] 38800.0 6.62 < 38700.0 4.89 6.62 3.16 4.89 38600.0 1.43 3.16 -0.30 1.43 38500.0 -2.03 -0.30 38400.0 -3.76 -2.03 -5.50 -3.76 38300.0 < -5.50 38200.0 38100.0 38000.0 79500.0 80000.0 80500.0 81000.0 [m] Figura 8. Resultado de presiones para la prognosis (estado de proyecto o corregido). Resultados correspondientes al PICBA 06'. [m3/s] 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 00:00:00 00:20:00 00:40:00 01:00:00 01:20:00 01:40:00 02:00:00 Figura 9. Hidrograma de desagüe de uno de los tubos de la cámara de Passeig de Sant Joan. Resultado del PICBA 06'. Este caudal se corresponde con el 100% del circulante por el desdoblamiento (78 m3/s) y el 60% del circulante por la Diagonal, equivalente a 52 m3/s. Existe coherencia en el modelo en cuanto al reparto inducido en la bifurcación de Diagonal Passeig Sant Joan. 11 4.2 “Escenario 1” Tal y como se ha descrito en los apartados anteriores el “Escenario 1” amplía la capacidad el colector de la Diagonal manteniendo su rugosidad, con el fin de permitir el tránsito de la avenida completa. La Figura 10 presenta el nuevo mapa de presiones, puede apreciarse como al igual que en la prognosis del PICBA 06’ se eliminan todos los cuellos de botella de la Diagonal. [m] 39400.0 [m] 5.81 < 39200.0 3.72 5.81 1.64 3.72 39000.0 -0.45 1.64 -2.54 -0.45 38800.0 -4.62 -2.54 -6.71 -4.62 38600.0 -8.80 -6.71 < -8.80 38400.0 38200.0 38000.0 78500.0 79000.0 79500.0 80000.0 80500.0 81000.0 [m] Figura 10. Resultado de presión en mca obtenido ampliando el colector existente en la Diagonal. La Figura 11 presenta el hidrograma obtenido en la bifurcación de Passeig de Sant Joan, el dato relevante es que el caudal pico llega a 190 m3/s, notablemente superior a la prognosis del PICBA 06’. En cuanto a su ubicación en el tiempo está sobre los 30’, muy cercano al obtenido en la prognosis del PICBA 06’ pero adelantado respecto a la diagnosis, donde debido a los efectos de acumulación en nodos y entrada en carga el pico de caudal aparecía a los 40’ (ver Figura 4). Al igual que en los hidrogramas anteriores aparece alguna pequeña inestabilidad numérica, en este caso a 1hr y 5 min. La Figura 12 presenta el perfil de agua obtenido en el tramo de Diagonal entre Passeig de Gracia y Passeig de Sant Joan. Se puede ver como el colector tiene capacidad más que suficiente para el paso de los 190 m3/s. De la misma forma se pueden apreciar los saltos encadenados que posee este colector. El cálculo correcto de estos saltos no es trivial, en este caso se ha optado por tener un diámetro de colector suficiente de sección para evitar que se produzcan fenómenos no deseados en los saltos con grandes pérdidas de energía y pérdida de capacidad. 12 [m3/s] 180.0 160.0 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 00:00:00 00:20:00 00:40:00 01:00:00 01:20:00 01:40:00 02:00:00 Figura 11. Hidrograma en la Diagonal a la altura de la bifurcación de la cámara de Passeig Sant Joan. L9 6 0 3 6 9 1 3 6 8 0 1 2 3 4-C 48 0 2 1 2 5 IV IV5 IV5 DS DS DS 2 S2 S2 S3 S3 S3 S3 S4 S4 S4 S4 S4 S4 [m] P- P- P- P- - - - D -D -D -D -D -D -D D D D D DP P P P P P P P P P- P- P- P- P- 46.0 44.0 42.0 40.0 38.0 36.0 34.0 32.0 30.0 28.0 26.0 0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 1000.0 [m] Figura 12. Perfil longitudinal entre Passeig de Gracia y Passeig Sant joan. 4.3 “Escenario 2” En el marco de este estudio se ha hecho una modificación importante del coeficiente de rugosidad de Manning, basada en medidas reales. Se ha considerado que el estudio hidrológico debía reflejar dichas modificaciones ya que son de gran relevancia. El “Escenario 2” contempla la modificación de la rugosidad para garantizar la coherencia entre estudio hidrológico e hidráulico. 13 El hecho de haber obtenido en el “Escenario 1” 190 m3/s es interesante porque era el número suministrado por CLABSA a la UPC en el estudio en modelo reducido de la cámara de Passeig Sant Joan. No existen datos de cómo se obtuvo ese número. El coeficiente de Manning calibrado para este proyecto pasa de 0.0147 a 0.018. Una vez modificado este valor se ejecuta de nuevo el modelo y en la bifurcación de Diagonal Passeig Sant Joan se obtiene el hidrograma representado en la Figura 13, con un caudal punta de 160 m3/s. [m3/s] 160.0 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 00:00:00 00:20:00 00:40:00 01:00:00 01:20:00 01:40:00 02:00:00 Figura 13. Hidrograma obtenido en la bifurcación del colector de Diagonal con Passeig Sant Joan para el "Escenario 2" con rugosidad baja. Tal y como se ha citado anteriormente este el caudal considerado como “caudal de diseño” para el estudio hidráulico del desdoblamiento proyectado. 5 Conclusiones Para el diseño hidráulico del desdoblamiento del colector de la Diagonal en su tramo entre Carrer Girona y Passeig Sant Joan se ha debido determinar el caudal correspondiente a 10 años de periodo de retorno. Para ello se ha usado un modelo hidrológico hidráulico. Las principales conclusiones de dicho modelado se recogen a continuación: 1. El modelo utilizado es el MOUSE de DHI, el mismo usado para el PICBA 06’, el plan director de alcantarillado vigente en la ciudad de Barcelona. 2. Se trata de un modelo poco adecuado para el cálculo en régimen rápido, por ello se interpretan sus resultados en clave hidrológica (caudal) descartando como poco precisos los resultados de calado y velocidad (hidráulica). 14 3. Se modifica el estado actual para tratar de eliminar las restricciones al paso de caudal existentes en la Diagonal y llegar a un valor “máximo posible”. Esto significa introducir un colector dimensionado para que sus efectos sean “neutros”. Este colector no tiene porqué ser el propuesto para el proyecto ya que su única finalidad es permitir el paso de la avenida sin restringirla. 4. Se han introducido las modificaciones de rugosidad derivadas de la calibración realizada en el contexto de este estudio. Estos cambios son relevantes ya que se pasa de una rugosidad en PICBA 06’ de 0.0147 a una rugosidad calibrada de 0.018. A esta modificación se la denominado “Escenario 2” 5. Los resultados de la diagnosis del PICBA 06’ vigente apuntaban a que el caudal máximo que podía admitir el colector existente estaba en el entorno de los 95 m3/s. De estos aproximadamente el 60% se derivan por los colectores que van al Passeig Sant Joan. 6. La prognosis completa realizada en el PICBA 06’ incluía un desdoblamiento del colector de la Diagonal entre otras mejoras. Con todo el paquete de mejoras se obtenía un caudal punta en la Diagonal de 160 m3/s. 7. El presente estudio obtiene en primera instancia un caudal punta de 190 m3/s sin otras medidas correctoras y usando el coeficiente de Manning de 0.0147, originario del PICBA 06’. 8. Cuando se realiza la calibración y corrección del coeficiente de Manning a 0.018 (“Escenario 2”) se llega a un caudal punta de 160 m3/s. 9. El caudal recomendado para el cálculo hidráulico del proyecto de desdoblamiento del colector de Diagonal entre Carrer Girona y Passeig Sant Joan es de 160 m3/s correspondiente a 10 años de periodo de retorno. Allen Bateman Vicente Medina Profesor Titular Dr. Ingeniero de Caminos www.gits.ws 15 7 Acrónimos Bcasa (“Barcelona Cicle de l’Aigua SA”) PICBA 06’ (“Pla d’Infrastructura de Clavegueram de Barcelona”) DHI (“Denmark Hydraulic Instite”) MOUSE (“MOdel for Urban SEwers”), Mca (“metros de columna de agua”) I.C.C. (“Institut Cartogràfic de Catalunya”) I.C.G.C (“Institut Cartogràfic i Geologic de Catalunya”) 8 Bibliografía La bibliografía empleada para la redacción del presente documento ha sido: Abbott, M. B., Bathurst, J. C., Cunge, J. A., O’Connell, P. E. & Rasmussen, J. (1986), ‘An introduction to the european hydrological system—systeme hydrologique europeen,“she”, 1: History and philosophy of a physically based, distributed modelling system’, Journal of hydrology 87(1 2), 45–59. Abbott, M. B. & Ionescu, F. (1967), ‘On the numerical computation of nearly horizontal flows’, Journal of Hydraulic Research 5(2), 97–117. Barre de Saint Venant, A. (1871), ‘Théorie et equations générales du mouvement non permanet des eaux courantes’, Comptes Rendus des séances de l’ Académie des Sciences. Paris, France 73, 147–154. Bicknell, B. R., Imhoff, J. C., Kittle Jr, J. L., Donigian Jr, A. S. & Johanson, R. C. (1996), ‘Hydrological simulation program fortran. user’s manual for release 11’, US EPA . Blench, T. (1957), Regime behaviour of canals and rivers, Butterworths Scientific Publications London. Brutsaert, W. (2005), Hydrology: an introduction, Cambridge University Press. Chow, V. T., Maidment, D. R. & Mays, L. W. (1988), Applied hydrology. Leopold, L. B., Wolman, M. G. & Miller, J. P. (2012), Fluvial processes in geomorphology, Courier Corporation. Pope, B., S. (2000), Turbulent Flows, Cambridge University Press, 770 pp. 16 Richards, B. (1967), Moisture flow and equilibria in unsaturated soils for shallow foundations, in ‘Permeability and Capillarity of Soils’, ASTM International. Témez, J. R. (1978), Cálculo hidrometeorológico de caudales máximos en pequeñas cuencas naturales. Water&Environment, D. (2004), ‘Mouse reference manual (pipe flow)’, DHI Water and Environment . 17 UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y Ambiental Análisis realizado para BCASA Barcelona, 15 de junio de 2017 1 ANTECEDENTES............................................................................................................................... ....1 2 OBJETIVO DEL INFORME ..................................................................................................................... 1 3 DESCRIPCIÓN DEL NUEVO COLECTOR................................................................................................. 1 4 DIVISIÓN DEL ESTUDIO ....................................................................................................................... 2 5 CODIGOS UTILIZADO PARA EL DISEÑO DE LOS COLECTORES Y SUS OBRAS SINGULARES. .................2 6 DESCRIPCIÓN DEL COLECTOR ANTIGUO DE DIAGONAL T1695........................................................... 2 6.1 SECCIÓN DEL COLECTOR DE DIAGONAL .................................................................................................... 2 7 CÁMARA DEL PASEO SANT JOAN Y TUBOS ......................................................................................... 3 8 CAPACIDAD DE LOS COLECTORES EXISTENTES ................................................................................... 4 8.1 GENERALIDADES ............................................................................................................................... ..4 8.2 CAPACIDAD GLOBAL DEL COLECTOR T1695 .............................................................................................. 5 8.3 CAPACIDAD DE LA SECCIÓN EN LA ZONA DEL SENSOR DE NIVEL ...................................................................... 6 8.4 CAPACIDAD DE LOS TUBOS DE SANT JOAN ................................................................................................ 7 9 CAPACIDAD DEL COLECTOR NUEVO. ................................................................................................ 10 10 CAUDALES DE DISEÑO....................................................................................................................... 12 11 DISEÑO DE LAS CAÍDAS ..................................................................................................................... 13 11.1 TEORÍA UTILIZADA EN EL DISEÑO...................................................................................................... 13 11.2 DISEÑO DE LA CAÍDA DE PASEO DE SANT JOAN.................................................................................... 15 11.3 CAÍDAS DEL T1695 DE LA ABSCISA 38.3 M Y DE LA ABSCISA 177.4 M.....................................................17 12 DISEÑO DE LA CURVATURA............................................................................................................... 18 13 DISEÑO DE TODO EL COLECTOR ....................................................................................................... 21 14 COMPORTAMIENTO DEL FLUJO DENTRO DE LA CAÍDA Y DISEÑO DE LA ENTRADA .........................23 15 CONCLUSIONES............................................................................................................................... ..26 Desde BCASA se contacta al Grupo de Investigación en Transporte de Sedimentos para realizar el diseño del nuevo colector de la Avinguda Diagonal que ira desde Francesc Macia hasta el paseo de Sant Joan. Este tramo comporta diferentes elementos que deberán ser estudiados cada uno por aparte para poder dar solución a los requerimientos de BCASA. En la actualidad hay un colector que se denomina T1695 y que es el colector existente, este se divide en dos al llegar al Paseo de Sant Joan, mediante una pared divisoria. Una parte de este colector continua por la Diagonal y la otra parte se dirige a Paseo Sant Joan pasando por una cámara que tiene la función de disipar energía y embocar el agua de la mejor manera a tres tubos que discurren a lo largo de paseo Sant Joan. El objetivo principal del presente informe es describir el diseño del nuevo colector que discurre por debajo de la vía Diagonal y se incorpora a la cámara. Adicionalmente se estudiarán mejoras del colector T1695 y se describirá el funcionamiento de las diferentes estructuras diseñadas. En la Figura 1. Colector de diagonal, trazado en planta.T1695. Una cámara que se sitúa a la altura de la calle Girona permite dividir los flujos de agua para que parte pase por el T1695 y la otra parte pase por el nuevo colector. Antes de llegar a la cámara el nuevo colector hace un zigzag primero una curva a derecha y luego a izquierda que permite al colector encarar perpendicularmente a la línea de metro L4 y poder así mejorar la estructura de paso por encima de la bóveda de la L4. Una vez se pasa por encima de la L4 se diseña una caída en curva a derechas que penetra por la parte baja y central de la cámara. De esta manera los dos flujos el que viene por el colector nuevo y el flujo que baja por el colector antiguo se encuentran en la cámara del paseo de Sant Joan. Figura 1. Colector de diagonal, trazado en planta. 1 Se reconocen tres tramos diferenciados de estudio en el nuevo colector que va desde la calle Girona hasta la cámara de Paseo de Saint Joan. El primer tramo que va de la cámara de calle Girona hasta el comienzo de la transición. La transición se hace para poder acelerar el flujo que pasa por encima de la L4 y que tenga menos calado de agua para que pueda fluir en lámina libre. El segundo tramo, es la propia transición que va desde la abscisa 204.33 hasta la 254.93 a partir de este punto el cajón queda de anchura constante hasta la cámara de paseo de Sant Joan. El tercer tramo es el diseño de la caída desde el borde de la L4 hasta la entrada en la cámara. Para los diferentes cálculos se han utilizado los siguientes códigos de cálculo hidráulico. El código “AguaPucha”, el código “Saltos” y el código “Iber”, todo ello combinado con una serie de fundamentos hidráulicos que permiten dar un diseño al sistema de Diagonal. La figura siguiente muestra la sección del colector actual de diagonal, es el típico canal abovedado con doble banqueta. Figura 2 Colector Diagonal T1695 2 Dada la presencia de la bóveda se estima que el máximo nivel que se puede alcanzar sin que colapse el colector es del orden de 3.51 m, es decir que siga fluyendo en lámina libre. El colector como se observa en la Figura 1 es prácticamente recto en toda la longitud desde la calle Girona hasta la cámara del paseo de Sant Joan. En la zona de la cámara este canal se bifurca en dos, una parte sigue recto por Diagonal y la otra se desvía hacia la cámara del Paseo Sant Joan. Un detalle de esta divisoria se observa en la Figura 3. Figura 3. Detalle de la bifurcación del colector de Diagonal La cámara del paseo Sant Joan y los tubos que llevan el agua pluvial al mar se muestra en la Figura 3. La cámara tiene un diseño especial que para entenderla se muestra en el anejo 1 de fotos y planos. La cámara es rectangular con una altura aproximada de 12.5 m que va desde su solera hasta la cara inferior de las vigas que soportan la calle. La anchura de la cámara es de unos 13.80 m, en planos 14 m y su longitud hasta la entrada de los tubos es de 52 m. Son 3 los tubos que salen de la cámara cada uno con 3.25 m de diámetro. La entrada de hacia los tubos la compone una 3 rampa en forma de escalón triangular. De manera que el flujo es acelerado suavemente hacia la entrada de los tubos. En la zona media de la cámara se encuentran dos grandes paredes verticales no paralelas huecas a forma de disipador de energía: su función es exactamente la de disipar energía en la cámara antes de entrar en los tubos. Cabe destacar que la bifurcación está diseñada con una pared que divide el ancho del canal en esa sección de 5.51m en dos partes proporcionales al 40% (recto diagonal) y 60% (cámara de Sant Joan). El flujo al supercrítico en esa sección la división de caudales se realiza proporcionalmente a los anchos. Así, por ejemplo, para un caudal supuesto de 10 m3/s 4 seguirán recto y 6 seguirán hacia la cámara. El chorro que entra en la cámara lo hace por la parte superior de la esquina izquierda, el flujo se dirige hacia la pared derecha. Es allí donde se ha dispuesto en la primera pared disipadora una parte más ancha que tiene la función de rechazar el flujo del chorro e intentar disipar su energía y reflejar su cantidad de movimiento hacia atrás. Este único muro hace una gran función en el proceso de disipación. Dos tajamares dividen el flujo hacia los tres tubos, pasando por la rampa en forma de escalón triangular. Un esquema de la embocadura se muestra en la Figura 4 Figura 4. Medidas de embocadura y tubos. La capacidad del colector depende de la pendiente media, ya que normalmente se calcula con el calado normal. La capacidad es aquella que permite fluir al agua en lámina libre, por lo que en un colector rectangular la capacidad sería hasta la máxima altura del cajero, aunque esto no es así en la realidad hay que darle holgura al flujo. En canales abiertos se utiliza el 25% del valor del calado, puesto que las ondas de agua que pueden generarse son proporcionales al valor del calado. La cuarta parte del calado parece excesivo en una alcantarilla ya que el agua no se sale del cajón. Los cajones pueden entrar en presión, aunque esto no es lo aconsejable. El resguardo se puede dejar en un valor constante, o bien admitir que en ocasiones entrara en presión. 4 Cuando el flujo es rápido se presentan algunos problemas cuando el cajón va casi lleno, en particular dependerá del número de Froude. Si el Froude está entre 1.3 y 1.7 el flujo es más bien estable, por lo que se recomienda estos valores para túneles en lámina libre. Cerca del crítico es posible que el flujo pierda energía por cualquier malformación del canal y el flujo pase a régimen lento. No es grave que suceda esto, pero entonces el resguardo tendría que valorar esta condición. En este caso se recomienda evaluar el resguardo teniendo en cuenta el calado conjugado del flujo rápido. Cuando el canal fluye con números de Froude mayores de 1.7 y en general por encima de 2 el flujo puede formar ondas rodantes, que se forman por si solas y pueden aumentar dos veces el valor del calado, siempre y cuando el canal sea lo suficientemente largo para que estas logren formarse. Así que longitudes cortas no tienen por qué preocupar. En cambio, longitudes más largas pueden dar lugar a su formación y colapsar el canal. En el caso de alcantarillas quizá el problema está en el proceso de fluctuación que se pueda generar. Ya que el canal se podría taponar y destaponar con una cierta frecuencia durante el paso del flujo. Los colectores abovedados, no tienen la misma capacidad que un rectangular, ya que el abovedado tiene un máximo de capacidad cuando el calado cubre la parte abovedada en un 93.4% del valor del diámetro de la bóveda. Por lo que una vez superado este valor el caudal de paso disminuye por lo que el colector colapsará inmediatamente. Puede en ciertos momentos un fenómeno de histéresis en el que el flujo llegue a acelerarse y de desacelerarse para cierto rango de caudales, resultando un aumento y disminución del calado con una cierta frecuencia. Tiene las mismas complicaciones para los números de Froude. Como la capacidad del colector depende no sólo del valor de la pendiente de un tramo, sino que depende de todo su desarrollo, ya que el canal puede tener varias pendientes, saltos y caídas, y otros elementos que pueden dar una capacidad diferente a la de la propia sección, se estudia la capacidad global del colector, por lo menos del tramo de estudio. Los resguardos que se exigen serán de 25 cmpara cajón rectangular y del 93.4% para abovedado. El número de Froude debería estar dentro de límites adecuados, para régimen rápido entre los valores de 1.3 a 1.7, aunque en pequeños tramos podamos tener flujos o más lentos o más rápidos. El colector T1695 tiene una capacidad reducida debido a los saltos existentes en el mismo. Desde la calle Girona hasta el Paseo de Sant Joan se presentan dos saltos. El primero de ellos situado en la abscisa 48.3 m es de 1.973 m de altura y el segundo en la abscisa 177.40 m con una altura de 1.019 m. Estos dos saltos son complejos de evaluar, ya que la problemática está en la altura del techo. Cuando aumenta el caudal el agua se choca contra la pared del techo que desciende al unísono con el suelo. Este choque hace que la velocidad del agua disminuya, pero no lo hará en toda su profundidad, así que valorar las pérdidas locales de energía en estos puntos es muy impreciso. Se dará puntualmente una pérdida del 90% de la energía cinética del agua siempre y cuando el agua toque mínimamente el techo. 5 Si se hace un tanteo de caudales en el colector se observa que el caudal máximo que puede pasar sin verse afectado el tramo esta en el rango de 45 m3/s a 50 m3/s. Capacidaddel colector Diagonal T1695. Caudal 45 m3/s 35 4 34 Solera 33 3.5 Lámina 32 31 3Techo 30 2.5 29 Energía Total 28 27 Resguardo 2 26 1.5 25 24 Salto 1 Se ha introducido perdidas puntuales, en los dos saltos, del orden de 0.9 la energia de velocidad. Quiza es exagerado, 1 23 pero según lo visto en campoesto es un problema real ya que se venmanchas en el techo de los saltos, dato tomado 22 durante las visitas de campo. 0.5 21 20 0 29 39 49 59 69 79 89 99 109 119 Abscisa (m) Figura 5. El colector tiene una capacidad entre 45 y 50 m3/s. En la figura se muestra solo el salto 1 ya que el salto 2 aguas abajo tiene mayor capacidad. En la abscisa 275.89m existe un sensor de nivel, que permite conocer el flujo de agua en el colector. Como la sección es la ya comentada, la T1695, se hace un cálculo del flujo y se determina para cada valor de caudal la altura de agua que existe en dicha abscisa. A continuación en la Figura 6 se observa dicha curva. Cota lámina en la sección del sensor Abscisa 275.89mcota 25.65m 30.5 30 29.5 29 28.5 28 27.5 27 26.5 26 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Caudal (m3/s) Figura 6. Curva de capacidad de la sección del sensor en diagonal. La abscisa es 275.89 con una cota de 25.65 m 6 Cota (m) Cota (m) Resguardo (m) En régimen holgado el flujo es supercrítico, a medida que se va llenando el colector el flujo se frena y el número de Froude tiende a la unidad. En esta zona el cálculo del valor del calado no es del todo correcto, puesto que el flujo está cerca del crítico y todos los cálculos cercanos tienden a no converger dando como valor final el crítico. Los tubos de Sant Joan los componen un grupo de tres con un diámetro de 3.25 m cada uno, además los tubos discurren a lo largo del paseo de Sant Joan en tres tramos diferenciados y separados por sendas cámaras. Para tener una idea de los tramos se presenta un esquema explicativo en la Figura 7. 13.90 m 29.4 m 12.36 m 26.6 m 14.13 m 19.86 m L=145 m L=335.50 m 3.2m x3 3.2m x3 So=0.02537 So=0.000975 11.287 m 10.736 m 11.269 m 10.736 m 10.70 m 15 m 11.063 m 11.1 m 10.735 m 14.907 m 11.206 m 11.063 m 10.7357 m 52.81 m 14.874 m 8.01 m 11.062 m14.874 m 8.69 m11.063 m 14.885 m 11.0627 m 14.13 m 19.86 m 15.90 m 16.64 m 7.20 m 11.57 m L=196.64 m L=413.50 m 3.2m x3 4.3 x 7.2 So=0.00044 So=0.0075 10.651 m 10.649 m 10.538 m 10.70 m 10.649 m 10.727 m 7.43 m10.6497 m 10.60 m 10.728 m 8.69 m 10.727 m 33.20 m 33.20 m 10.7357 m Figura 7. Esquema del tramo tubos. El último tramo es un cajón de 4.3 m de alto por 7.20 m de ancho. En el esquema se observa que el último tramo es un gran cajón de 4.3 m de altura por 7.20 m de anchura. A la vista de los resultados que se presentanmás adelante este cajón tiene una gran capacidad. El cálculo de la capacidad de los tubos se realiza de manera que siempre estén en lámina libre, se ha utilizado un coeficiente de Manning de 0.018, tal y como quedo reflejado en el apartado de valoración del coeficiente de Manning. El resultado se presenta en la gráfica de la Figura 8, la capacidad de los tubos es el flujo en calado normal. Para caudal de paso se calculó el calado normal, por lo que en el resultado influye la pendiente media que tiene cada tramo: Por ello como los tubos son iguales en diámetro el que tiene menos capacidad tiene menos pendiente. Esto es, los último tres tubos tienenmenos capacidad. Por lo que aunque los primeros tres tubos tenganmucha capacidad el hecho que los últimos no puedan desaguar bien, el sistema completo se traba. 7 CAPACIDADDELOS TUBOS DEPASSEIGDESANT JOAN 3.5 3 2.5 2 So=0.02537 1.5 So=0.00097 1 So=0.00044 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 CAUDAL (m3/s) Figura 8. Resultado de la capacidad de los tubos, el tubo de pendiente 0.00044 sólo deja pasar en lámina libre 10 m3/s. Este resultado nos indica que, aunque los tres tubos de aguas arriba puedan dejar pasar 180 m3/s los últimos tres no dejan pasar más de 30m3/s (si es que se dejan trabajar en lámina libre). Trabajando a presión los tubos pueden dejar pasar más agua, por ello en los cálculos que se presentan a continuación se observa como todos los tubos trabajan a presión para dejar pasar el agua. La Figura 9 muestra la capacidad de los tubos respecto a la cota en la cámara de Passeig de Sant Joan. El techo de la cámara tiene una cota de 28 m, en el canto inferior de las vigas. Este punto es el máximo admisible para que el sistema expulse agua hacia la calle lo que deja un caudal de 137 m3/s. 8 CALADO (m) Cota en cámara (m) 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 Caudal (m3/s) Figura 9. Capacidad del sistema de tubos de Sant Joan respecto de la cámara del Passeig de Sant Joan. El resultado para 130 m3/s es el que se muestra en la Figura 10. Lámina de agua. Soluciónpara 130 m3/s 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Abscisa (m) Figura 10. Es el resultado de la lámina de agua para 130m3/s. En línea roja se muestra la energía del sistema. Para 130 m3/s el sistema funciona bien en carga, para 140 m3/s las tapas de la tercera cámara saltan. En la Figura 11 se presentan los resultados para 140 m3/s, en esa figura se observa como la lámina de agua está por encima de la cota de las tapas de la cámara. 9 Cota (m) Cota (m) Lámina de agua. Solución para 140m3/s 31 30 Solera (m) 29 28 Lámina (m) 27 26 Energía total (m) 25 24 Techo (m) 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Abscisa (m) Figura 11. Funcionamiento del sistema de tubos con un caudal de 140 m3/s. La tercera cámara se ve desbordada. En la Figura 1 se observa el trazado en planta del colector nuevo. Este colector tiene algunos diseños especiales, entre los que se encuentra una transición de 3.5m a 5m de anchura, una curva y contra curva a derechas e izquierda la una a continuación de la otra, para poder pasar por encima de la vía del metro de la L4, para finalmente dar a una caída que va desde la cota 25.75 m hasta la 15.50 m. El tramo de diseño del colector nuevo que discurre paralelo al colector existente T1695, desde la calle Girona hasta Passeig de Sant Joan, tiene una longitud de 275.47 m que va desde el comienzo de la cámara de Girona hasta el comienzo de la caída hacia el colector. La caída al ser un diseño especial se deja su descripción para más adelante. Así, el cajón de 3.5 m de ancho por 3 m de alto, discurre desde la abscisa 29 m, justo donde termina la cámara de redistribución de caudales. Este cajón va con una pendiente constante de 1.8639%. Para poder pasar por encima de la clave del tren de Metro L4, se hacen dos cosas, la primera ensanchar el colector para disminuir calados y tener espacio en la zona del metro, en segundo lugar, se han realizado una curva y contra curva que permiten enfrentar al flujo con la L4 y así la construcción de las vigas se facilita al ser menor la longitud de las mismas. El techo tiene un problema de construcción entre las abscisas 214 y 229m. El cajón pierde altura y para poder mantener y mejorar la capacidad de los colectores se ha hecho un quiebro de la pendiente en la abscisa 200m. Esto permite acelerar el flujo que viene de aguas arriba para luego frenarlo paulatinamente hasta llegar a la caída. El colector puede tener un poco más de capacidad y sortear el problema del techo. La capacidad máxima del colector es de unos 76.3 m3/s. El cajón sufre una transición de 3.5 m de anchura hasta 5m desde la abscisa 204 m hasta 10 Cota (m) la 253 m. Una vez termina la transición el colector permanece de anchura constante hasta llegar a la cámara de Sant Joan. Lámina de agua Colector Nuevo 36 6 35 34 5 33 4 32 31 3 30 29 Techo 2 28 Lámina Agua 27 Solera 1 Energía Total 26 Ancho Colector 25 0 0 50 100 150 200 250 Abscisa (m) Figura 12. Flujo de 76.3 m3/s en el nuevo colector de Diagonal. Cumple las especificaciones de resguardo a lo largo del mismo. En la Figura 12 se muestra el perfil del colector donde se observa el quiebro en pendiente, la depresión de la lámina se debe al ensanchamiento que sufre el canal a lo largo de la transición. El número de Froude del tramo nuevo se puede observar en la Figura 13. El Froude está situado dentro de los límites de 1.3 a 1.7, si bien puntual mente llega a 1.8. El resguardo es superior a 0.25m. Resguardo Froude 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 50 100 150 200 250 300 Figura 13. Número de Froude y Resguardo en el tramo nuevo. 11 Cota (m) Ancho (m) Se ha realizado un cálculo adicional para el colector de diagonal para el caudal máximo de 70 m3/s, que es el máximo caudal de diseño. Estado de flujo del colector desdoblado nuevo de Diagonal . Caudal de diseño 70 m3/s 40 4.5 35 4 3.5 30 Solera 3 25 Lámina Techo 2.5 20 Energía Total Resguardo 2 Froude 15 1.5 10 1 5 0.5 0 0 10 40 90 140 190 240 290 Abscisa (m) Figura 14. Estado de flujo del colector desdoblado nuevo de diagonal, para caudal máximo de diseño de 70 m3/s Los caudales que se han tenido en cuenta como valores de diseño corresponden a el estado de la situación actual y además direccionado por los estudios que se han hecho en el pasado. Tabla 1. Distribución de caudales con la nueva configuración CAUDALES EN (m3/s) Aguas arriba Colector T1695 Colector Nuevo Desviación Chorros En camara Caudal/porcentaje 56.3% 43.8% 38.9% 61.1% 78.1% 160 90 70 35 55 125 150 84.4 65.6 32.8 51.6 117.2 140 78.8 61.3 30.6 48.1 109.4 117.6 66.2 51.5 25.7 40.4 91.9 120 67.5 52.5 26.3 41.3 93.8 100 56.3 43.8 21.9 34.4 78.1 90 50.6 39.4 19.7 30.9 70.3 80 45.0 35.0 17.5 27.5 62.5 70 39.4 30.6 15.3 24.1 54.7 En la Tabla 1 se muestra la posible distribución de caudales. En la primera columna se da el caudal que baja por los colectores de diagonal, la distribución que se estima pueden distribuir el colector T1695 y el nuevo corresponde a un 56% y 44% respectivamente. El colector T1695 sufre una bifurcación antes de llegar a la cámara de Sant Joan con una repartición que en régimen rápido corresponde aproximadamente a la parte alícuota de la relación de anchuras en el desvío esto da aproximadamente un 40% continua por diagonal y 60% desviado a la cámara. Por ello respecto al caudal de entrada aguas arriba la cámara en Passeig de Sant Joan es del 78% del total. 12 Cota (m) Froude y resguardo Para un caudal total de 160 m3/s se desvían por el Passeig de Sant Joan 125 m3/s, esta cantidad de agua provoca una carga de agua de 26.5 m aproximadamente. Aún tiene capacidad de desaguar más caudal porque el techo de la cámara se encuentra en la cota 28 m. Por otra parte, el colector nuevo está llevando un caudal de 70 m3/s. 11 Cámara de distribución de calle Girona Para el estado inicial del colector desdoblado nuevo de Diagonal, se ha diseñado la cámara de distribución de caudales de la calle Girona. La idea se centra en la ecuación de la energía entre dos secciones consecutivas, pero en lugar de usar el método paso a paso, se consigue expresar la ecuación en función de un número importante para el flujo, el número de Froude. Si se conoce el número de Froude se conoce como está funcionando el flujo en cualquier sección. La ecuación de la energía se escribe de la siguiente manera: ( 1 ) En dónde z es la cota del fondo o Thalweg, y la profundidad de agua, v la velocidad media del flujo en la sección, g la aceleración de la gravedad y h es la perdida de carga o energía en el tramo. Los subíndices 1 y 2 indican la sección situada aguas arriba y aguas abajo respectivamente. Por otro lado, la ecuación de la energía específica, E, que es la suma de los términos de energía de presión y cinética se pueden escribir de acuerdo con: ( 2 ) Tanto y como v se pueden expresar en función compleja del número de Froude para cauces no rectangulares. Veamos el número de Froude es: ( 3 ) 13 Donde c es la celeridad de una onda de gravedad que se expresa como: ( 4 ) Donde A es el área de flujo y T es el ancho superficial de la sección considerada, por lo que c es función del calado de agua. Así el calado es una función del número de Froude, ya que la velocidad del flujo es una función del caudal que es una constante para el flujo y el área que depende del calado. Entonces la ecuación de la energía específica se puede expresar como: ( 5 ) En donde Q es el caudal total en régimen permanente que fluye por la sección. Por lo que conocido el número de Froude, se puede conocer la energía específica, así como las características geométricas del flujo. La ecuación de la energía se puede entonces expresar de la siguiente forma, despejando el valor de z2 de la ecuación: ( 6 ) Es decir, dado el número de Froude a lo largo del cauce o canal, se puede determinar la cota de aguas abajo una vez conocida la cota de aguas arriba, además de tener el resto de variables geométricas del flujo. Si la cota inicial es z1 y se quiere llegar a la cota final z2, lo único que hay que hacer es aplicar la anterior ecuación, si al llegar al final el cauce la cota resultante es diferente a la deseada, z2, entonces se ha de cambiar la geometría mediante métodos de optimización hasta conseguir el resultado deseado. Por ello esta ecuación se puede utilizar para modelar el canal que se requiere para ciertas condiciones impuestas. El valor del número de Froude se establece partiendo siempre de un valor conocido al inicio del tramo y uno al final del tramo. Esto permite conocer el estado de flujo del canal sin conocer previamente la geometría. Se estableció una variación sinusoidal del número de Froude a lo largo del tramo escogido. Empezando con un valor al que tiene el flujo en la sección de entrada y descargando con un número de Froude adecuado. 14 Dado que este trabajo no se puede hacer con una herramienta convencional de cálculo hidráulico se construye un modelo a medida programando los diferentes procesos de optimización. De partida los datos provienen de la planta de la Figura 1. La caída tiene una curvatura en planta con un radio de curvatura de 19 m, la anchura tal y como se planteo es de 5 m y se supone constante en todo su desarrollo. La velocidad de llegada del flujo es de 7.64 m/s, con un calado de 1.996. El número de Froude es de 1.73. Para el diseño, como no se quiere cambiar el ancho por ahora, sólo queda una variable que es la cota del canal que debe llegar a ser 15.50 m. El número de Froude se hizo variar en forma sinusoidal. Aplicando el código “Saltos”, el desarrollo de la caída queda como se muestra en la Figura 15. Estas cotas son las utilizadas para la solución final. La velocidad de llegada a la cámara y el número de Froude son 15.73 m/s y 5.11 para un calado de agua de 0.96 m. La variación del número de Froude es el que se muestra en la figura, es una distribución cosenoidal, lo que da como resultado una entrada y salida de agua tangente a las soleras de entrada y salida a la caída. Lo cual permite que el flujo no se despegue del fondo y caiga a lo largo de la caída lo más hidrodinámico posible, ya que proviene su diseño de la propia ecuación de la energía. Diseño Caída Cámara Sant Joan 32.000 6.000 30.000 5.000 28.000 26.000 4.000 24.000 3.000 22.000 20.000 2.000 Solera 18.000 Lámaina de agua 1.000 Conjugado corregido 16.000 Número de Froude 14.000 0.000 275.000 280.000 285.000 290.000 295.000 Figura 15. Perfil de la solera diseñada con el código “Saltos” En la Figura 15 se ha añadido la curva de los calados conjugados, como el canal es rectangular se ha utilizado la ecuación de Belanger corregida para grandes pendientes con la fórmula de 15 Froude (Kindsvater, 1944) para obtener el calado conjugado. El calado conjugado se puede determinar mediante la ecuación ( 7 ) En donde h1 y h2 son los calados conjugados, Fro el número de Froude inicial, es un parámetro experimental encontrado por Kingsvater,1944 y Hickox, 1944, el ángulo local del canal. Tabla 2. Datos de diseño de la caída Velocidad X (m) (desde media en la inicio caida Ancho Fr (-) Cota solera sección de Z+y aguasarriba) (m) (m) calculo (m) (m/s) 275.47 5.00 1.73 25.75 7.64 27.75 276.12 5.00 1.74 25.72 7.67 27.71 276.77 5.00 1.76 25.67 7.75 27.63 277.43 5.00 1.81 25.58 7.89 27.51 278.08 5.00 1.87 25.46 8.07 27.35 278.73 5.00 1.95 25.30 8.30 27.14 279.38 5.00 2.05 25.11 8.57 26.89 280.03 5.00 2.16 24.88 8.88 26.60 280.68 5.00 2.29 24.61 9.22 26.26 281.33 5.00 2.42 24.30 9.58 25.89 281.98 5.00 2.57 23.95 9.97 25.48 282.64 5.00 2.73 23.56 10.37 25.03 283.29 5.00 2.90 23.13 10.79 24.55 283.94 5.00 3.07 22.68 11.21 24.04 284.59 5.00 3.24 22.19 11.63 23.51 285.24 5.00 3.42 21.69 12.05 22.95 285.89 5.00 3.60 21.17 12.46 22.39 286.54 5.00 3.77 20.63 12.86 21.82 287.20 5.00 3.94 20.09 13.25 21.24 287.85 5.00 4.11 19.55 13.62 20.67 288.50 5.00 4.27 19.02 13.97 20.11 289.15 5.00 4.41 18.51 14.29 19.57 289.80 5.00 4.55 18.01 14.58 19.06 290.45 5.00 4.68 17.55 14.85 18.57 291.10 5.00 4.79 17.11 15.08 18.12 291.75 5.00 4.88 16.72 15.29 17.72 292.41 5.00 4.97 16.37 15.45 17.36 293.06 5.00 5.03 16.07 15.58 17.05 293.71 5.00 5.07 15.83 15.68 16.80 294.36 5.00 5.10 15.63 15.74 16.60 295.01 5.00 5.11 15.50 15.76 16.47 Si el flujo en la cámara incluyendo el chorro llegase a tener 125 m3/s, el nivel de agua estaría en la cota 26 m. Si miramos en la gráfica de la figura el corte entre la cota 26m y la cota del calado conjugado, obtenemos que la abscisa en donde se encontraría el resalto esta sobre la 283m. Es decir, el resalto se forma dentro de la zona de caída. 16 En la Tabla 2 se muestra en la primera columna el valor de la abscisa (m) que esta referenciada respecto el comienzo del nuevo colector al salir de la cámara de distribución de caudales de Girona, abscisa 29 m. La segunda columna indica el valor del ancho de la sección, el tercer valor es el número de Froude. El cuarto valor es la cota de la solera de la caída y es el valor diseñado con la ecuación de energía. El quinto valor es la velocidad media del flujo y la última columna se da la cota de la lámina de agua. En el caso de la caída no hay que temer por la formación de ondas rodantes pues no hay suficiente longitud para que las inestabilidades energéticas se lleguen a concentrar. Tampoco parece preocupante las ondas cruzadas porque a medida que el flujo va apoyándose a la margen izquierda intentando aumentar el calado, el flujo transfiere energía potencial en energía cinética al caer. Incitando al flujo a tener menor calado. Por otro lado, para caudales altos el resalto hidráulico penetra hasta casi la mitad de la caída como se observó en la imagen de la Figura 15. En la abscisa 38.3m se encuentra un primer salto de 2.55 m, estos saltos como se ha visto impiden el paso del flujo adecuadamente, más que por el salto, debido a que al techo no se le dio en su día suficiente holgura para que el agua pudiese caer de un tramo al siguiente sin chocar con el techo. Esto provoca un freno para el flujo en ciertos caudales, como se demostró en el apartado de capacidades el salto no deja pasar más de 50 m3/s con libertad. Se propone un diseño simple de la caída haciendo la caída suave como en el caso anterior o simplemente una transición lineal de la solera, la idea es retranquear hacia atrás la caída sin necesidad de tocar el techo. Diseño caida escalón del 48.3m 35 34 Techo Rampa 33 Caída suave 32 31 30 29 28 27 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 Abscisa (m) Figura 16. Salto de la sección 48.30 m. Solución suave y en rampa. En la Figura 1 se observan las dos soluciones. Recordemos que el colector tiene una capacidad del orden de 45 a 50 m3/s con los escalones tal como están en la actualidad. Ambas soluciones mejoran el funcionamiento del colector de manera visible. La solución en rampa se ha evaluado con una pendiente 5H:1V. En la Figura 17 se observa la solución para el salto 2. Este salto es sólo de 0.98 m de altura, tiene menos problemas de flujo que el salto 1. Por lo que si el salto 1 funciona el salto 2 también lo hará. 17 Cota (m) Diseño caída. escalón del 177.40 m 32 Techo Rampa 31 Caída suave 30 29 28 27 26 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 Abscisa (m) Figura 17. Salto en la sección 177.4m. Solución suave y en rampa. La capacidad de este colector se ve aumentada bastante, ya que con este diseño el flujo pasa mucho mejor. Al aumentar la holgura en las caídas el caudal máximo que puede soportar este colector es de 130 m3/s. El diseño utilizado por facilidad de construcción es el de rampa. Los dos diseños tienen la misma capacidad. El techo del colector esta dibujado para la capacidadmáxima es decir teniendo en cuenta el 93.4% de la bóveda. Así en el dibujo la altura del colector aparecerá más pequeña. El colector ya presenta deficiencias de capacidad en tres tramos diferentes en los cuales además el flujo va en régimen crítico. Realmente el calado normal está muy cercano al crítico. T1695 CapacidaQ=130m3/s 40 4.5 35 4 3.5 30 3 25 Solera Lámina Agua 2.5 20 Techo Energía Total 2 Resguardo 15 Froude 1.5 10 1 5 0.5 0 0 10 40 90 140 190 240 290 Figura 18. Colector T1695 capacidad máxima con nuevo diseño 130 m3/s La caída descrita en el capítulo 12 funcionaria perfectamente si fuese recta, pero en cambio la caída contiene una curvatura en planta que cambia las condiciones del flujo. El flujo no es unidimensional sino más tridimensional. Por el momento se realizará un diseño basado en un modelo bidimensional, que no dará el flujo real pero mejor este modelo que otra cosa. 18 Cota (m) Froude y Resguardo Al ser la curvatura tan pequeña el flujo se recostará en la pared externa. Cambiando la distribución de presiones y ya no será más hidrostática. Por lo que un bi dimensional no dará los valores correctos pero una aproximación de lo que pueda ocurrir. Se ha usado el modelo “Iber” un modelo bidimensional que nos dará una primera aproximación y nos permitirá tomar las primeras medidas de corrección de la solución geométrica simple. Antes de mostrar resultados, se puede hacer un cálculo previo del peralte que debería tener el flujo dadas las condiciones hidráulicas de partida y el radio de curvatura. Teniendo en cuenta la fuerza centrípeta del flujo a lo largo de caída debido a la curvatura, la ecuación que da la sección transversal se puede evaluar según la ecuación: En donde Z es el valor del incremento de cota entre el exterior de la curva y el interior de la curva a lo largo del radio de curvatura, q el caudal unitario, vo la velocidad de entrada, ro el radio de curvatura de la sección de entrada, r radio de curvatura donde se calcula el valor de z y Ho la energía total de entrada. DZ peralte Abscisa (m) 270 275 280 285 290 295 300 305 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Figura 19. Incremento de cota en el peralte, DZ. 19 Figura 20. Calados de agua en la caída. Como puede verse la solución de darle un peralte al canal es absurdo, ya que debería haber en media un incremento de cota a través del canal de 5 metros. Es decir, si el canal es de 5 m de ancho, el peralte es de 45º. Esta solución es inviable constructivamente, por lo que se plantea el cálculo bidimensional a ver qué resultado da y tomar las correspondientes decisiones. En la Figura 20 se presenta el valor de los calados obtenidos con el modelo Iber, con los datos de entrada igual que en el modelo “Saltos” pero con una condición en la cámara de llegada, se colocó un vertedor de 2 metros de altura al final de la misma (lo que hace el azud triangular existente). No se da ningún peralte en la caída. Al no haber peralte en la caída y por la imposibilidad de construirlo, el agua se recuesta sobre la pared izquierda, pero a medida que se comienza a recostar el flujo cae por la gran pendiente compensando un efecto con el otro. Sin embargo, cuando llega el flujo a la cámara se observa que hay una sobreelevación enorme del flujo antes de llegar a la cámara. La altura de agua en ese punto concreto es el más alto alcanzado por el flujo a lo largo de toda la estructura. La altura de agua está cerca de los 7 m. El flujo de agua en cambio en toda la caída tiene una altura bastante baja sobretodo en la margen interior, donde la depresión del flujo es apreciable. 20 Esta solución nos da una primera idea de corrección de la geometría, un pequeño cambio en la geometría a la llegada de la cámara. Simplemente ensanchando la sección en la margen externa. La nueva solución se observa en la imagen de la Figura 21. En este caso se observa como el máximo penetra en la margen izquierda de la cámara y la altura de agua máxima es de 5 metros, casi 2 metros menos que en el caso anterior. Además, que se contiene el salto de agua dentro de la cámara. Figura 21. Diseño con expansión a la entrada de la cámara. Se ha hecho el mismo cálculo de peralte en las curvas de la transición y da como valor medio unos 50 cm de peralte, este valor es mucho más adecuado para ser construido. Sin embargo, antes de realizar cualquier calculo con el peralte se ha valorado con el Iber los cambios que pueda sufrir la lámina a lo largo del canal con curvas. En la Figura 22, se observa esta solución, la condición de contorno cambia un poco del anterior ejercicio, ahora el valor del calado y la velocidad a la entrada son, las que da el modelo Aguapucha a la entrada de la transición, 2.74 m y 7.93 m/s de calado y velocidad respectivamente y un número de Froude de 1.53. La condición de contorno en la cámara sigue siendo un aliviadero de 2 m de altura. 21 Figura 22. Calados de agua en la última parte del colector de diagonal. Como puede verse en la Figura 22 no parece haber gran alteración de la lámina a lo largo de la transición. Así se han realizado dos cortes de la lámina a lo largo de las paredes, hasta llegar a la parte recta antes de entrar en las secciones de la L4. Excepto en la sección de entrada el flujo parece que cabe dentro del cajón. Es evidente que el vaivén del agua o movimiento transversal deje valores por debajo del resguardo deseado. Pero piénsese que esto se da puntualmente en la sección y no la ahoga ya que el resto de la misma esta con valores inferiores al lado contrario. Los vaivenes se presentan disminuidos en el cálculo bidimensional. Nota: No aparecen más cálculos en este informe preliminar, pero debido a que las alturas de agua son elevadas dentro de la cámara de acuerdo con la Figura 9, los cálculos han de rehacerse con la entrada de la caída en cámara sin el acuerdo propuesto en la sección anterior. Es decir, eliminar el ensanchamiento de la sección de la caída al llegar a la cámara. El resalto se dará totalmente dentro de la caída. 22 Cotas de agua en las paredes 3.5 3 2.5 Lamina Aguapucha Margen Izquierdo Modelo Iber Margen derecho modelo Iber Maximo resguardo 2 Altura del cajón 1.5 1 200 210 220 230 240 250 260 270 280 Figura 23. Resultado comparativo de las alturas de agua evaluadas con el modelo Iber. Se ha utilizado el caudal de diseño de la cámara, es decir un caudal de salida por los tubos de 125 m3/s. Esto implica un calado en cámara de 26 m de cota y un caudal de 70 m3/s que bajan por la caída. La entrada de la caída a la cámara se hará por un agujero que se tendrá que excavar en la pared posterior de la cámara. Para valorar el tamaño del hueco de entrada a la cámara, se realizó con la idea de un paso por un orifico anegado de grandes dimensiones. El estudio de este orifico dio como resultado la gráfica que se presenta en la Figura 24a. En ella se puede valorar la carga dentro de la caída para que el agua pueda salir por el hueco. Por ejemplo, si la cota de agua en la cámara es de 26 m y el hueco de paso es de 5 m de ancho por 3.5 m de alto, la carga en la caída es de 27.76m, este valor es muy alto por lo que el diseño de hueco ha de ser de por lo menos 4.0 m de altura de manera que disminuya la carga en la cámara a un valor de 27.40. 29.5 Flujo de agua entrando en cámara 29 29 27 Orificio grandes dimensiones 28.5 25 23 28 27.76 m 21 27.5 19 3.5 m 17 27 0 1 2 3 4 5 15 0 5 10 15 20 25 30 35 Altura de entrada en cámara Distancia (m) Figura 24. a) Valor de la carga de agua en el paso hacia la cámara según la altura del hueco de paso. b) flujo a la entrada de la cámara. 23 Cota interior en la caída Cota (m)Título del eje Debido que la entrada de la caída a la cámara existe una estructura (Cajón para servicios afectados) se ha evaluado el flujo en la entrada de la cámara. En la Figura 24b se presenta el flujo bajando por la caída y entrando en la cámara de paseo de Sant Joan. El techo queda rebajado a la cota 25.20 m para albergar el cajón de servicios afectados. Se observa que con las condiciones de máximo funcionamiento (125 m3/s) este cuarto está sometido a la presión del agua por el suelo y parte por las paredes. Además, el resalto se forma algunos metros hacia aguas arriba provocando las oscilaciones de la superficie del agua y generando fenómenos de presión oscilante. En la imagen de la Figura 25 se observa el cálculo para un caudal de 70 m3/s en la caída y 125 m3/s en cámara. Se observa claramente el resalto en medio de la caída, y un flujo de agua en cámara bastante estable. Hay que indicar que es el resultado de un cálculo bidimensional. El coeficiente de Manning es de 0.018 como previsto. Figura 25. Cota de agua en el sistema de caída cámara de Passeig de Sant Joan. 15.1 Análisis de las curvaturas Tres curvas en planta están diseñadas en el nuevo colector, las abscisas de comienzo de curva son las siguientes: 203.83 m la primera, 237.90 m la segunda y 275.471 m la tercera. Esta última corresponde a la caída de llegada a la cámara de Sant Joan. Una forma de expresar la intensidad de la curva es el número de curva que es simplemente un parámetro adimensional que mide si la curva es débil o fuerte. Este número de curva se define como: ( 8 ) En donde Bo es el número de curva, b el anchomedio del canal, Ra es el radiomedio de curvatura y Fo el número de Froude. Las curvas fuertes el Bo es mayor de 1.5 y para curvas fuertes el valor es mayor de 1.5. Para el caso de las tres curvas el valor obtenido para las dos primeras es de 24 0.08 y 0.16 respectivamente y la tercera curva el Bo tiene un valor de 1.8 que es ligeramente mayor que el límite. Se cree que debido a la fuerte caída que sufre el canal durante la caída la sobre elevación no será grande ya que el valor de la curva número no es excesivo. Además, esta curva para el caudal de diseño funciona anegada, es decir el resalto penetra dentro de la propia caída, por lo que no hay flujo rápido en la mitad inferior del colector. 16 Cámara de Girona La cámara de calle Girona es sólo una conexión lateral entre los dos colectores para transferir parte del caudal de uno a otro. En la fase 0, es decir construcción del colector que va desde la cámara de la calle Girona hasta la cámara de Passeig de Sant Joan, parte del caudal de lluvia que baja por el la T1695 se debe desviar para el nuevo colector, aliviando la propia T1695 en ese tramo. Se quiere saber cuánta agua puede llegar a derivar esta cámara al colector nuevo. Se han realizado dos cálculos, uno con un caudal medio de 50 m3/s y el otro para un caudal de 90 m3/s. Para ello se ha simulado un bidimensional que permite conocer más o menos el porcentaje de agua desviado. Los colectores están separados por la propia banqueta, es decir el agua tiene que sobre pasar un escalón de unos 50 cm de alto para poder verter de uno al otro. Esto hace que la transmisión de caudales no sea tan eficiente. El resultado para 50 m3/s es el que se muestra Figura 26. Distribución de caudales en la cámara de Girona para 50 m3/s. El resultado para 90 m3/s es el que se muestra 25 Figura 27 Distribución de caudales para el máximo de caudal admisible de 90 m3/s Para un caudal medio de 50 m3/s se desvía un caudal del 20% y para el caudal máximo admisible es del 21%. Que en condiciones de trabajo hacia agua abajo ambos colectores funcionaran bien. Tanto por los 71 m3/s que bajan por el antiguo como por los 19 m3/s que bajan por el nuevo (que es de 70 m3/s de diseño). Una vez hecho los cálculos y diseños de los colectores de Diagonal ubicados desde la calle Girona hasta Passeig de Sant Joan se concluye que: 1) El colector T1695 tiene capacidad para fluir en lámina libre con una horquilla de caudales que van desde 45 a 50 m3/s. 2) Se propone una mejora de los escalones existentes en el colector T1695, el de la abscisa 48.3 y el de la abscisa 177.4, de manera que se crea una rampa de caída, cortando el actual colector desde el escalón hacia atrás con una pendiente de 5H:1V. Esta mejora permite que la capacidad del colector llegue a 130 m3/s. 3) El nuevo colector de Diagonal, discurre paralelo al T1695, con un cajón de 3.5 m de ancho y 3 m de altura. Tiene un problema en el trazado del techo entre la abscisa 212.34 hasta la abscisa 262.64m, necesita ir más bajo. 4) Para solventar el problema del techo y del paso por la L4 el cajón se mantiene con la sección inicial hasta la abscisa 212m, en este punto se propone un ensanchamiento que permita acelerar el flujo y disminuir calados de agua para poder pasar por encima de la L4 y por debajo de la Calle del Passeig de Sant Joan con suficiente holgura. Se pasa de un cajón de 3.5 m de ancho a un cajón de 5 m de ancho, la transición acaba en la abscisa 254 m. Además, se propone un cambio de pendiente en la abscisa 212m pasando de la pendiente de partida de 1.864% a una pendiente baja de 0.395 %. Estos cambios 26 permiten que el flujo pase por la L4 con holgura y además que pase con resguardo en la zona donde el techo tiene que perder altura. 5) Para pasar por la línea L4 de forma que el cajón no atraviese esviado, se han diseñado un par de curvas, curva y contra curva, que permiten al colector enfrentarse al trazado de la L4 lo más normal posible. En estas curvas se producen ondas cruzadas pero la valoración es que no hay afección al flujo. Es posible que una de las ondas cruzadas toque parcialmente el techo. 6) El colector que va desde la L4 hasta la cámara se ha diseñado también en curva y cayendo la diferencia de cotas entre la 25.75 m (saliendo de la L4) hasta la cota de cámara en la 15.50 m. En este caso se producen ondas cruzadas que se amortiguan debido a la propia caída del flujo. Es decir, la sobreelevación del flujo por curva se ve disminuida por la aceleración de caída y ese cambio de energía potencial a energía cinética. 7) La capacidad del colector nuevo es de 76.3 m3/s. 8) Se estudió la capacidad de los tubos actuales aguas abajo de la cámara de Sant Joan, como resultado se obtuvo que máximo pueden desaguar en carga un caudal máximo de 130 m3/s, a partir de este caudal las tapas intermedias de los tubos empezarán a saltar. 9) La tabla de distribución de caudales se presenta a continuación: CAUDALES EN (m3/s) Aguas arriba Colector T1695 Colector Nuevo Desviación Chorros En camara Caudal/porcentaje 56.3% 43.8% 38.9% 61.1% 78.1% 160 90 70 35 55 125 150 84.4 65.6 32.8 51.6 117.2 140 78.8 61.3 30.6 48.1 109.4 117.6 66.2 51.5 25.7 40.4 91.9 120 67.5 52.5 26.3 41.3 93.8 100 56.3 43.8 21.9 34.4 78.1 90 50.6 39.4 19.7 30.9 70.3 80 45.0 35.0 17.5 27.5 62.5 70 39.4 30.6 15.3 24.1 54.7 10) De la tabla del punto anterior se concluye que los caudales máximos que puede admitir el sistema es de 160 m3/s llegando a la cámara de calle Girona y repartiendo 90 m3/s por el colector actual (T1695 arreglado) y 70 m3/s por el colector nuevo. La bifurcación del T1695 permite que sigan por diagonal 35 m3/s y se desvíen 55 m3/s por los chorros de caída de la cámara. La unión de los 70 y 55 dan los 125 que pasarían por la cámara tomando en ella una cota de 26 m. 11) La cámara de