Los orificios en hidráulica son definidos, de acuerdo a Méndez (2018) como “perforaciones, generalmente de forma regular y perímetro cerrado, colocado por debajo de la superficie, en tanques, canales o tuberías”. Esto se intuye al observar la situación relacionada más sencilla donde a un recipiente lleno de líquido (puede ser agua) se la practica un orificio en una de sus paredes por debajo de su nivel de líquido, el mismo saldrá por la abertura con una determinada fuerza y a cierta distancia.
Asimismo, la corriente de fluido que se expele por el orificio se le denomina vena líquida o chorro. La utilidad de los orificios consiste en la descarga de un caudal con cierta magnitud, esto implica que el recipiente, donde esta hecho el orificio, mantiene constante su nivel de fluido, bien sea porque tiene un caudal de entrada mayor o igual al que sale o porque el volumen del recipiente es muy grande. Como bien dice Pelin (2018), resulta de alta importancia los orificios para la industria sobre todo es en el trasvasado. Este mismo autor explica que otros usos prácticos más comunes que se le dan a los orificios se encuentran: como desagües de los tanques, medición de caudales y regulación de presión (utilizando placas orificio), descarga de represas pequeñas, entre otros.
En lo que respecta a los elementos característicos de un orifico se tienen los siguientes:
- Area de su sección transversal.
- Longitud del orificio o espesor de la pared.
- Altura medida desde el desde el baricentro del orificio hasta la superficie de nivel del líquido.
- Diámetro del orificio medida en sentido vertical.
Ahora, tal y como señala Alonso (2013), resulta preciso explicar varios conceptos para el estudio de los orificios hidráulicos, al respecto se tiene que cuando la vena de líquido con la pared del recipiente ocurre en una línea, se dice que el orificio es de pared delgada pero si este contacto es en una superficie se habla de un orificio de pared gruesa la salida del líquido tiene forma abocinada ya que el chorro tiene el mismo diámetro que el orificio), igualmente el espesor de la pared en el último caso debe ser menor que el valor de la mitad de la dimensión más pequeña del orificio teniendo como máximo 4 a 5 cm, en referencia a los orificios de pared delgada, estos son los tallados a bisel.
La altura del líquido medida desde el nivel del líquido hasta el baricentro del orificio se denomina carga y la velocidad con que el fluido cae sobre el recipiente se conoce como velocidad de llegada, todo esto conforma el llamado escurrimiento permanente (o estacionario) cuyo requisito es que el mismo se presenta cuando la carga es constante. Por otra parte, cuando el nivel del líquido, bien sea en el canal de salida o en el contenedor inferior, se encentra debajo del borde inferior del orificio el mismo está en salida libre, de lo contrario es un orificio sumergido. Finalmente, la pared donde se encentra el orifico puede estar en posición vertical o inclinada lo cual también afecta la descarga del orificio en cuestión.
En lo referente a la clasificación de los orificios, Pelin (2018) hace está de acuerdo a ciertas características de funcionamiento y destino que presentan, así se tiene que de acuerdo al espesor de la pared pueden ser de pared delgada o pared gruesa (ya explicado anteriormente), orificios según el nivel de la superficie libre que pueden ser orificios de nivel constante u orificios de nivel variable, orificios según el nivel del fluido aguas abajo que serían orificios sumergidos o ahogados totalmente (el nivel de fluido esta sobre y por debajo del orificio en esta caso sus dimensiones pueden ser fijas o variables), orificio sumergido parcialmente (el área de descarga es modificable de acuerdo a las necesidades de caudales) y orificios libres en este tipo de orificios se usan de dimensiones fijas cuando la carga del fluido de que se dispone no es suficiente para la operación normal de los vertederos, esto se debe a que si la carga no tiene un mínimo valor el vertedero simplemente no funciona. Orificio de tubo (en la salida del orificio se le coloca un tubo corto cuya longitud es de, aproximadamente dos o tres veces el diámetro interno del orificio).
Existe otra clasificación, la cual Rodríguez (2018), la considera como tal y es la basada en la forma del orificio, en este sentido los divide en circulares, cuadrados, elípticos, rectangulares, trapezoidales y triangulares.
Un concepto, que explica Pelin (2018), y que es usado como punto de partida para el estudio hidráulico de los orificios a fin de obtener sus principales características como son coeficiente de velocidad, coeficiente de contracción, coeficiente de descarga y el gasto para orificios reales, es el de orificio perfecto (o ideal), luego realizando variantes sobre el mismo para llevarlo a las condiciones verdaderas es donde se pueden determinar los conceptos indicados ajustados a la práctica. Este orificio ideal se particulariza por: estar ubicado en una pared vertical, se desprecia la velocidad de llegada del fluido, es despreciable, la contracción del chorro descargado mediante el orificio es completa, es decir, es del tipo vena contracta (abajo se explica este concepto), la arista perteneciente al orificio es viva por lo que el ángulo de la descarga es mayor a 10º, se asume que la pared es infinita y que el orificio es pequeño bajo estas condiciones se supone que el valor de la carga es constante, la pared es delgada (su espesor es menos a la mitad del baricentro del orificio), la descarga es libre ya que se asume que descarga a la atmosfera, el flujo se considera es estacionario lo que implica que la carga del contenedor es constante en el tiempo.
Con estos supuestos, para el orificio ideal o perfecto, se tiene que aguas abajo el chorro resultante resulta contraído hasta que llega tener una mínima sección para luego expandirse en una sección de vena contraída que consiste en que las líneas de corriente deben ser paralelas tomando en cuenta que estas últimas pasan de ser convergentes a divergentes por lo que la distribución, en esta sección, será constante y con una presión igual a la de su entorno de acción. Asimismo, la presión dentro del chorro, pero aguas arriba, de la vena contracta será mayor que la presión del entorno (generalmente corresponde a la atmosférica) mientras que aguas abajo es menor que ella, esto ocurre por las formas que tienen las líneas de corriente donde respectivamente son convergentes y divergentes.
En cuanto a la determinación de los coeficientes correctivos de velocidad, contracción y descarga esto se hace a través de experiencias dentro de laboratorio, en este sentido se utilizan varios métodos siendo los más utilizados y conocidos los siguientes:
- Método de la trayectoria del chorro: Se basa en el hecho de que a partir de la sección contraída (vena contraída) la masa del chorro esta en caída libre siendo su velocidad inicial la velocidad real del chorro en la sección de vena contraída. Partiendo de la vena contraída, la velocidad tendrá dos componentes si se toma un sistema de coordenadas tipo cartesiano donde el origen es la vena contraída y los componentes de la velocidad se determinarían utilizando la definición de celeridad en ambas direcciones. Al resolver matemáticamente, se obtiene que la trayectoria del chorro, aguas abajo después de la vena contraída, tiene forma de parábola de segundo grado por lo que, conociendo las coordenadas del centroide de cualquier sección de la trayectoria, es posible hallar la velocidad real. Luego, el área se puede hallar al dividir el caudal entre esta velocidad real, en la sección de la vena contraída, así el coeficiente de contracción será la relación entre el área de la sección de la vena contraída con el área del orificio. Concluyendo, el coeficiente de descarga será el producto del coeficiente de velocidad con el de contracción.
- Método de la medida directa de la velocidad en la sección contraída: En este caso, se establece la ubicación de la vena contraída y se mide la velocidad directamente, esta sería la velocidad real, a partir de ella se puede encontrar el coeficiente de velocidad y el resto de los coeficientes se obtienen utilizando el método de la trayectoria del chorro.
- Método de la medida directa del diámetro chorro en la sección contraída: es de acara que esta metodología solo es aplicable a los orificios circulares verticales, para ello se procede a determinar la vena contraída midiendo directamente su diámetro, a partir de esta medida se puede hallar el coeficiente de contracción, una vez calculado este valor, el resto del coeficiente se puede hallar utilizando las ecuaciones del método de la trayectoria del chorro.
A continuación, se hablará de los vertederos como una variante de los orificios, Castro (2014) los conceptualiza como “toda abertura en la cual en la parte superior de la misma hay una superficie libre. De esto se desprende que un orificio que no se encuentra totalmente sumergido en el recipiente o canal se comporta como un vertedero”, asimismo Alonso (2013) señala que “los vertederos son probablemente las estructuras de aforo más usadas en la medición y/o control del volumen de agua que circula en un canal”, entonces, usado como estructura para controlar el aprovechamiento hidráulico o como estructura de medición de caudales, resultan de muy popular aplicación debido a que los vertederos posibilitan, de forma sencilla, tener un estricto control sobre su cresta por lo que solo se requiere medir el valor del tirante aplicado en la mencionada cresta. Alonso (2013) menciona que entre los principales usos que se dan a los vertederos se encuentran: medición de caudales en canales, regulación de caudales de salida en equipos de tratamiento de aguas, regulación de caudales de riego y la regulación de presas de embalses.
En lo que concierne a sus limitaciones, dentro de sus usos específicos, se puede decir que los de pared fina (por su fragilidad estructural) ven limitado su uso a la medición o aforo de caudales, en el caso de los vertederos de pared intermedia (que tienen la forma de la vena liquida) son utilizados generalmente en los vertederos de alivio de las represas y los vertederos de pared gruesa son usualmente instalados en presas para ríos pequeños.
La sección transversal de los vertederos es típicamente de forma rectangular, trapezoidal o triangular y su dirección de orientación puede ser cualquiera (siempre que su pared sea la adecuada), pero las ubicaciones más utilizadas son normal y paralela al eje del canal, en caso de tener la última orientación nombrada se les denomina “vertederos laterales”. Por otra parte, se tiene que los elementos que se distinguen de un vertedero son:
- Umbral: Así llamada la arista o parte inferior de la abertura del vertedero.
- Longitud del vertedero: En el caso de los vertederos con forma rectangular y trapezoidal, se refiere a la misma longitud del umbral.
- Canal de llegada: En el caso de los vertederos instalados en canales, el canal de llegada será el de aguas arriba del vertedero.
- Velocidad de llegada: Se refiere a la velocidad media del agua en el canal de llegada.
- Altura del vertedero: Es igual a la distancia medida desde el fondo del canal (o presa) hasta el umbral del vertedero.
- Carga del vertedero: Es igual a la distancia (altura) medida desde el umbral del vertedero hasta la superficie libre que no resulta afectada por su operación (la del vertedero).
En el contexto del flujo que se puede observar sobre el vertedero y sus inmediaciones, se tiene lo siguiente:
- Igual que en el caso de los orificios, la vertiente del agua presenta contracciones aguas abajo después de las aristas vivas en las aberturas. En los casos de vertederos con forma rectangular y trapezoidal se tiene que la contracción de fondo y las laterales tienen su valor máximo cuando la altura del vertedero este sobre el valor de tres veces su carga o que el ancho del canal sea superior a tres veces el valor de la longitud del vertedero. Si estas condiciones no se cumplen la contracción no será completa.
- La línea de superficie libre tomara una forma curvilínea en los alrededores del vertedero lo que causa que las líneas de corriente converjan hacia el umbral del vertedero, a este fenómeno se le llama “remanso del vertedero”. Esto ocurre como consecuencia de la disminución de la sección por donde pasa el agua, lo cual hace que esta incremente su velocidad y, con ello su energía cinética. El aumento en la energía cinética implica la reducción de la energía potencial. Ahora, se considera que los efectos del “remanso del vertedero” son despreciables si se tiene una distancia aguas arriba superior a cuatro veces la carga, esto es válido para cualquier clase de vertedero. La posición mencionada, es la ideal para medir la carga en los aforos ya que si se hace aguas arriba la medición será inexacta al estar afectada por la curva de remanso del movimiento uniformemente variado en el canal.
- Como ya se sabe, la forma de la lámina vertiente es dependiente de la relación existente entre la carga y la altura del vertedero. Puesto que a menor relación resulta menor la sobreelevación de la lámina inferior, en otras palabras, sería menor la contracción de fondo. Castro (2014) manifiesta que en numerosos estudios se ha determinado que en el caso de vertederos de pared delgada, la longitud existente entre borde de ataque y el punto en el cual la lámina intercepta la horizontal que pasa por ese punto es de aproximadamente 0,66 veces la carga del vertedero por lo que se establece que aquellos vertederos cuya pared sea se concluye que los vertederos cuya pared sea mayor a 0.66 veces la carga del mismo, tienen un comportamiento diferente a un vertedero de pared delgada.
Al igual que para el caso de los orificios, también existe el concepto de vertedero ideal a partir del cual se establecen ecuaciones, para calcular sus características, las cuales resultan una aproximación a los vertederos reales mediante la variación de ciertos parámetros a la realidad. El vertedero perfecto (o ideal) tiene las siguientes condiciones: Su contracción lateral es nula o ancho de canal igual a la unidad, su contracción de fondo máxima es mayor a tres veces la carga del vertedero, la velocidad de llegada es despreciable, de pared delgada con un espesor menor a la mitad de la carga, en posición vertical y normal a la dirección de la corriente, la sección tiene forma rectangular y el umbral es horizontal y es de caída libre con lamina aireada.
Las estructuras construidas sobre cimientos permeables de la hidráulica, donde existe la posibilidad de filtración de agua a través del fondo de las estructuras, están expuestas a la presión de elevación ya que estas son causadas por la diferencia en las cabezas de agua entre la parte superior y la parte inferior. Dependiendo de la cantidad de agua entre más cantidad almacenada en la corriente ascendente, más filtración puede ocurrir, lo que conduce a una mayor fuerza que se presenta en la interfaz de la estructura y los cimientos.
La distribución de la presión de levantamiento debajo de una presa de derivación y su cuenca inmóvil. la presión de elevación puede volcar la estructura alrededor de su dedo del pie o causar una grieta en la superficie de concreto del piso de la estructura. Por tanto, la construcción de estas estructuras requiere una gran atención, debido a la inestabilidad causada por la filtración de agua, Por lo cual se debe calcular la fuerza ejercida sobre toda la estructura y los cimientos, así como el gradiente hidráulico de salida en la parte baja. Las formas más importantes para reducir la presión de elevación es la construcción de una pared de corte en la parte superior, la instalación de desagües debajo de la estructura e instalar un agujero de drenaje en la parte inferior.
El manejo de los modelos numéricos puede ayudar a analizar mejor la filtración a través de los medios porosos, debido a las limitaciones de los modelos físicos en tales estudios. En la investigación, se utilizó el modelo Seep / W del software GeoStudio para este propósito. Este modelo es un programa informático potente y completo en el campo del análisis de filtración y la estimación de presiones de elevación y gradiente hidráulico en medios porosos.
En este artículo, se investigó el efecto del agujero de barrido y la pared de corte sobre la presión de elevación y el gradiente hidráulico debajo de una presa de derivación mediante modelos experimentales y numéricos. Con el propósito de utilizar cuatro agujeros de drenaje de varias combinaciones, también temas a tratar para ver encontrar una solución sobre unas cuencas y presa respectivamente. El gradiente hidráulico aguas abajo tiene una reducción significativa en las combinaciones binarias en comparación con los modos individuales, pero esta reducción no se observa en las combinaciones ternarias y cuaternarias.
En este estudio, se investigó la diferencia en los niveles de agua entre aguas arriba y aguas abajo produce una filtración de agua a través del suelo poroso debajo de la presa. Donde este flujo de filtración genera una presión de elevación debajo de la estructura donde puede producir daño de humedad en la superficie de concreto del piso de la estructura. En esta condición, el gradiente de salida puede exceder el valor crítico, además de los mejores modos de combinación de agujeros de drenaje para poder mejorar la condición hidráulica del fenómeno de filtración debajo de la presa.
Se ha realizado un número limitado de estudios sobre el efecto del muro de corte y el orificio de drenaje en la reducción de la filtración debajo de la presa. Se realizó un grupo de experimentos para determinar la ubicación óptima de la galería de drenaje debajo de una presa de gravedad. Esta ubicación se denota por la posición de la reducción máxima en la fuerza de elevación, que se encontró en el medio del piso del dique, donde la distancia desde la presa y L es la longitud de la cuenca inmóvil), donde el cálculo de la longitud de los desagües horizontales aguas abajo de las presas de tierra isotrópicas y anisotrópicas.