Disipadores de energía (2da ed.)

Se presenta diversas estructuras disipadoras de energía para pequeñas presas de almacenamiento de acuerdo a las condiciones físicas del lugar de descarga.

1. Disipadores de energía

1

2. Disipadores de energía

2
Introducción
Uno de los aspectos que generalmente merece
especial atención en el diseño de obras
hidráulicas es la disipación de la energía cinética
que adquiere un flujo en su descenso. Esta
situación se presenta en vertederos de
excedencias, estructuras de caída, desfogues
de fondo, bocatomas, salidas de alcantarillas,
etc. La disipación de la energía cinética puede
lograrse aplicando diferentes medidas, a saber:
generación de resalto hidráulico, impacto o
incremento de la rugosidad.
La estructura disipadora de energía es una parte
importante de la obra de excedencia que tiene
por objeto disipar la energía cinética que el agua
adquiere en su caída desde el vaso hasta un
sitio adecuado en el fondo del cauce, donde no
genere problemas de erosión o socavación.
Estas estructuras se diseñarán para que el
agua, que sale del canal de descarga, se aleje lo
máximo posible, dentro de lo económico, de la
cortina o de alguna estructura complementaria
(7).
El tipo de disipador de energía que se diseñe
depende de la clase de material que se tenga en
el sitio en que se puede descargar la avenida.
Cuando se tenga roca sana, se puede descargar
el agua directamente del vertedor, en régimen
rápido, sin necesidad de pasar a régimen
tranquilo, siempre que no vaya a causar
problema a la pequeña presa o bordo de
almacenamiento. Si el material es erosionable,
se diseña un tanque amortiguador de sección
transversal rectangular, hecho de mampostería
o concreto armado.
Una falla en el diseño, instalación u operación
de los disipadores puede llevar a problemas
como socavación, erosión o retención de
material, que pueden terminar produciendo la
falla del vertedero y posteriormente la falla de la
presa.
Definición
El disipador de energía es una estructura que
genera la pérdida de energía del agua
construida al pie de un vertedor de excedencias,
con rápidas o estructuras de caída libre y que
descargue a régimen supercrítico (3 y 7).
En la Figura 1 se esquematiza la definición de
las condiciones del flujo aguas arriba y aguas
abajo de una estructura de disipación de energía
que permite una correcta entrega al cauce del
rio.
Figura 1. Condiciones de entrada y salida de una
estructura de disipación de energía con
restitución a un cauce de rio (4).
Objetivos
! Generar la pérdida de energía cinética del
agua en su descenso por el vertedor al
pie de la estructura.
! Proteger a la estructura que a aloja de la
socavación por la acción erosiva del
agua.
! Elegir la obra disipadora de energía más
apropiada para obras de almacenamiento
(presas o bordos) o de derivación (presa

3. Disipadores de energía

3
derivadora) de acuerdo a las condiciones
topográficas y morfológicas propias de la
descarga.
Ventajas
• Ayuda a incrementar la vida útil de la
obra.
• Permite disipar la energía del agua al pie
de la obra.
• Es una estructura que coadyuva a
disminuir los daños por erosión
provocados por la energía de impacto el
agua.

Desventajas
• Genera un costo adicional a la obra
principal.
• Si el material donde se ubicara no es roca
firme o suelo consolidado, se requerirá de
una inversión mayor.

Condiciones para establecer un disipador de
energía y elementos básicos a considerar
El tipo de disipador de energía que se diseñe
depende de las condiciones que se mencionan a
continuación (3):
1. Tipo de material del sitio donde puede
darse la descarga.
2. Energía de la corriente.
3. Economía y mantenimiento, ya que éste
eleva el costo inicial de la estructura.
4. Condiciones del cauce aguas abajo
(taludes, roca, suelo erodable, entre
otras).
5. Ubicación de las vías de acceso, casa de
máquinas, y demás estructuras
hidráulicas ya que su seguridad no puede
quedar comprometida.
6. Efecto de las subpresiones y del vapor de
agua sobre las instalaciones.
7. Daños causados a la fauna y la flora por
la erosión.
8. Proyectos y poblaciones aguas abajo.
Cuando se tenga roca sana, se puede descargar
el agua directamente del vertedor, en régimen
rápido, sin necesidad de pasar a régimen
tranquilo, siempre que no vaya a causar
problema a las obras de almacenamiento o
derivación. Si el material es erosionable, se
diseña un tanque amortiguador de sección
transversal rectangular, hecho de mampostería
o concreto armado.
El resalto hidráulico
El resalto hidráulico es el ascenso brusco del
nivel del agua que se presenta en un canal
abierto a consecuencia del retardo que sufre
una corriente de agua que fluye a elevada
velocidad. Este fenómeno presenta un estado
de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lugar un
cambio violento del régimen de flujo, de
supercrítico a subcrítico.
Una de las aplicaciones prácticas más
importantes del salto hidráulico, es que se utiliza
para disipar la energía del agua que fluye sobre
presas, vertedores y otras estructuras
hidráulicas, y prevenir de esta manera el
fenómeno de socavación aguas debajo de
dichas estructuras, Mott (1996). La caída
provoca un salto hidráulico como se muestra en
la Figura 2, donde el tirante del flujo cambia en
forma brusca de d1 a d2.

4. Disipadores de energía

4

Figura 2. Salto hidráulico al pie de un vertedor
(1).
Características básicas del resalto
hidráulico
Las características del resalto hidráulico han
sido aprovechadas para reducir las velocidades
de flujo en canales a valores que permitan el
escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte
superiores a los límites permitidos por los
materiales que componen el perímetro mojado
(7).

A continuación se estudian algunas
características básicas de importancia en un
resalto, hidráulico en canales rectangulares
horizontales.
Pérdida de energía
En el resalto la pérdida de energía es igual a la
diferencia de las energías específicas antes y
después del resalto. Puede demostrarse que la
pérdida es:

∆!=!! − !! = !!− !!!
4!!!!………………….(1)

Donde:
!! = Energía específica antes del resalto 1.
!! = Energía específica después del resalto.
!! = Profundidad del agua antes del resalto.
!! = Profundidad del agua después del resalto.

A la relación ∆!!! se le conoce como pérdida
relativa.

Mott (1996), comenta que la energía a
considerar para el flujo usualmente involucra
una determinación de la que posee el fluido en
una sección de interés en lo particular. La
energía total se mide con relación al fondo y se
compone de la energía potencial, debido a la
profundidad del fluido, más la energía cinética o
de velocidad (5).
Eficiencia
Es la relación entre la energía específica antes y
después del resalto hidráulico y depende
únicamente del número de Froude (7).

Puede mostrarse que la eficiencia es:

!!
!!= (8!!!+1)!!−4!!!+1
8!!! (2+ !!!)……….………….(2)
La Ecuación 2, indica que la eficiencia de un
resalto es una función adimensional que
depende solo del número de Froude del flujo de
aproximación f.
!!= !!
!!!…………………..……..…………………(3)

Donde:

!!= Número de Froude.
!!= Velocidad del agua en la sección de y1.
!= Constante de gravedad.

La pérdida relativa es 1− !!
!!, es también una
función adimensional del número de Froude.
Altura
Es la diferencia entre las profundidades antes y
después del resalto (7). La expresión siguiente
define esta característica:
ℎ!=!!− !!…………..……………………………(4)

5. Disipadores de energía

5
Al expresar cada término como la relación con
respecto a la energía específica inicial:
ℎ!
!!= !!
!!= !!
!!……………...….…………………(5)
Donde:

!!
!! = Altura relativa.
!!
!! = Profundidad inicial relativa.
!!
!! = Profundidad se cuente relativa.
Longitud
Puede definirse como la distancia medida desde
la cara frontal del resalto hidráulico hasta un
punto en la superficie inmediatamente aguas
abajo del remolino (Figura 3).
Es un parámetro importante en el diseño de
obras hidráulicas ya que definirá la necesidad de
incorporar obras complementarias para reducir
esta longitud y/o aplicar medidas de protección
de la superficie para incrementar su resistencia
a las tensiones de corte.

Figura 3. Longitud en términos de la profundidad
se cuente de resaltos en canales horizontales (2).
Tipos de resalto
Prácticamente, el resalto hidráulico es un medio
útil para disipar el exceso de energía en un flujo
con régimen supercrítico. Su importancia radica
en prevenir la erosión en la base de la estructura
aguas abajo de los vertedores de excedencia,
rápidas y compuertas deslizantes, ya que esto
reduce rápidamente la velocidad del flujo sobre
un piso protegido hasta un punto donde el flujo
pierde su capacidad de socavar el lecho (Figura
4).
Figura 4. Tramo de resalto hidráulico en presa de
almacenamiento.
(Fuente: http://www.ambientum.com).
El resalto hidráulico utilizado para la disipación
de energía y al lugar geométrico en el que se
presenta el resalto se le denomina colchón
hidráulico.
El fondo del colchón se recubre para resistir la
socavación. En la práctica rara vez se diseña el
colchón hidráulico para confinar toda la longitud
del resalto libre ya que esto elevaría el costo,
por lo que se instalan accesorios para reducir la
longitud del colchón. Por otro lado se debe
considerar que un colchón hidráulico, con
resalto hidráulico, la profundidad de agua, a la
salida, fluctúa debido a cambios en el caudal del
flujo.
Al considerar los diferentes tipos de resalto
hidráulico, el U.S. Bureau of Reclamation da las
siguientes recomendaciones prácticas:

• Todos los tipos de resalto se encuentran
en el diseño de colchones hidráulicos.

6. Disipadores de energía

6
• El resalto débil no requiere de bloques o
consideraciones especiales. Lo único que
se necesita es dar la longitud apropiada
al colchón, la cual es relativamente corta
y puede determinarse utilizando la Figura
3.
• El resalto oscilante, encontrado a menudo
en el diseño de estructuras de canales,
presas de derivación y aún obras de
descarga es difícil de manejar.
• Para el resalto permanente no se
encuentra una dificultad particular.
Arreglos de bloques y deflectores son
muy útiles como medios para acortar la
longitud del colchón hidráulico.
• A medida que el número de Froude
aumenta, el resalto se vuelve más
sensible a la profundidad de salida. Para
números de Froude tan bajos como7 se
recomienda una profundidad de salida
mayor, para asegurar que el resalto
hidráulico permanecerá en la zona
protegida.
• Cuando el número de Froude es mayor
que 10, un colchón hidráulico puede dejar
de ser lo más económico. En este caso,
la diferencia entre la profundidad inicial y
recomendada es alta y, por lo general, se
requerirá de un colchón hidráulico muy
profundo y con muros de retención muy
altos. En estos casos, un disipador del
tipo cubeta deflectora dará resultados
similares a menor costo.
Canales dentados
Los canales dentados están provistos de
accesorios especiales, incluidos bloques,
umbrales y pilares deflectores. Este tipo de
lozas dentadas, para canales o descarga de
vertedores, se usa en canales donde el agua
debe bajarse de una elevación a otra, para
impedir aceleraciones inconvenientes del flujo a
medida que el agua avanza por el vertedero. El
canal puede diseñarse para descargas hasta de
5.5 m3 s-1 por metro de ancho y la caída puede
ser tan grande como sea estructuralmente
factible. Con la losa, el agua llegará al pie del
vertedero con una velocidad relativamente baja
y no requerirá un colchón hidráulico
amortiguador.
Canal con bloques
Los bloques en la rápida se utilizan para
conformar una estructura dentada a la entrada
del canal de entrega. Su función es dividir el
chorro de entrada y elevar una parte de él desde
el piso, produciendo una longitud de salto más
corta que la que sería posible sin ellos.

Estos bloques también tienden a estabilizar el
resalto y por consiguiente a mejorar su
comportamiento, Figura 5.
Figura 5. Bloques a la entrada del colchón
hidráulico (7).
Canal con remate dentado
Los umbrales dentados a menudo se colocan al
final del canal de entrega (Figura 6). Su función
es reducir además la longitud del resalto y
controlar la socavación. Para canales largos,
diseñados para altas velocidades de entrada, el
remate o umbral por lo general es dentado, para

7. Disipadores de energía

7
llevar a cabo la función adicional de volar la
parte residual del chorro de alta velocidad que
puede alcanzar el extremo del canal de salida.


Figura 6. Bloques a la entrada del colchón
hidráulico (7).
Canal con pilares deflectores
Son bloques localizados en posiciones
intermedias sobre el piso del canal de entrega
(Figura 7). Su función es disipar la energía
principalmente mediante una acción de impacto.
Los pilares deflectores son muy útiles en
pequeñas estructuras con velocidades de
entrada bajas.

Figura 7. Bloques a la entrada del colchón
hidráulico (7).
Estanques amortiguadores
El resalto que se produce en un estanque
amortiguador tiene características especiales y
toma una forma definida que depende de la
energía de la corriente que debe disiparse en
relación al tirante, el Bureau of Reclamation ha
efectuado una serie completa de pruebas para
determinar las propiedades del resalto hidráulico
(7).

La forma del resalto y las características de su
régimen se puede relacionar al factor cinético,
de la descarga que entra al estanque; al tirante
crítico o al parámetro de Froude.
Los estanques amortiguadores tienen su
aplicación en vertederos de excedencias,
rápidas y estructuras de caída libre. En ellos la
energía se disipa por medio de choque ya que el
agua cae libre y verticalmente en un estanque
en el lecho del río. Debido al gran poder erosivo
del agua, se tiene que revestir el cauce y sus
paredes con rocas o concreto. De todas
maneras los materiales sufren mucho desgaste
por el constante choque por lo que se debe
hacer un mantenimiento periódico.
Un estanque amortiguador se hace necesario
cuando no es posible lograr la disipación de
energía deseada de manera natural, es decir,
cuando el tirante conjugado necesario es mayor
al tirante existente aguas abajo. En esos casos
se considera la alternativa de forzar a la
disipación a través de un estanque artificial,
obligando el desarrollo del resalto hidráulico en
un tramo lo más corto posible. Para este
propósito, serán necesarias obras
complementarias que permitan proteger el
perímetro mojado de la zona de mayores
velocidades.
En la Figura 8 se puede observar que al pie de
la caída se presenta el tirante mínimo (ymin) y por
lo tanto la energía específica máxima. Si ymin
=!!, para la formación del resalto hidráulico será
necesario contar con un tirante conjugado !!,
que deberá desarrollarse por efecto de las
condiciones de escurrimiento existentes aguas
abajo (ab); es decir que y2 ≈ yab.

8. Disipadores de energía

8

Figura 8. Resalto hidráulico para !!"#< !! .
Si yab < y2, el resalto hidráulico no se formará en
la sección 1, sino que por efecto de su energía
cinética, la zona de régimen supercrítico se
desplazará aguas abajo, hasta encontrar un
tirante que sea próximo al tirante conjugado. Sin
embargo, es posible que la zona de régimen
supercrítico tenga una longitud mayor a la
máxima establecida por los criterios adoptados
para el proyecto.
Para incrementar el tirante de aguas abajo
existen varias posibilidades:

1) profundizar el piso o construir un travesaño
de fondo.
2) incrementar la rugosidad de la loza de fondo.
3) reducir el ancho de la sección.
4) reducir la pendiente de la loza de fondo.

En la Figura 9 se presenta la segunda
posibilidad.
Diseño de un colchón hidráulico
Un colchón hidráulico es una estructura que
consiste en un tanque al pie de la cortina con
una profundidad “p” que viene siendo el espesor
del colchón de agua, para amortiguar el golpe
del chorro. El diseño de este tanque se basa en
el principio del salto hidráulico que establece la
hidráulica (6).

La profundización del piso, en la zona del canal
de entrega, determina el incremento de la altura
de caída en la estructura y en consecuencia un
menor tirante ymin (y1) y un mayor tirante
conjugado y2. Con la profundización del lecho,
en el colchón hidráulico, no solo se presenta una
compensación geométrica del déficit de altura,
en el tirante aguas abajo, sino que la confinación
del resalto hidráulico genera una mayor
intensidad de choques entre las partículas de
agua, contra las paredes laterales y
principalmente contra la pared frontal del
colchón.
Figura 9. Estanque amortiguador con travesaño
de fondo.
Dimensionamiento de un colchón
hidráulico
Para obtener las dimensiones del tanque
amortiguador (tipo calchón hidráulico) se aplica
el procedimiento siguiente, y en la Figura 11 se
muestran las variables de manera gráfica.
! Gasto Unitario (q). Con los valores de
avenida de diseño (Q) y la longitud de
cresta (L), se obtiene el gasto unitario por
metro de longitud de cresta con la
relación siguiente:
!= !
! …………….…………………………………(6)

! Tirante conjugado menor. Se propone un
valor para el tirante conjugado menor

9. Disipadores de energía

9
(y1), mismo que se verifica dentro de los
cálculos.

! Altura Total de Caída (Z). Se propone la
elevación del piso del canal de descarga
y la profundidad se define con la altura
del cimacio desde su cresta hasta el piso
del tanque amortiguador, y se calcula:

!= !!+!− !! …………………………………(7)

En la que:
Z = Altura total de la caída, m.
a = Altura del cimacio desde su cresta
hasta el piso del tanque amortiguador, m.
y1 = Tirante conjugado menor propuesto,
m.
Hd = Carga sobre el vertedor, m.

! Velocidad al pie del cimacio. Se calcula la
velocidad (V1) del agua de la sección del
tirante conjugado menor (y1), como se
muestra:

!!= 2!" ……………………………………….(8)

! El tirante conjugado menor (y1) se obtiene
con la siguiente ecuación:
!!= !
!! …………………………………………….(9)
! Verificación. El valor obtenido para y1
debe ser aproximadamente igual al
propuesto en el punto 2; de no ser así, se
propone otro tirante y1 y se vuelve a
calcular hasta obtener la igualdad
indicada.

! Ajuste al número de Froude. Este tirante
se revisa mediante el cálculo del número
de Froude de acuerdo con la ecuación
(10) debiendo obtenerse un valor entre
4.5 y 9.0; de no ser así, se propone otra
profundidad del tanque amortiguador o
sea que se incrementa el valor de (a) y se
repite el proceso hasta obtener el número
de Froude especificado (Figura 10).

!"!= !!
!"! ………………………………………(10)
! Tirante conjugado mayor (y2). Con el
valor de y1 aceptado se calcula el valor
del tirante conjugado mayor (y2) con la
ecuación:

!!= 2!!!!!
!+!!!
4− !!
2…………………… (11)
Donde:
y2 = Tirante conjugado mayor, m.


Figura 10. Salto hidráulico, de acuerdo al número
de Froude.
! La longitud del tanque amortiguador. La
longitud (LT) del tanque amortiguador se
obtiene aplicando la relación:

!"=5!!− !! ………..………………….(12)

! Profundidad del tanque amortiguador con
régimen uniforme en el canal de
descarga. La profundidad (p) del tanque
amortiguador se obtiene con la expresión
siguiente:

!=1.15 !! −!! …………….……………….(13)
En la que:

10. Disipadores de energía

10
p = Profundidad del tanque, m.
y0 = tirante normal de escurrimiento en el
canal de descarga, m (tirante del río) si no
se cuenta con y0 se usa el ycrítico del río,
para el cual se calcula de la siguiente
forma:
!!"#$= !!
!!! ……………………………………(14)


Figura 11. Variables que intervienen en el diseño
de un colchón hidráulico.
Por cuestiones técnicas se recomienda un
zampeado seco después del colchón hidráulico
para evitar erosión del cauce natural o
socavación al pie del mismo.
Salto de esquí
Se utiliza para grandes descargas,
principalmente en los vertederos. Ésta se hace
directamente sobre el río. Se utilizan unos
trampolines para hacer saltar el flujo hacia un
punto aguas abajo reduciendo así la erosión en
el cauce y el pie de la presa. La trayectoria del
chorro depende de la descarga, de su energía
en el extremo y del ángulo con el que sale del
trampolín. Su funcionamiento se ve con la
formación de dos remolinos uno en la superficie
sobre el trampolín y el otro sumergido aguas
abajo; la disipación de la energía se hace por
medio de éstos.

La trayectoria del chorro de descarga puede
calcularse con la ecuación:

!=!"#$∝ − !!
3.6 !+ℎ!!"#!∝ ……………(15)

Donde:
x, y= Coordenadas de un sistema cartesiano con
origen en el labio de la cubeta.
α = ángulo que forma el labio de la cubeta con la
horizontal.
Se recomienda que el ángulo de salida a no sea
mayor de 30°. Además, con objeto de evitar
presiones en la plantilla, los radios de la cubeta
deben ser grandes; se sugieren las siguientes
condiciones:
!≥5! ………………………….….…………..…(16)
!
≥0.043!!! ……………………….….……………(17)

Donde:
R= Radio de la cubeta deflectora, m.
!= Tirante a la salida, m.
! = Velocidad de salida, m s-1.

La profundidad límite del pozo de socavación se
puede calcular con las ecuaciones de Veronese,
1983.

!"=1.9 !!!.!!"!!.!" ……………………………(18)

Donde:
!" = Profundidad máxima de socavación abajo
del nivel de aguas del remanso, m.
!!= Caída desde el máximo nivel del chorro
hasta el nivel de remanso, m.
! = Gasto unitario, m3 s-1.
Hd
y1
hv1
ycrit
hvc
a
L
P
y2
yn=ycrit
Sección de control

11. Disipadores de energía

11
Bibliografía
1. Arteaga T. R. E, Paz S. M. A., Vázquez S.
J. F., 2006. Hidráulica de los sistemas de
conducción. Universidad Autónoma
Chapingo, México.
2. Chow, V. T. 1985. Hidráulica de los
canales abiertos. México.
3. Cordón G. H. A., 2013. Propuesta de la
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para proteger las bases de los puentes.
Guatemala.
4. Juma J., 2012. Estudio en modelo
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5. Mott R.L., 1996. Mecánica de fluidos
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Hispanoamericana, S. A. Impreso en
México.
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hidráulicas para el desarrollo rural.
México D.F.
7. Villamarin P. S. C., 2013. Manual básico
de diseño de estructuras de disipación de
energía hidráulica. Sangolquí.






“DISIPADORES DE ENERGÍA”
Segunda Edición

México, Noviembre 2017


Secretaría de Agricultura,
Ganadería, Desarrollo Rural,
Pesca y Alimentación


Subsecretaría de Desarrollo Rural,
Dirección General de Producción
Rural Sustentable en Zonas
Prioritarias



Responsables de la Ficha

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Dr. Demetrio Fernández Reynoso
([email protected])

M. C. Hilario Ramírez Cruz
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Ing. Alfonso Medina Martínez

Ing. Héctor García Martínez

Ing. Rodiberto Salas Martínez
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