Sifones, Rapidas Y Caidas 3ri2z

PIURA 2015

DOCENTE: ING. HECTOR FELIX MENDOZA.

NOMBRE:

CURSO

ESLÍ ONÁN RÍOS CALLE

: OBRAS HIDRAULICAS.

ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

CURSO: OBRAS HIDRAULICAS

INDICE CAPITULO I: INTRODUCCION 1.1 Descripción 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo General 1.2.2 Objetivos Específicos CAPITULO II SIFONES 2.1 Descripción y Funcionamiento 2.2 Elección del Tipo de Estructura 2.3 Tipos de Sifones 2.3.1 Sifón Normal 2.3.2 Sifón Invertido 2.4 Partes de un Sifón Invertido 2.5 Tipos de sifones invertidos 2.6 Criterios de Diseño 2.7 Cálculo Hidráulico 2.7.1 Cálculo de las Pérdidas de Carga 2.7.2 Cálculo de las Transiciones 2.7.3 Verificación del Ahogamiento en la Entrada 2.7.4 Elección del Diámetro de la Tubería 2.8 Ejemplo de Diseño

CAPITULO III RÁPIDAS 3.1 Descripción y funcionamiento 3.2 Partes de una Rápida 3.3 Cálculo Hidráulico ESLÍ ONÁN RÍOS CALLE

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3.3.1 Cálculo del Tirante Crítico 3.3.2 Cálculo de la Rampa 3.3.3 Cálculo del Perfil de Trayectoria 3.3.4 Cálculo de la Longitud y Profundidad 3.4 Consideraciones de Diseño 3.4.1 Coeficiente de Rugosidad de MANNING 3.4.2 Transiciones 3.4.3 Tramo Inclinado 3.4.4 Trayectoria 3.4.5 Poza Disipadora 3.4.6 Formación de Ondas 3.5 Procedimiento de Diseño 3.6 Ejemplo de Diseño

CAPITULO IV CAÍDAS 4.1 Descripción y Funcionamiento 4.2 Elementos de una caída 4.3 Diseño del colchón 4.5 Caídas Verticales 4.5.1 Criterios de Diseño 4.6 Ejemplo de Diseño CAPITULO V CONCLUSIONES


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CAPITULO I INTRODUCCION 1.1 Descripción El siguiente informe se basa principalmente en 3 obras hidráulicas como son: los sifones, rápidas y caídas. Las obras hidráulicas constituyen hoy en día un papel muy importante en el campo de la ingeniería, donde el elemento dominante tiene que ver con el agua. Se puede decir que las obras hidráulicas constituyen un conjunto de estructuras construidas para controlar el agua, para el beneficio del hombre y el desarrollo de la humanidad. 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo General El objetivo principal es conocer todas las características principales, la función y el funcionamiento de las estructuras hidráulicas de los sifones, rápidas y caídas. 1.2.2 Objetivos Específicos  Optimizar el diseño hidráulico para obtener una estructura económica y funcional.  Saber cuáles son los pasos a seguir para desarrollar una buena estructura hidráulica y diferenciar de cada una de ellas.  Conocer los procedimientos de diseño con sus respectivos cálculos de cada uno de los temas tratados.  Saber proyectar, diseñar una estructura hidráulica de cualquier tipo que se presente en nuestra vida diaria.


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CAPITULO II DISEÑO HIDRAULICO DE UN SIFON 2.1 Descripción y Funcionamiento Es una estructura utilizada para atravesar depresiones o vías de comunicación cuando el nivel de la superficie libre de agua del canal es mayor que la rasante del cruce y no hay espacio para lograr el paso de vehículos o del agua. Los sifones se diferencian de acueductos en que la sección del sifón se apoya directamente en las laderas de la depresión, siguen el perfil del terreno y sólo aprovechan la carga de agua para el movimiento del flujo. Generalmente hay cambio de sección con respecto a los canales, por lo cual es necesario proyectar transiciones aguas arriba y abajo. Tanto en el ingreso y a la salida se instalan rejas para evitar el ingreso de troncos, malezas y otros. Los sifones son estructuras hidráulicas que se utilizan en canales para conducir el agua a través de obstáculos tales como un río, una depresión del terreno u otro canal. 2.2 Elección del Tipo de Estructura Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar como estructura de cruce; un puente canal o un sifón invertido o la combinación de ambos. El puente canal se utilizará cuando la diferencia de niveles entre la rasante del canal y la rasante de la quebrada o río, permita un espacio libre, suficiente para lograr el paso del agua. El sifón invertido se utilizará si el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo. 2.3 Tipos de Sifones 2.3.1 Sifón Normal Llamado simplemente sifón por la mayoría de los autores conduce él agua pasando sobre el obstáculo y su funcionamiento se debe a la presión atmosférica que actúa en la superficie del agua a la entrada; para iniciar su funcionamiento es necesario producir el vacío en el interior del conducto, entonces la diferencia de presión entre la entrada (Presión atmosférica) y en el interior del conducto (Presión cero o próxima a cero) hace que el agua fluya en sentido ascendente al llegar a la cresta A, el agua cae por gravedad hacia la rama derecha dejando un vacío en la ESLÍ ONÁN RÍOS CALLE

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cresta lo que hace que el flujo sea continuo mientras no se introduzca aire en el conducto, por esta razón la entrada al sifón debe estar siempre ahogada. 2.3.2 Sifón Invertido Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión y se utilizan para conducir aguas en el cruce de una canal por una depresión topográfica en la que se ubica un canal, una vía, etc.

2.4 Partes de un Sifón Invertido        

Consta de las siguientes partes: Depósito de azolves. Limitador de gasto. Transición de entrada. Compuerta de entrada. Conducto. Válvula de purga. Transición de salida.

2.5 Tipos de sifones invertidos Tipos de sifones invertidos. Los principales son los que se indican a continuación:


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 Ramas oblicuas: se emplea para cruces de obstáculos, para lo que se cuenta con suficiente desarrollo y en terrenos que no presenten grandes dificultades de ejecución.

 Pozo vertical: con una o dos ramas verticales, son preferidos para emplazamientos de poco desarrollo en caso de grandes dificultades constructivas. Debido a sus características de fácil y reducido espacio, son muy aconsejables.

 Ramas verticales: lo mismo que pozos verticales.



Con cámaras de limpieza: tiene su aplicación en obras de cruce de vías subterráneas.

2.6 Criterios de Diseño  Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergerencia de la entrada y salida. ESLÍ ONÁN RÍOS CALLE

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 En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiere un mínimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura.  En el caso particular del cruce con una quebrada o río de régimen caudaloso, deberá hacerse un estudio de profundidad de socavación para definir la profundidad en la que deberá cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin que esta sea afectada.  La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5%. Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con ∅ mayor o igual a 36’ y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/s.  Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un 50% o 0.30m como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15 m a partir de la estructura.  Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierras, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una velocidad de 1 m3 /s, en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/s y entre 3 a 2.5 m/s en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada.  Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo “Cubierta Partida”, se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4 y 0.65.  A fin de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales computadas se incrementan en 10%.  En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón, esté ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseño se toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifón o 1.1 como mínimo o también 3”.  En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere a flujo parcial o a flujo lleno, con un coeficiente de fricción menor que el sumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n = 0.008 cuando se calcula las pérdidas de energía.  Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse.  Con respecto a las pérdidas de carga totales, se recomienda la condición de que estas sean iguales o menores a 0.30 m.  Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la creciente.  Se debe considerar un aliviadero de demasías y un canal de descarga inmediatamente aguas arriba de la transición de ingreso.  Se recomienda incluir una tubería de aeración después de la transición de ingreso.


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 Se debe analizar la necesidad de incluir válvulas rompe presión en el desarrollo de la conducción a fin de evitar el golpe de ariete, que podría hacer colapsar la tubería (solo para grandes caudales).  Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el diseño hidráulico.  Se debe tener en cuenta los criterios de sumergencia (tubería ahogada) a la entrada y salida del sifón, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubería. 2.7 Cálculo Hidráulico Los cálculos necesarios para proyectar un sifón son los siguientes: 2.7.1 Cálculo de las Pérdidas de Carga Se presentas varios tipos de pérdida de carga: 

Pérdida de carga por transición de entrada: Se ha obtenido experimentalmente que es la décima parte del incremento de carga de velocidad entre los extremos de transición.

Dónde:  𝐻𝑇𝐸= Pérdida de carga por transición de entrada.  𝑉1= Velocidad en el inicio de la transición.  𝑉2= Velocidad en el final de la transición. Pérdida de carga por entrada al conducto: Se debe al cambio de dirección del movimiento del líquido para entrar al conducto y depende de las condiciones geométricas de la entrada y de la velocidad del agua en el conducto.

Dónde: 𝐻𝑒 = Pérdida de carga por entrada al conducto. 𝐾𝑒 = Coeficiente que depende del tipo de entrada. 𝑉 = Velocidad en la entrada del conducto. Valores del coeficiente 𝐾𝑒 para pérdidas de carga por entrada


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


Pérdidas de carga por fricción: Es la componente más considerable de las pérdidas de carga, su valor puede representar hasta el 70% de la pérdida total. Es ocasionado por el rozamiento entre las partículas del líquido y las paredes del conducto por lo tanto depende de la mayor o menor rugosidad de la superficie interior de conducto. La ecuación más usada es la de DARCY.

Dónde:     

𝐻𝑓 = Pérdida de carga por fricción. 𝑓= Coeficiente de fricción. 𝐿= Longitud de tubería. 𝑉= Velocidad del agua en el conducto. 𝑑= Diámetro interior de la tubería.



Pérdidas de carga por transición de salida: Se ha obtenido que es aproximadamente dos décimas del cambio de carga de velocidad entre los extremos de la transición de salida.


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Dónde:  𝐻𝑇𝐵 = Pérdida de carga por transición de salida.  𝑉3 = Velocidad en el inicio de transición.  𝑉4 = Velocidad al final de la transición. 2.7.2 Cálculo de las Transiciones La función de las transiciones es cambiar gradualmente la sección del canal a la sección del conducto. Según especificaciones de la Secretaría de Recursos Hidráulicos el ángulo 𝛼 formado por el eje de la transición y la intersección del nivel de agua con el talud debe estar dentro de los siguientes límites: 𝛼 Máximo__________________ 22° _ 30´ 𝛼 Mínimo __________________ 12° _ 30´


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2.7.3 Verificación del Ahogamiento en la Entrada En sifones normales el ahogamiento tanto a la entrada como a la salida del conducto es indispensable ya que el funcionamiento se basa en producir dentro del conducto una presión inferior a la atmosférica. En sifones invertidos no es necesario el ahogamiento desde el punto de vista de su funcionamiento hidráulico pero es recomendable trabajar ahogado para evitar que entren al conducto sólidos flotantes. El ahogamiento mínimo recomendable es de un décimo del tirante.

2.7.4 Elección del Diámetro de la Tubería El diámetro de la tubería se determina mediante la ecuación de continuidad para un gasto determinado de modo que la velocidad del agua en el conducto este dentro de los límites recomendables para que no se produzca ni sedimentación ni erosión dentro del conducto. Velocidad máxima __________________ 3.0 m/seg. Velocidad mínima ___________________ 1.5 m/seg.


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2.8 Ejemplo de Diseño Diseñar un Sifón invertido como se muestra en la figura, para un gasto de 0.08 m3/s, para un canal de llegada y salida revestidos de concreto, los datos del flujo en los canales son los siguientes. Tirante normal del canal aguas arriba d = 0.30 m. Velocidad del agua en el canal aguas arriba, V = 0.541 m/s. Carga de velocidad en el canal aguas arriba

Solución. Según lo expuesto antes se comienza con el diseño de transiciones, las longitudes tanto para entrada como salida, este paso obviaremos para abocarnos directamente al diseño de la tubería, entonces: Paso 1) Elegir tubería, esta se elige de acuerdo a la disponibilidad del lugar, para el ejemplo tomar tubería de concreto. n = 0.013 (número de Manning). Paso 2) Velocidad media del agua en el conducto, esta velocidad como máximo puede alcanzar hasta 3 m/s, entonces asumir 2 m/s. Paso 3) Diámetro de la tubería, de la ecuación de continuidad, se despeja el diámetro y se tiene: √

√

En pulgadas 8.80, redondeando a un diámetro comercial tomar un diámetro de 10 pulgadas. Paso 4) Calcular las propiedades hidráulicas del conducto. Área del tubo: Velocidad media en la tubería: ESLÍ ONÁN RÍOS CALLE

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Carga de velocidad en la tubería: Radio hidráulico para sección circular: Paso 5) Calcular las pérdidas: a) Perdida por transición de entrada.

b) Perdida por entrada al conducto, para Ke = 0.5, entrada de concreto.

c) Perdida por fricción: primero hallar S con la ecuación de Manning. Y la longitud del grafico es 49.5

d) Perdida por codos, de la gráfica el ángulo en ambos lechos es igual a 18º Con Kc = 0.25 se tiene: √

√

Como son dos codos hc = 0.028 m. e) perdida por transición de salida:

f) sumatoria de pérdidas:

Paso 6) calcular diferencia de cotas, del grafico se tiene:

Como las pérdidas son menores a la diferencia de cotas el diseño del sifón invertido cumple con la relación: .entonces para estas condiciones usar tubería de 10 pulgadas de diámetro.


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CAPITULO III DISEÑO HIDRAULICO DE UNA RÁPIDA 3.1 Descripción y funcionamiento Las rápidas son usadas para conducir agua desde una elevación mayor a una más baja. La estructura puede consistir de una entrada, un tramo inclinado, un disipador de energía y una transición de salida. El tramo inclinado puede ser un tubo o una sección abierta. Las rápidas son similares a las caídas, excepto que ellas transportan el agua sobre distancias más largas, con pendientes más suaves y a través de distancias más largas. La parte de la entrada de la estructura transiciona el flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo inclinado. Debe proveer un control para impedir la aceleración del agua y la erosión en el canal. El control es logrado por la combinación de una retención y un vertedero en la entrada. La entrada usada debería ser simétrica con respecto al eje de la rápida, permitir el peso de la capacidad total del canal aguas arriba hacia la rápida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuación de las aguas del canal cuando la operación do la rápida sea suspendida. Las pérdidas de cargo a través de la entrada podrían ser despreciadas en el caso que sean lo suficientemente pequeñas que no afecten el resultado final. El tramo inclinado con tubo o canal abierto, generalmente sigue la superficie original del terreno y se conecta con un disipador de energía en un extremo más bajo.

3.2 Partes de una Rápida Se distinguen las siguientes partes:  Sección de control: Es la sección donde se presenta el cambio brusco de pendiente y se caracteriza porque en esta sección se produce el tirante crítico.  Rampa: Es el tramo de canal con pendiente mayor que la crítica presentándose en el un escurrimiento de régimen súper crítico. ESLÍ ONÁN RÍOS CALLE

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 Trayectoria: Es una curva parabólica que liga la rampa con la parte inicial del colchón amortiguador. Se adopta esta forma debido a que la trayectoria libre seguida por el agua, de esta manera se evita que el agua se separe de la plantilla produciendo vibraciones y erosión.  Colchón Amortiguador o poza disipadora: Es un depósito formado en su parte inicial por un plano inclinado 1.5:1, después por un fondo plano de nivel inferior al canal de salida con el cual se une mediante un escalón. El objeto es disipar la energía cinética que trae el agua para evitar la erosión de la estructura.

3.3 Cálculo Hidráulico 3.3.1 Cálculo del Tirante Crítico en la sección de control Primero debe calcularse el valor de “Z”.

√ Esto se debe ingresar a una gráfica establecida con , si es sección rectangular o trapecial el valor de 𝑑 si es circular siendo “d” el diámetro se obtiene 𝑌 /𝑑 respectivamente de donde se despeja el valor del tirante crítico 𝑌 . ESLÍ ONÁN RÍOS CALLE

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3.3.2 Cálculo de la Rampa Consiste en determinar las dimensiones de la sección, esto se puede hacer aplicando la fórmula de Manning, dado que la rampa es la parte que absorbe el desnivel por salvar conocemos su pendiente aproximada.

3.3.3 Cálculo del Perfil de Trayectoria Usaremos un sistema de ejes como se muestra en la siguiente figura cuyo origen coincide con el final de la rampa.


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La longitud horizontal (𝑋𝑓) de la trayectoria se obtiene con la siguiente expresión:

Pueden obtenerse una serie de puntos para trazar la curva parabólica con la expresión:

Siendo “S” y “V” la pendiente y velocidad correspondiente a la rampa. 3.3.4 Cálculo de la Longitud y Profundidad de la poza disipadora Para determinar las dimensiones del colchón amortiguador debemos conocer las condiciones en que el agua llega al pie de la trayectoria es decir su tirante (𝑑1) y su velocidad (𝑉1). Estableciendo Bernoulli entre el inicio de la trayectoria y al final del plano 1.5:1 se llega a:

     

∶ Carga de velocidad al final del plano 1.5:1. = Carga de velocidad en la rampa. 𝑑 = Tirante de la rampa. 𝑦𝑓 = Proyección vertical de la trayectoria. 𝑝´= Altura del plano 1.5:1. 𝑑1 = Tirante.

Suponiendo valores de 𝑑1 (aproximado 𝑑 /3) se puede calcular 𝑉1 y comprobar el valor 𝑑1 mediante.

𝑉 ESLÍ ONÁN RÍOS CALLE

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Hasta obtener el valor correcto de 𝑑1. Ya obtenido el valor 𝑑1 lo que procede es obtener el tirante conjugado 𝑑2 que forma el salto hidráulico. Esto se facilita usando la gráfica siguiente. GRÁFICA: Para Obtener la Relación de Tirantes Conjugados en un Salto Hidráulico, en un Canal Rectangular Horizontal.

√


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Obtenemos el valor de la relación


de donde se despeja 𝑑2.

La siguiente gráfica nos da también en función del valor de “P” la relación L/𝑑2 siendo “L” la longitud del colchón amortiguador. Si conocemos el tirante 𝑑𝑠 en el canal de salida podemos obtener la profundidad “P” del colchón.

GRÁFICA: Para Determinar la Longitud del Salto Hidráulico.


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3.4 Consideraciones de Diseño 3.4.1 Coeficiente de Rugosidad de MANNING En el cálculo de las características de flujo en una estructura de este tipo son usados valores conservadores del coeficiente de rugosidad de MANNING “n” cuando se calcula la altura de muros en una rápida de concreto, se asume valores de n=0.14 y en el cálculo de niveles de energía valores de n=0.010. Para caudales mayores de 3 m3/s, deberá chequearse el número de Froude a lo largo del tramo rápido, para evitar que el flujo no se despegue del fondo. 3.4.2 Transiciones Las transiciones en una rápida abierta, deben ser diseñadas para prevenir la formación de ondas. Un cambio brusco de sección, sea convergente o divergente, puede producir ondas que podrían causar perturbaciones, puesto que ellas viajan a través del tramo inclinado y el disipador de energía. Para evitar la formación de ondas, la cotangente del ángulo de deflexión de la superficie de agua en el plano de planta desarrollado de cada lado de una transición no debería ser menor que 3.375 veces el número de FROUDE (F). Esta restricción sobre ángulos de deflexión se aplicaría para cada cambio de sección hecha en la entrada, en el tramo inclinado o en la poza disipadora. Si esta restricción no controla el ángulo de deflexión, el máximo ángulo de deflexión de la superficie de agua en la transición de entrada puede ser aproximadamente 30°. El ángulo de la superficie de agua con el eje en la transición de salida puede ser aproximadamente 25 ° como máximo. 3.4.3 Tramo Inclinado La sección usual para una rápida abierta es rectangular, pero las características del flujo de otras formas de sección, deben ser consideradas donde la supresión de ondas es una importante parte del diseño. La economía y facilidad de construcción son siempre consideradas en la elección de una sección. Cuando es necesario incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan (uñas) para mantener la estructura dentro de la cimentación. Para rápidas menores de 9 m (30 ps) de longitud, la fricción en la rápida puede ser despreciable. La ecuación de BERNOULLI es usada para calcular las variables de flujo al final del tramo inclinado. 3.4.4 Trayectoria Cuando el disipador de energía es una poza, un corto tramo pronunciado debe conectar la trayectoria con la poza disipadora. La pendiente de este tramo seria entre 1.5:1 y 3:1, con una pendiente de 2:1 preferentemente. Pendientes más suaves pueden usarse en casos especiales, pero no deben usarse pendientes más suaves que 6:1. Se requiere de una curva vertical en el tramo inclinado y el tramo con pendiente pronunciada. Una curva parabólica resultaría en un valor de k constante en la longitud de la curva y es generalmente usado.


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3.4.5 Poza Disipadora En una poza disipadora el agua fluye desde el tramo corto de pendiente pronunciada a una velocidad mayor que la velocidad critica. El cambio abrupto en la pendiente, donde la pendiente suave del piso de la poza disipadora se une con el tramo corto de pendiente pronunciada, fuerza al agua hacia un salto hidráulico y la energía es disipada en la turbulencia resultante. La poza disipadora es dimensionada para contener el salto. Para que una poza disipadora opere adecuadamente, el número de FROUDE debería estar entre 4.5 y 15, donde el agua ingresa a la poza disipadora. Si el número de FROUDE es aproximadamente menor a 4.5 no ocurriría un salto hidráulico estable. Si el número de FROUDE es mayor a 10, una poza disipadora no sería la mejor alternativa para disipar energía. Las pozas disipadoras requieren de un tirante aguas abajo para asegurar que el salto ocurra donde la turbulencia pueda ser contenida. 3.4.6 Formación de Ondas Las ondas en una rápida son objetables, porque ellas pueden sobrepasar los muros de la rápida y causar ondas en el disipador de energía. Una poza disipadora no sería un disipador efectivo con este tipo de flujo porque no puede formarse un salto hidráulico estable. Un flujo no estable y pulsátil puede producirse en rápidas largas con una fuerte pendiente. Estas ondas se forman en rápidas largas de aproximadamente 60 m y tienen una pendiente de fondo más suave que 20. La máxima altura de onda que puede esperarse es dos veces el tirante normal para la pendiente, y la capacidad máxima de flujo momentáneo y pulsátil es dos veces la capacidad normal. Flujo transversal u ondas cruzadas pueden también formarse en una rápida. Estas son causadas por:


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Transiciones abruptas de una sección del canal a otra. Estructuras asimétricas. Curvas o ángulos en el alineamiento de la rápida.

La probabilidad de que estas ondas sean generadas en la estructura puede ser reducida, siguiendo las recomendaciones concernientes a ángulos de deflexión y simetría hechas en las secciones pertenecientes a las transiciones, y evitando los cambios de dirección en las estructuras. Algunas secciones de la rápida son más probables a sufrir ondas que otras secciones. 3.5 Procedimiento de Diseño       

   

Seleccionar y diseñar el tipo de entrada a ser usada. Determinar la gradiente de energía en el inicio de la sección de la rápida. Calcula las variables de flujo en la sección de la rápida. Diseñar la trayectoria y la parte pronunciada de la sección de la rápida. Asumir una elevación para el piso de la poza disipadora y calcular las características del flujo aguas arriba del salto hidráulico. Determinar el gradiente de energía en el canal después del salto hidráulico. Puede ser necesario asumir una nueva elevación del fondo de la poza y recalcular los valores arriba mencionados varias veces, antes de que se obtenga una coincidencia de niveles de energía. Revisar por operación adecuada con capacidades parciales. Determinar la longitud de la poza y la altura de muros de la poza. Diseñar los bloques de la rápida y del piso, y el umbral terminal o transición de salida como se requiera. Verificar la posibilidad de la producción de ondas en la estructura.


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3.6 Ejemplo de Diseño Hallar el perfil del agua y la longitud total a revestir de la rápida de la figura que se muestra para una sección rectangular que conducirá un caudal de 5m3/seg. El suelo resiste una velocidad de 0.9 m/seg.


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CAPITULO IV DISEÑO HIDRAULICO DE UNA CAÍDA. 4.1 Descripción y Funcionamiento Las caídas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario efectuar cambios bruscos en la rasante del canal, permite unir dos tramos (uno superior y otro inferior) de un canal, por medio de un plano vertical, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo. El plano vertical es un muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas ocasionan. La finalidad de una caída es conducir agua desde una elevación alta hasta una elevación baja y disipar la energía generada por esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una caída se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un canal. 4.2 Elementos de una caída

  

 

Transición de entrada: une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. Caída en sí: la cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada. Sección de control: es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones críticas. La sección de control: tiene por finalidad, mantener el flujo aguas arriba en régimen tranquilo, de manera que es en la misma sección de control donde ocurre el cambio de régimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad crítica. La sección de control consiste en una variación de la sección del canal en el punto donde se inicia la caída o una rampa en contra pendiente, de manera que la energía en el canal aguas arriba sea igual a la energía en el punto donde se inicia la caída. Poza o colchón amortiguador: es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída. Transición de salida: Une la poza de disipación con el canal aguas abajo.


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Elementos de una caída. Localización de la sección de control De la figura se tiene: d1+ hv1+ D1= dc + hvc + he Dónde:  d1= tirante normal en el canal superior, m.  hv1= carga de velocidad en el canal superior, m.  D1= desnivel entre el sitio donde comienza el abatimiento y la sección de control, cuyo valor se desprecia por pequeño, m.  Hvc = carga de velocidad en la sección de control, m.  Dc = tirante crítico, m.  He = suma de las perdidas ocurridas entre las dos secciones, m. El segundo miembro de la ecuación, se obtiene suponiendo una sección de control, se calcula el tirante crítico correspondiente así como la velocidad y la carga de velocidad critica. De acuerdo a las características de llegada a la sección, se estiman las pérdidas de carga. La suma del segundo miembro se compara con la suma del tirante del canal y su carga de velocidad. La sección en estudio se tendrá que ampliar o reducir hasta lograr que las sumas sean iguales. Una sección adecuada y más sencilla de calcular es la rectangular, esto se logra haciendo los taludes verticales. Del régimen crítico para secciones rectangulares se tiene:

√ Dónde:    

Dc = tirante crítico, m. q = caudal que circula por la sección, m3/s. b = plantilla de la sección, m. g = aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2


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La carga de velocidad en la sección crítica está dada por las siguientes ecuaciones: Para canales trapeciales: Dónde:  hvc = carga de velocidad en la sección critica, m.  A = área de la sección, m.  T = ancho de la superficie libre del agua, m. Para canales rectangulares:

4.3 Diseño del colchón Para el diseño del colchón, se determina la trayectoria de la vena media de la sección de control. El diseño del colchón consiste en determinar su longitud, así como la profundidad del mismo. En la siguiente tabla se dan los valores recomendables para la profundidad (P) y la longitud (L) del colchón amortiguador en función del ancho de la plantilla (b) y el desnivel (f).

Obtención de la longitud del colchón, en relación al perfil de la caída, se tiene la distancia Xn, a la cual va a caer el chorro; es conveniente que este caiga al centro de un colchón de agua que favorezca la formación de un salto hidráulico, por lo que este colchón tendrá una longitud de L= 2*Xn, en la Figura se muestra el perfil de una caída: Xn se determina de acuerdo a las fórmulas de caída libre:

Dónde: 

Xn= ½ de la longitud L, m.


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vc= velocidad critica, m/s. t= tiempo que tarda en llegar una partícula de agua desde la sección de control al fondo del colchón en caída libre, seg.

Si: √ ……..2

Sustituyendo:

√

Dónde: F= distancia vertical entre las rasantes del canal aguas arriba y aguas debajo de la caída, m. P= profundidad del colchón, m. La profundidad del colchón se obtiene con la expresión: Dónde: L= longitud del colchón, m. La salida del colchón puede ser vertical o inclinada, aconsejándose que cuando sea inclinada se haga con un talud en contra pendiente de 4:1 o de 2:1 según convenga. El diseño estructural consiste en especificar las dimensiones, características y materiales que constituyen la caída vertical. Se recomienda que esta estructura, cuando se utiliza con gastos pequeños, menores de 2.8 m3/s, no tenga una caída mayor de 2.5 m, de desnivel entre plantilla y plantilla. 4.5 Caídas Verticales 4.5.1 Criterios de Diseño  Se construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1 m como máximo, sólo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores.  Se recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000 l/s x m de ancho, siempre se debe construir caídas inclinadas, además manifiesta que la ejecución de estas obras debe limitarse a caídas y caudales pequeños, principalmente en canales secundarios construidos en mampostería de piedra donde no se necesita ni obras de sostenimiento ni drenaje.  Cuando el desnivel es ≤ 0.30 m y el caudal ≤ 300 l/s x m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.  El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la fórmula para caudal unitario “q”. ESLÍ ONÁN RÍOS CALLE

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√ Dónde:  = 0.5 (está establecido).  B = ancho de caída.


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4.6 Ejemplo de Diseño Dados los siguientes datos hidráulicos de un canal en sus tramos superior e inferior, y el desnivel a salvar. Determinar la sección de control de la caída. Datos: Q = 0.08 m3/s R = 0.143 m.

A = 0.15 m2 m = 1:1

B = 0.20 m

n = 0.016 (concreto)

P = 1.048 m.

d = 0.30 m

s = 0.001

v = 0.54 m/s

F = 1.50 m, (desnivel a salvar).

d1 = 0.30m

D1 = se desprecia por pequeña.

Se propone una sección de control rectangular de ancho B = 0.20 m, el tirante crítico en esta sección se obtiene:

√ La carga de velocidad en la sección crítica es igual a:

Calculo de la velocidad crítica: √ Sustituyendo tenemos: √ Como el paso de la sección del canal a la sección de control se hace sin transición de sección, las pérdidas de carga se determinan tomando los cinco decimos del incremento de las cargas de velocidad, entre la sección de control y el canal.

𝑓 𝑠 𝑠

𝑦𝑒 𝑑


𝑒

𝑑𝑒 𝑝 𝑑 𝑑 𝑠 𝑑𝑒

𝑠

𝑠𝑒 𝑒 𝑒 33



dc + hvc + he = 0.25 + 0.125 + 0.055 = 0.430 m. Como en la ecuación el segundo miembro resulto mayor que el primer miembro es necesario ampliar la sección de control. El cálculo se repite a partir del tirante crítico. Se propone un valor nuevo de B igual a 0.32 m; cuyo tirante crítico nuevo es:

√ La carga de velocidad en la sección crítica es igual a:

Calculo de la velocidad crítica: √ Sustituyendo tenemos: √ Las pérdidas de carga se obtienen tomando en cuenta que solo se hace una transición de plantilla sin hacer cambio de sección, por lo que:

dc + hvc + he = 0.185 + 0.093 + 0.039 = 0.317 Debido a que este resultado es igual a d1 + hv1 = 0.315m, se acepta como buena la sección propuesta. Calculo del colchón hidráulico, para obtener la longitud del colchón L, se supone una profundidad P del mismo. Para este ejemplo en donde la altura de la caída es F = 1.50m, se supone una profundidad P = 0.30m, de acuerdo a esto se tiene:

√ Si se sabe que: L = 2 Xn = 2 x 0.82 = 1.62m. Se adopta (redondeando): L = 1.65 m. La profundidad del colchón se obtiene: Como la altura P, es casi igual a la calculada, se acepta la profundidad propuesta de P = 0.30m. ESLÍ ONÁN RÍOS CALLE

34



CAPITULO V CONCLUSIONES  Para tener un buen diseño debemos hacer bien los cálculos para determinar un predimensionamiento adecuado, y así obtener una estructura económica y funcional a la vez.  Tanto las sifones, rápidas y caídas son estructuras hidráulicas muy útiles para el desarrollo, tanto para nuestro País como para todo el mundo.  Nos permite ampliar nuevos conceptos sobre estos temas desarrollados que servirán de gran utilidad para nuestra vida profesional.  La inclinación del terreno, la clase, el volumen de excavación, el revestimiento, la permeabilidad, resistencia a la cimentación y la estabilidad de taludes son condiciones muy importantes que determinan el tipo y componentes de la estructura.


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