INTRODUCCION Se define como Conjunto Hidráulico, al conjunto de obras que se construyen con el propósito de almacenar, evacuar y distribuir un cierto volumen de agua para satisfacer determinadas determinadas demandas de la zona donde se ubique. (Figura 1) Las partes principales que componen un Conjunto Hidráulico son: 1. Presa: Se construye para embalsar el agua durante el período húmedo, con el propósito de crear una reserva para satisfacer las demandas de los usuarios en el período de seca. 2. Aliviadero: Tema que se detalla en el presente trabajo. 3. Obra de toma: Es aquel elemento dentro del Conjunto Hidráulico encargado de regular o dar salida al agua que se desea aprovechar del embalse.
Figura 1
[Escribir el título del documento] ALIVIADEROS - ALCANTARILLA Es una estructura hidráulica que se construye en las presas para desalojar los caudales de agua excedentes excedentes cuando las presas se llenan hasta rebosar.
FUNCIONES DEL ALIVIADERO
FUNCIÓN PRINCIPAL: Liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de maquinas.se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo fondo o de superficie.
FUNCIONES SECUNDARIAS:
Garantizar la seguridad de la estructura hidráulica, al no permitir la elevación del nivel, aguas arriba, por encima del nivel máximo (NAME por su siglas Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias). Garantizar un nivel con poca variación en un canal de riego, aguas arriba. Este tipo de vertedero se llama "pico de pato" por su forma. Constituirse en una parte de una sección de aforo del río o arroyo. Disipar la energía para que la devolución al cauce natural no produzca daños. Esto se hace mediante saltos, trampolines o cuencos. Descarga de demasías, permitiendo la salida del exceso de agua de las represas, ya sea en forla libre. controlada o mixta, en este caso, el vertedero es también conocido como aliviadero. Estas estructuras son las encargadas de garantizar la seguridad de la obra hidráulica como un todo.
CAUDAL DE AVENIDA Se entiende por caudal de avenida la elevación elevación de los niveles de agua agua en el cauce cauce a valores no usuales, como consecuencia del crecimiento del caudal que circula por la red de drenaje. Este aumento del caudal, en la mayoría de los casos, es consecuencia de precipitaciones extraordinarias de una magnitud tal que la superficie de la cuenca no es capaz de 2
[Escribir el título del documento] asimilarlas en su totalidad. Estos excesos de precipitación que no se infiltran, denominados escorrentía superficial, discurren rápidamente por la red de drenaje de la cuenca concentrándose en los cauces. Esta red, a su vez, tiene una capacidad de evacuación determinada, en función de sus características. El volumen de agua que le llega en un momento dado y que no es capaz de evacuarlo en dicho momento, es almacenado en el cauce, provocando la consiguiente elevación del nivel de agua. Visto de esta forma, el análisis de la problemática creada por el fenómeno d e las avenidas se puede centrar en dos puntos diferenciados: Por un lado la generación de caudales extraordinarios, función de las precipitaciones y de las características de la cuenca, tema estudiado por la hidrología y, por otro lado, el análisis hidráulico del movimiento de dichos caudales por la red de drenaje, función del valor del caudal y de la geometría y características del tramo estudiado.
EFECTO REGULADOR DEL EMBALSE Efecto Regulador de un Embalse En la gran mayoría de los casos se dispone d el agua en períodos que no necesariamente se la necesita, en cambio se la requiere en períodos en que es deficitaria. Surgimiento de la necesidad de regulación Necesidad de construir embalses La regulación puede ser a nivel diario (estanque de agua potable) o a nivel estacional (embalse de gran magnitud). A nivel preliminar, para estimar el volumen de regulación que debe tener un embalses para satisfacer una cierta demanda se puede utilizar el método de Rippl o bien efectuar una simulación detallada del sistema en estudio. La obtención de la curva de riada agua abajo de un embalse, en que se conoce la riada afluente y las características del vaso y aliviadero, es tema que hemos visto tratado en diversos lugares, pero en todos ellos en forma que no satisface, por la poca exactitud y escaso carácter práctico de los métodos propuestos. Casi todos ellos son resoluciones gráficas de la ecuación diferencial S dh = (Q — q) dt, en la que S representa la superficie, h la altura sobre el 'labio del aliviadero, Q el caudal afluente que depende de t, y q el caudal vertido, que es función de h.
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[Escribir el título del documento] CAPACIDAD DE DESCARGA DE LA ESTRUCTURA El vertedero hidráulico o aliviadero es una estructura hidráulica destinada a permitir el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales; siendo el aliviadero en exclusiva para el desagüe y no para la medición. Existen diversos tipos según la forma y uso que se haga de ellos, a veces de forma controlada y otras veces como medida de seguridad en caso de tormentas en presas. La estimación del diseño de un aliviadero respecto al flujo que deberá soportar involucra distintas disciplinas como la hidrológica, la meteorología, la estadística y factores económicos, tecnológicos e incluso morales, ya que de esto dependerá la seguridad implícita de una represa en momentos de emergencia. El diseño de los aliviaderos tienen una gran influencia del factor económico, ya que estos solo cumplirán su función durante periodos en que se sobrepase la capacidad de la misma, por lo que se tiene que tener presente que diseñar con un alto factor de seguridad puede reducir perdidas por fallas de la presa, pero también puede llevar a pérdidas económicas por la construcción de grandes aliviaderos y no enfrentar eventos de fallas de la presa en largos periodos de tiempo. Habrá pérdida de energía una vez iniciada la caída de agua, cuando se logre una uniformidad en el espesor de la capa de flujo con respecto a la superficie del aliviadero. COMBINACIONES DE ALTERNATIVA DE REPRESAS Se entiende por Planeamiento Hidráulico la concepción y planificación técnica de la construcción, mejoramiento y/o ampliación de las infraestructuras de riego. Asimismo, consiste en proyectar todos los detalles y características de las obras hidráulicas, el funcionamiento de éstas, así como los aspectos constructivos y los materiales que se usarán en cada una de ellas. El análisis del planeamiento hidráulico debe realizarse especificando con planteamiento de más de una alternativa las siguientes etapas: CAPACITACIÓN. La cual debe estar referida a dos puntos: manejo eficiente del agua y operación y mantenimiento de la infraestructura de riego. b). PLANEAMIENTO HIDRÁULICO DE CADA ALTERNATIVA. Se entiende por Planeamiento Hidráulico la concepción y planificación técnica de la construcción, mejoramiento y/o ampliación de las infraestructuras de riego. Asimismo, consiste en proyectar todos los detalles y características de las obras hidráulicas, el 4
[Escribir el título del documento] funcionamiento de éstas, así como los aspectos constructivos y los materiales que se usarán en cada una de ellas. El análisis del planeamiento hidráulico debe realizarse especificando con planteamiento de más de una alternativa las siguientes etapas: b.1. SISTEMA DE CAPTACIÓN La construcción de una presa de embalse, La captación o bocatoma es una obra reguladora de entrada de agua de los cauces hacia el canal principal. La ubicación y el diseño de la bocatoma se determinan considerando las características fluviales del río, aspectos geológicos, el ancho del cauce y su pendiente longitudinal, las condiciones topográficas de la zona, los caudales máximos, mínimos y extraordinarios de los ríos, la cantidad de agua a captarse, entre otros factores. En muchos casos el sistema de captación incluye los siguientes componentes: muros de encauzamiento, zampeado, cámara tranquilizadora, ventana de captación y canal de limpia. En este punto es importante mencionar cual es el volumen de captación, ya que éste tiene que ser contrastado con el área a irrigar, la longitud de los sistemas de conducción y de otros factores. b.2.- SISTEMA DE CONDUCCIÓN Están compuestos principalmente por los canales de derivación (antes del aliviadero) principales (después del aliviadero), canales secundarios (laterales y sublaterales) y canales terciarios, denominados también canales parcelarios. La capacidad de conducción de los canales se debe definir considerando la demanda de agua de las áreas a regar, las pérdidas producidas por percolación a lo largo de los canales, el número de horas de riego al día, la frecuencia de riego, las pérdidas producidas en el manejo de las compuertas y la destreza de los usuarios. En cuanto al trazo, éste se debe realizar tomando en cuenta la configuración topográfica, la forma del ámbito de riego y la distribución de las tierras de cultivo. b.3.-SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN Las tomas laterales, sublaterales y directas son dispositivos hidráulicos construidos en el tramo longitudinal de un canal principal de riego. La finalidad de estos dispositivos es admitir y regular el volumen de agua procedente de una fuente de abastecimiento hacia la cabecera de las fincas.
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[Escribir el título del documento] La ubicación de las tomas es importante dado que facilita la distribución adecuada entre los sectores, evitando conflictos y permitiendo la accesibilidad rápida y oportuna durante los riegos. b.4. RESERVORIOS Los sistemas de almacenamiento de agua se construyen en aquellos lugares donde la disponibilidad hídrica no guarda relación equilibrada con el área a irrigar. La base del concepto es almacenar agua durante la noche y regar de día con volúmenes adecuados, mejorar la eficiencia del riego y contrarrestar el deterioro del suelo como consecuencia de las erosiones que se suscitan a falta de control durante las noches. b.5. REPRESAMIENTO Se da en el caso que la disponibilidad hídrica no guarda relación equilibrada con el área potencialmente a irrigar. Esta situación obliga a proyectar estructuras de almacenamiento que permita resolver este déficit temporal. Debe detallarse el volumen de almacenamiento de agua. Una vez llevados a cabo las etapas se realiza el pre- viabilidad de las alternativas, haciendo uso de las anteriores ,y continuando con el análisis de aquellas que puedan realmente ser llevadas a cabo. ESTRUCTURA DE ALIVIO VS COSTO Costos económicos de sistemas combinados. La decisión de seleccionar un sistema combinado debe basarse en la comparación de costos y beneficios de alternativas (combinado vs. separado). En particular el enfoque costo-eficiencia permite seleccionar la alternativa de mínimo costo. En el caso de sistemas combinados, los costos del sistema están representados por los costos de instalación de estructuras complementarias (dentro de las cuales están los aliviaderos), estaciones de bombeo, etc., los costos de tratamiento de las aguas no aliviadas y/o los costos asociados con la contaminación producida en los cuerpos de agua receptores de las aguas de alivio y/o de los efluentes de las plantas de tratamiento. Nótese que debe existir un punto donde se minimizan los costos totales anteriores en función de los niveles de alivio y de tratamiento, los cuales son complementarios. Finalmente, la alternativa de mínimo costo para el sistema combinado debe confrontarse con la alternativa de mínimo costo del sistema separado.
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[Escribir el título del documento] COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO: Desde el punto de vista hidráulico, los parámetros de diseño de estructuras de alivio corresponden, en el caso de un vertedero lateral, a la profundidad antes de la estructura, régimen de flujo y longitud de vertedero, y si tiene pantalla para incrementar su capacidad, la altura de éste. En los aliviaderos transversales interesan la profundidad del flujo de aproximación, la altura del vertedero y las dimensiones del colector de salida.
CRITERIOS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL Para el diseño de un aliviadero se deben considerar los siguientes aspectos: FACTORES PARA EL DISEÑO:
Caudal de diseño (crecida máxima). Conjunto presa-aliviadero-cauce. Reparto de caudales entre distintos aliviaderos. Tipo de aliviadero.
CRITERIOS: Selección de la avenida del proyecto: comprende consideraciones generales y hidrogramas de la avenida del proyecto. Relación del almacenamiento de sobrecarga a la capacidad del vertedor. Estudios de variación de niveles Selección del tamaño del aliviadero. COMPONENTES DE LA ESTRUCTURA Tal y como se había planteado con anterioridad, el aliviadero es aquel objeto de obra dentro del Conjunto Hidráulico a través del cual se le da salida al agua que no se desea aprovechar del embalse. De modo general, se pueden señalar como partes que componen el aliviadero, las siguientes: (Figura 2) 1. Canal de aproximación. 2. Sección de control. 3. Transición.
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[Escribir el título del documento] 4. Rápida o conducto de descarga. 5. Estructuras terminales o disipadoras de energía. 6. Canal de salida. 7. Canal de aproximación:
Es aquel cuya función dentro del aliviadero, es captar el agua del embalse y conducirla a la estructura de control o sección vertedora, garantizando una distribución uniforme del flujo en dicha sección.
Figura 2
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Sección vertedora Es aquella que regula la descarga directamente del embalse. Esta sección define la capacidad de evacuación de un aliviadero.
Transición Es una estructura que se ubica entre el cimacio y la rápida con el objetivo de cambiar la forma o las dimensiones o ambas, de la sección transversal, de la cual se puede prescindir en dependencia de las dimensiones del vertedor.
Canal de salida Es el encargado de conducir el agua hasta el cauce viejo del río .
ESTRUCTURAS DE CONTROL: Son estructuras que se proyectan y construyen con el fin, tanto de controlar los caudales, como de mantener los niveles de agua necesarios para facilitar su derivación a otros canales o bien, a las tomas que queden localizadas aguas arriba de la represa. Las obras de control y excedencia son estructuras que forman parte intrínseca de una presa, ya sea de almacenamiento o derivación y cuya función es la de permitir la salida de los volúmenes de agua excedentes a los de aprovechamiento. Se deberá tener presente al proyectar las represas, que estas deberán llevar siempre unos cartones laterales con el fin de que en un momento dado puedan desalojar el gasto excedente que proviene del canal debido a una sobre elevación en este; la altura de estos cartones deberá ser igual al tirante normal del canal.los cartones serán de concreto con refuerzo por temperatura. En cuanto al diseño hidráulico de la represa, se considera que su área hidráulica oscile entre el 90% y 110% del área hidráulica del canal, con el fin de conservar la velocidad del canal. CANAL LATERAL: Es una estructura que se construye debido a la insuficiente capacidad de descarga o efectos en la avenida de diseño, con el fin de dirigir lateralmente el flujo que rebosa del aliviadero . 9
[Escribir el título del documento] Tienen la particularidad de que el eje del canal de descarga es paralelo o casi paralelo al eje de la sección vertedora, la cual a su vez es paralela o casi paralela al eje de la corriente. Los elementos que lo conforman se pueden mencionar como sigue: acceso, sección de control, canal colector, canal de descarga y deflector o estructura disipadora de energía. Generalmente están asociados a presas de tierra o tierra y enrocado construidas en ríos encañonados y con grandes avenidas, o donde se requieren grandes longitudes de cresta. RÁPIDA Es aquel elemento del aliviadero encargado de salvar la diferencia de nivel entre la sección vertedora y el cauce del río o canal de salida. Su pendiente generalmente es fuerte, asegurando un régimen de circulación supercrítico. ESTRUCTURA TERMINAL O DISIPADORA DE ENERGÍA Es la encargada de disipar la alta energía cinética que alcanza el agua al circular por la rápida, debido a su pendiente, evitando así la erosión del terreno natural y la consecuente destrucción de la propia obra u otra cercana a la descarga del aliviadero.
TIPOS DE ALIVIADEROS a) Clasificación de los aliviaderos de acuerdo a su disposición en planta. Los aliviaderos de acuerdo a su disposición en planta se clasifican en: 1. Aliviaderos frontales. 2. Aliviaderos laterales. 3. Aliviaderos curvos en planta. - Aliviaderos mexicanos o de abanico. - Aliviaderos semi-mexicanos o semi-abanico. - Aliviaderos curvos propiamente dichos. 10
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1. Aliviaderos frontales Son aquellos rectos en planta, cuyo vertimiento se realiza coaxial al conducto de descarga; tienen como desventajas que pueden ocupar grandes extensiones en planta, lo cual traería como consecuencia en caso de construirse en una montaña, grandes volúmenes de excavación. (Figura 3 a). 2. Aliviaderos laterales Son aquellos cuyo vertimiento se realiza con cierto ángulo con respecto al conducto de descarga. Al contrario del aliviadero frontal, en caso de que se vaya a colocar en una montaña, puede ser ubicado de forma tal que bordee la ladera sin necesidad de excavar la montaña, ahorrándose así grandes volúmenes de excavación. (Figura 3b)
3. Aliviaderos curvos en planta Tal como lo dice su nombre son curvos en planta y por ende, el vertimiento se realiza radialmente, existiendo una concentración central del flujo en el conducto de descarga. Tienen la ventaja de que ocupan poca área en planta - en relación con uno frontal - y presentan gran longitud vertedora. (Figura 3 c)
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Figura 3 12
[Escribir el título del documento] b) Clasificación de los aliviaderos según su ubicación. Los aliviaderos según su ubicación pueden clasificarse en: 1. Aliviaderos de cauce. 2. Aliviaderos de marginales o de laderas. 1. Aliviaderos de cauce Son aquellos que se ubican dentro del cuerpo de la presa, pueden ser superficiales o profundos. Los primeros tienen como ventajas que no producen debilitamiento en el cuerpo de la presa, las compuertas no existen y de existir, trabajan en condiciones favorables; los segundos son conductos cerrados generalmente de sección rectangular o circular, donde el flujo puede circular a presión a todo lo largo del conducto o en un tramo del mismo. Estos se utilizan en aquellos casos donde es necesario bajar profundamente el nivel del embalse, ejemplo, en riego, evacuación de los gastos de construcción, etc.
2. Aliviaderos de margen Son aquellos que se ubican fuera del cuerpo de la presa y se utilizan en presas de materiales locales o de hormigón, en caso de cierres estrechos. Ellos se ejecutan en forma de rápidas o de túneles sin carga, con carga a todo lo largo del aliviadero, o con carga parcialmente. c) Clasificación de los aliviaderos según el tipo de conducción. Según el tipo de conducción se pueden clasificar en: 1. Aliviaderos con descarga libre. 2. Aliviaderos con descarga forzada. d) Clasificación de los aliviaderos según el tipo de construcción. Pueden clasificarse en: 1. Aliviaderos superficiales. 2. Aliviaderos soterrados o de fondo.
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[Escribir el título del documento] e) Clasificación de los aliviaderos según el tipo de vertimiento. De acuerdo al vertimiento se pueden clasificar en: 1. Vertedores automáticos. 2. Vertedores regulados por compuertas.
1. Vertedores automáticos Son aquellos en que el agua al sobrepasar su cresta vierten automáticamente, es decir, no llevan ningún dispositivo para controlar el vertimiento. 2. Vertedores regulados por compuertas Son aquellos en los que tal y como lo indica su nombre el vertimiento es regulado por compuertas, siendo una de las características fundamentales de este vertedor el hecho de que la cresta del cimacio no necesariamente coincide con el nivel de aguas normales, lo cual da origen a la existencia de dos tipos de vertimiento: regulado con carga hasta el nivel de aguas normales y libre bajo la influencia de las pilas con carga hasta el nivel de aguas máximas que tiene lugar una vez que son izadas todas las compuertas. Múltiples son las razones que justifican el uso de un aliviadero regulado por compuertas, pero sin dudas, entre las fundamentales se encuentran: 1. La necesidad de un frente vertedor muy estrecho para evitar grandes excavaciones en los hombros del aliviadero cuando éstos están conformados por grandes elevaciones, lo cual hace que se requiera de grandes cargas sobre el vertedor para evacuar el gasto. 2. La necesidad de regular por encima del nivel de aguas normales. 3. Cuando se requieren hacer entregas del volumen útil (por debajo del nivel de aguas normales) por el aliviadero. No obstante, la selección de un aliviadero regulado por compuertas está sujeto además a un análisis económico que se establece entre esta modalidad vertedora y el uso de un aliviadero automático. Entre las ventajas que reporta el uso del aliviadero regulado por compuertas, en comparación con uno automático, se encuentran las siguientes:
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[Escribir el título del documento] 1. Como la cresta del cimacio de un aliviadero regulado no alcanza la cota del nivel de aguas normales, pues precisamente, esa diferencia de cotas entre la cresta del cimacio y el nivel de aguas normales constituye el prisma de agua que se va a regular, se obtiene un perfil más económico que el que se tendría que usar en un aliviadero automático.
2. El hecho de contar con un perfil con cresta ubicada por debajo de la cota del nivel de aguas normales, hace que la cota del nivel de aguas máximas disminuya en comparación con la que se obtendría si se colocara un vertedor automático. De esta manera el área de inundación del embalse sería menor y como resultado se contaría con más terreno aprovechable para otras funciones. 3. Poder regular por debajo del nivel de aguas normales permite en un momento determinado, vaciar el embalse por el aliviadero hasta la cota de la cresta del cimacio, para una posible reparación de la cortina. Como desventajas del uso de un aliviadero regulado por compuertas se pueden señalar: 1. Uso de elementos metálicos en el aliviadero. 2. La necesidad de utilizar mecanismos de izaje, lo cual hace imprescindible el uso del fluido eléctrico u otro tipo de energía para la manipulación de las compuertas durante el período de explotación, avenidas y la ejecución de mantenimiento periódico a dichos mecanismos. 3. La posible ocurrencia de vibraciones en las compuertas.
ALIVIADEROS DE POZO VERTICAL
Los aliviaderos en pozo, se usan poco. Un aliviadero en pozo consta de una entrada almenada, para aumentar la longitud de la coronación, una zona de transición con un perfil equivalente al del aliviadero convencional, un pozo vertical y un conducto de salida, que a veces tiene una ligera pendiente positiva para garantizar que en su parte final nunca está completamente vacío.
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Características que deben cumplir los aliviaderos de pozo:
Tener suficiente capacidad Ser hidráulica y estructuralmente adecuado Estar ubicado de manera que las descargas del aliviadero no erosionen ni socaven el talón aguas debajo de la presa. Las superficies que forman el canal de descarga deben ser resistentes a velocidades erosivas.
ALIVIADEROS EN LA ACTUALIDAD (ejemplo)
Obras de Evacuación de Crecidas: Las obras de evacuación de crecidas están conformados por un vertedero tipo embudo ubicado sobre la ladera derecha aguas arriba del dique; el caudal máximo es de 280 m3/s. a la cota máxima (651,00 msnm); el túnel pasante por el cuerpo de la presa descarga al río Primero o Sequía. La elección de este tipo de estructura de descarga obedeció a la necesidad de limitar la descarga por vertedero para no generar inconvenientes a la población de la Ciudad de Córdoba.
Este aliviadero está formado por un túnel vertical excavado en la roca de 4 metros de diámetro, unido por una curva circular de 10 metros de radio a un túnel horizontal con pendiente 1% o que descarga aguas abajo del dique. La capacidad de embalse en la cresta del vertedero es de 200 Hm3. Sobre el paredón del dique posee además válvulas Howel Bunger que permite realizar un manejo adicional del embalse. Estas válvulas poseen además el sistema de control y sala de mandos.
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LAS VENTAJAS DEL ALIVIADERO EN POZO SON:
1) Flexibilidad muy grande de ubicación. El vertedero puede ubicarse en muchos puntos, apartados de las laderas (lo que significa menos problemas en cuanto posibles aterramientos, caídas de bolos al canal de desagüe, etc. 2) Tiene una gran longitud de vertido en relación al espacio que ocupa. Esto se debe a que es circular. 3) Al ser su alimentación radial y el pozo vertical se asegura, para un amplio rango de caudales, que funciona en presión (de este modo sabemos cómo funciona nuestro aliviadero y podemos estimar el caudal aliviado).
DISEÑO Para el diseño de un aliviadero se deben considerar los siguientes aspectos:
Selección de la avenida del proyecto: comprende consideraciones generales y hidrogramas de la avenida del proyecto.
Relación del almacenamiento de sobrecarga a la capacidad del vertedor
Estudios de variación de niveles
Selección del tamaño y tipo del aliviadero
Aliviaderos de servicio La selección del tipo de aliviadero depende de:
Condiciones de emplazamiento.
Inclinación del terreno.
Clase y volumen de excavación.
Probabilidad de erosión y necesidad de revestimiento.
Permeabilidad y resistencia de la cimentación. 17
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Estabilidad de los taludes escavados. EJEMPLO DE DISEÑO
A PARTIR DEL REGISTRO HISTORICO DE CAUDALES MÁXIMOS ANUALES: Q: 320 m^3/s Desv. Std: 70 m^3/s *destinada para una avenida centenaria APLICAMOS GUMBEL PARA CALCULAR EL CAUDAL MAXIMO DE DISEÑO EN 100 AÑOS DE RETORNO. Q (T=100) = X + K ∂
Y= -Ln (-Ln(1-1/T))=4.6 K= 0.78Y-0.45 =3.138 Qmáx (T=100) =320+3.138x70 = 539.66 m^3/s Por laminación de avenida de 25 % Qmáx (T=100) = 539.66 x 0.75 =404.75 m^3/s Fórmula para aliviadero de pozo: Q = Co.2π.R .H^3/2 Co: coeficiente de descarga. Q: caudal de diseño. R: radio del aliviadero. H: altura de descarga. Con H: 2.00 m. Asumimos un
R: 5m.
Calculamos: H/R= 0.4 18
[Escribir el título del documento] P/R = 2.0
LUEGO, EN TABLA DETERMINAMOS EL VALOR DE Co.
Según tabla anterior con un H/R =0.4 19
[Escribir el título del documento] Co = 3.58 Vamos hacia la formula y despejamos R. 404.75= 3.58 * 2π * R * 2^3/2
R= 6.36 m
es diferente a
R asum= 5 m
REPETIMOS EL CÁLCULO CON EL NUEVO R. R= 6.36 m.
H/R= 0.31
Co= 3.75 EN LA FORMULA: 404.75= 3.75 * 2π* R * 2^3/2 R= 6.07m
es diferente a
R asum. = 6.36 m.
HACEMOS UN NUEVO CÁLCULO: R= 6.07 m.
H/R= 0.3
Co= 3.72 EN LA FORMULA: 404.75 = 3.72 x 2π x R x 2 ^3/2
R = 6.12 m.
El valor es aproximado al asumido, por lo tanto es aceptable.
ALIVIADEROS CON SIFÓN
DISEÑO HIDRAULICO TEORIA DEL SIFON INVERTIDO Para cruzar una depresión, se debe recurrir a una estructura de cruce, en cada caso se escoge la solución más conveniente para tener un funcionamiento hidráulico correcto, la menor pérdida de carga posible y la mayor economía factible. Los cuales pueden ser: 20
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Puente canal Sifón invertido Alcantarilla
ELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA
Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar una alcantarilla.
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 nivel es entre la rasan e 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. CONCEPTO DE ACUEDUCTO El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresión. Está formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, acero, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad.
CONCEPT O DE SIFÓN INVERTIDO Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para conducir el agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica o quebrada, también para pasar por debajo de un camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso otro canal. CRITERIOS DE DISEÑO
Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sugerencia de la entrada y salida. 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
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o canales d 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 o/oo. Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con Ø 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 0.30 m 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 0.6 5 hv A fi n 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 la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6. En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento . 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.
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Con respecto a las pérdidas de carga totales, se recomienda la condición de que estas sean iguales o menores a 0.30 m. 20
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 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. 1.5 Cálculo hidráulico de un sifón.
CALCULO HIDRÁULICO DE UN SIFÓN Para que cumpla su función el diseño del sifón, se debe de proceder como sigue:
FIG. 4 Fuente:
MANUAL: CRITERIOS DE DISEÑOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE
PROYECTOS HIDRAULI COS.
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Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplicamos la ecuación de energía especifica:
Donde: Zi = carga de posición Yi =Carga de presión V^2 /2*g: carga de velocidad (g =9.81 m/s2) ΔH: carga hidráulica
FUNCIONAMIENTO DEL SIFÓN
El sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la Salida. Aplicamos Energía en 1 y 2.
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Otras formulas usada es:
Polikouski y Perelman:
Donde:
V=velocidad media en la tubería (m/s) D: diámetro de la tubería de acero (m) El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas en el sifón. La diferencia de carga AZ debe ser mayor a las pérdidas total es. 25
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ALIVIADERO LATERAL GENERALIDADES
Estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que podrían causar serios daños, por lo tanto, su ubicación se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro. Los cuales de exceso a eliminarse, se originan algunas veces por fallas del operador o por afluencias, que durante las lluvias el canal recibe de las quebradas, estos excesos debe descargar con un mínimo de obras de arte, buscándose en lo posible cauces naturales para evitar obras adicionales, aunque esto último depende siempre de la conjugación de diferentes aspectos locales (topografía, ubicación del vertedero, etc.) CRITERIOS DE DISEÑO I.
El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel máximo de su caja hidráulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como de máxima avenida
II.
El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente de caudal, siempre quedará un excedente que corresponde teóricamente a unos 10 cm encima del tirante normal.
III.
La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn.
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[Escribir el título del documento] IV.
Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de formulas, a continuación se describe la fórmula de Forchheiner. √
Donde: V = 0.95 µ = coeficiente de contracción L = longitud del vertedero h = carga promedio encima de la cresta
El flujo del canal, deberá ser siempre subcrítico, entonces: h2>h1
La fórmula 4,21 da buena aproximación cuando se cumple:
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√
Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar diferentes valores, según la forma que adopte la cresta.
El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se está eliminando por la ventana o escotadura del canal, cruza un camino, frecuentemente se utilizan cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del vertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c ó d.
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Los aliviaderos laterales pueden descargar a través de un vertedero con colchón al pie (desniveles pequeños) mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes).
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