CAÍDAS (ESTRUCTURA HIDRAULICA)

UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA DE ING. CIVIL AMAZONAS

INTRODUCCIÓN La presencia de depresiones, cursos de agua o accidentes topográfcos, incorporan condiciones especiales y particulares a un canal, de manera que será será necesa necesario rio consid considera erarr estruc estructur turas as comple compleme menta ntaria rias, s, que permit permitan an superar estos obstáculos. Entre los tipos de estructuras más usados se presentaran presentaran las l as siguientes: • •

caídas. rápidas.

Cuan Cuando do el ter terreno eno natu natura rall por por el cual cual debe debe pasa pasarr un cana canall tien tiene e una una pend pendie ient nte e muy muy uer uerte te,, para para evit evitar ar velo veloci cida dade dess excesi cesiva vass debe deberá rán n proyectarse tramos de canal con pendientes suaves ligados por estructuras llamadas caídas. Las caídas son utiliadas ampliamente como estructuras de disipaci!n en irrigaci!n, abastecimiento abastecimiento de agua y alcantarillado y son tambi"n necesarias en presas, barra#es y vertederos.

CURSO: ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS TEMA: TRANSICIONES Y PERDIDAD POR INFILTRACIÓN EN CANALES

$


OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL %eterminar los conocimientos tecnol!gicos sobre el dise&o de estructuras 'idráulicas, es decir, caídas y rapidas.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS •

%ar a conocer los diversos tipos de caídas, los elementos del que está compuesto y sus características. características.

•

Conocer los criterios de dise&o de las caídas.

ALCANCES En el presente traba#o solo se comprenderá el análisis y el dise&o de caídas (ipo y de (ipo verticales e inclinadas y se 'arán menci!n de los otros tipos que por lo general se clasifcan por el tipo de %isipadores %isipadores que tienen. Las caídas verticales son utiliadas cuando se desea decrecer la elevaci!n en un rango de ) a $* pies +$ a .* m- a una distancia relativamente corta. Esto con la fnalidad de disipar la energía, y tambi"n reducir el poder erosivo del u#o


/


MARCO TEÓRICO

01L(20 %E 1341 0on obras proyectadas en un canal, para salvar desniveles bruscos en la rasante de ondo.

I.

CAÍDAS GENERALIDADES

Las caídas son estructuras que sirven para transportar el agua de un nivel superior a otro nivel inerior y que al 'acerlo se disipe la energía que se genera. Existen de varios tipos y estos dependen de la altura y del caudal del agua que se transporta. La dierencia de nivel en orma de una caída, se introduce cuando sea necesario reducir la pendiente de un canal. Las caídas son utiliadas ampliamente como estructuras de disipaci!n en irrigaci!n, abastecimiento de agua y alcantarillado5 son tambi"n necesarias en presas, barra#es y vertederos. 3!me 6avarro, 'ace una dierenciaci!n de estas obras y conviene en llamarles caídas cuando los desniveles son iguales o menores a m., esta a su ve pueden ser verticales o inclinadas. 7ara desniveles mayores a .8m la estructura toma el nombre de rápida y en estos casos es conveniente un estudio econ!mico entre rápida o una serie de caídas que %omíngue, denomina gradas.

1.1. CAÍDAS VERTICALES Las caídas son estructuras utiliadas en aquellos puntos donde es necesario eectuar cambios bruscos en la rasante del canal, permite unir dos tramos +uno superior y otro inerior- de un canal, por medio de un plano vertical, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de aba#o.


)


El plano vertical es un muro de sostenimiento de tierra capa de soportar el empu#e que estas ocasionan. NOTA: La

caída vertical se puede utilizar para medir el caudal que vierte

sobre ella, si se coloca un vertedero calibrado. 1.1.1 ELEMENTOS DE UNA CAÍDA VERTICAL:

F"/ra 1: E)&-&'(! %& /a #a*%a

Tra!"#"$ %& &'ra%a: que une por medio de un estrec'amiento

progresivo la secci!n del canal superior con la secci!n de control. S&##"$ %& #('r(): es la secci!n correspondiente al punto donde se inicia

la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones críticas. Ca*%a & !*: la cual es de secci!n rectangular y puede ser vertical o

inclinada. P(+a ( #()#,$ a-(r'"/a%(r: es de secci!n rectangular, siendo su

unci!n la de absorber la energía cin"tica del agua al pie de la caída. Tra!"#"$ %& !a)"%a: une la poa de disipaci!n con el canal aguas aba#o.

I.1.2. PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE UNA CAÍDA SIN OBSTÁCULOS.

1. D"!&0( %&) #aa) a/a! arr"2a 3 a/a! a2a4( %& )a #a*%a.

4tiliar las consideraciones prácticas que existen para el dise&o de canales.




UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA DE ING. CIVIL AMAZONAS 5. C6)#/)( %&) a#,( %& )a #a*%a 3 &) '"ra'& & )a !&##"$ %& #('r().

En la secci!n de control se presentan las condiciones críticas. 7ara una secci!n rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes:

0e puede asumir que Emin 9 En +energía especifca en el canal-, para inicio de los cálculos y realiar la verifcaci!n. (ambi"n se puede suponer un anc'o en la secci!n de control de la caída, calcular el tirante crítico y por la ecuaci!n de la energía calcular el tirante al inicio de la transici!n. Existen !rmulas empíricas para el cálculo del anc'o de la caída las cuales son: %e acuerdo a %aden'ov, puede tomarse:

2tra !rmula empírica

7or lo general el anc'o de solera con esta ltima ormula, resulta de mayor magnitud que con la !rmula de %aden;ov. O'r( -7'(%(:

F"/ra 5: L(#a)"+a#"$ %& )a !&##"$ %& #('r() CURSO: ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS TEMA: TRANSICIONES Y PERDIDAD POR INFILTRACIÓN EN CANALES

*


La secci!n en estudio se tendrá que ampliar o reducir 'asta lograr que las sumas sean prácticamente iguales. %!nde: d$9 (irante normal en el canal superior, m. 'v$9 Carga de velocidad en el canal superior, m. %$9 %esnivel entre el sitio donde comiena el abatimiento y la secci!n de control, cuyo valor se desprecia por peque&o, m. 'vc9 Carga de velocidad en la secci!n de control, m. dc9 (irante critico, m. 'e9 0uma de las perdidas ocurridas entre las dos secciones, m. 4na secci!n adecuada y más sencilla de calcular es la rectangular, esto se logra 'aciendo los taludes verticales. %el r"gimen crítico para secciones rectangulares se tiene: dc =

√ 3

Q

2

2

B g

%!nde: dc 9 (irante critico, m. < 9 Caudal que circula por la secci!n, m)=s. > 9 7lantilla de la secci!n, m. g 9 1celeracion de la gravedad, ?.@$ m/=s. La carga de velocidad en la secci!n crítica está dada por las siguientes ecuaciones: ara canales trapeciales! hvc =

A 2 T


A


%!nde: 'vc 9 Carga de velocidad en la secci!n critica, m. 1 9 Brea de la secci!n, m/. ( 9 1nc'o de la superfcie libre del agua, m. ara canales rectan"ulares! 1

hvc = dc 2

O2'&#"$ %& )a )("'/% %&) #()#,$ , en relaci!n al perfl de la caída, se

tiene la distancia n, a la cual va a caer el c'orro5 es conveniente que este caiga al centro de un colc'!n de agua que avoreca la ormaci!n de un salto 'idráulico, por lo que este colc'!n tendrá una longitud de L 9 /Dn, en la fgura siguiente se muestra el perfl de una caída: n se determina de acuerdo a las !rmulas de caída libre.

F"/ra 8: P&r9) %& /a #a*%a &r'"#a)

%!nde:  9 %istancia vertical entre las rasantes del canal aguas arriba y aguas deba#o de la caída, m. 7 9 7roundidad del colc'!n, m. L

La proundidad del colc'!n se obtiene con la expresi!n: P= 6 CURSO: ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS TEMA: TRANSICIONES Y PERDIDAD POR INFILTRACIÓN EN CANALES

F


%onde: L 9 Longitud del colc'!n, m. NOTA:

La salida del colc#$n puede ser vertical o inclinada,

aconse%&ndose que cuando sea inclinada se #a"a con un talud en contra pendiente de '!( o de )!( se"*n conven"a. El dise+o estructural consiste en especicar las dimensiones, características - materiales que constitu-en la caída vertical. Se recomienda que esta estructura, cuando se utiliza con "astos peque+os, menores de ). m/0s, no ten"a una caída ma-or de ).1 m, de desnivel entre plantilla - plantilla.

8. D"!&0( %& )a 'ra!"#"$ %& &'ra%a

7ara el caso de una transici!n recta la ecuaci!n utiliada es:

%onde: ($ 9 espe#o de agua en el canal (/ 9 b 9 anc'o de solera en la caída. ;. C6)#/)( %& )a 'ra!"#"$ %& !a)"%a.

0e realia de la misma orma que la transici!n de entrada. <. D"-&!"(&! %& )a #a*%a <.1. Ca*%a! =&>/&0a! %e acuerdo con los dise&os realiados por el 0E61G1, en canales con

caudales menores o iguales que $88 l.p.s +< H 8.$ m )=s-, se tienes:


@


%!nde: ' 9 8.A8 m L 9  ' ) <.5. Ca*%a! &r'"#a)&! !" (2!'6#/)(! El proceso de cálculo para caídas verticales sin obstáculos es como •

sigue: Calcular el nmero de caída utiliando la siguiente relaci!n:

%!nde: % 9 nmero de caída yc 9 tirante crítico de la secci!n de control ' 9 desnivel q 9 caudal unitario •

Calcular los parámetros de la caída vertical, los cuales se muestran en la fgura /. Estos parámetros, se calculan con un error inerior al *I, con las siguientes ecuaciones:

yp es la altura que aporta el impulso 'oriontal necesario para que el c'orro de agua marc'e 'acia aba#o.


?


Calcular la resalto, se 0ie&c'in:

F"/ra ;: Ca*%a &r'"#a) !" (2!'6#/)(! puede

longitud del calcular con la !rmula de

Calcular la longitud total del colc'!n, la cual será:

%ebe evitarse que en la cámara de aire se produca vacío, porque esto produce una succi!n que puede destruir la estructura por cavitaci!n, para evitar esto se puede 'acer agu#eros en las paredes laterales o incrementar la poa $8 ! /8 cm a ambos lados. •

7ara las fltraciones que se produce en la pared vertical, se recomienda 'acer lloraderos +drenes de desagJe-.

<.8. Ca*%a! &r'"#a)&! #( (2!'6#/)(!

Cuando la energía cin"tica es muy grande se construyen dados que ayudan a disipar la energía en una longitud más peque&a de la poa de disipaci!n. CURSO: ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS TEMA: TRANSICIONES Y PERDIDAD POR INFILTRACIÓN EN CANALES

$8


0egn el 4.0. >ureau o Geclamation, las relaciones de los parámetros de una caída vertical con obstáculos +fgura )-, son:

•

F"/ra <: Cara#'&r*!'"#a! %& /a #a*%a &r'"#a) #( (2!'6#/)(!

Longitud mínima del colc'!n:

%!nde: L 9 longitud mínima del colc'!n Ld 9 longitud de la caída yc 9 tirante en la secci!n de control. U2"#a#"$ %& )(! (2!'6#/)(!.


$$

UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA DE ING. CIVIL AMAZONAS Pr(?/%"%a% -*"-a %& )a #a=a %& a/a.

A)'/ra (='"-a %& )(! (2!'6#/)(!.

A#,( %& )(! (2!'6#/)(!.

E!=a#"a-"&'( &'r& )(! (2!'6#/)(!.

A)'/ra (='"-a %&) (2!'6#/)( 9a).

La r&)a#"$:

Esta inuencia por el grado de sumersi!n, su valor se calcula con el nomograma de la fgura A.

I.1.3. CRITERIOS DE DISEÑO DE CAÍDAS VERTICALES

F"/ra @: R&)a#"(&! &'r& #a*%a! =ara )("'/%&! #( (2!'6#/)(! CURSO: ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS TEMA: TRANSICIONES Y PERDIDAD POR INFILTRACIÓN EN CANALES

$/


0e construyen caídas verticales, cuando se necesitan salvar un desnivel de $ m como máximo, solo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores. 0K6120, recomienda que para caudales unitarios mayores a )888 lt=seg.Dm de anc'o, siempre se debe construir caídas inclinadas, además manifesta que la e#ecuci!n de estas obras debe limitarse a caídas y caudales peque&os, principalmente en canales secundarios construidos en mampostería de piedra donde no se necesita ni obras de sostenimiento ni drena#e. Cuando el desnivel es ≤ 8.)8 m y el caudal ≤ )88 lt=seg.Dm de anc'o de canal, no es necesario poa de disipaci!n. El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la !rmula para caudal unitario MqN. 1.5

q =1.48 x ( H )

0iendo el caudal total: 2

Q= μB √ 2 g H

1.5

3

μ=0.5 B =ancho caida

La caída vertical se puede utiliar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado. 7or deba#o de la lámina vertiente en la caída se produce un dep!sito de agua de altura Op que aporta el impulso 'oriontal necesario para que el c'orro de agua marc'e 'acia aba#o. Gand +$?**- citado por KLGK +*- 7ag. /8?, encontr! que la geometría del u#o de agua en un salto vertical, puede calcularse con un error inerior al * I, por medio de las siguientes unciones:


$)

UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA DE ING. CIVIL AMAZONAS Ld = 4.30 x D0.27 ∆z

Y P ∆z Y 1 ∆z Y 2 ∆z

=1.00 x D

0.22

= 0.54 x D

0.425

=1.66 x D

0.27

L J = 6.9 ( Y 2−Y 1)

%onde: D =

q

2 3

g ∆ Z

1.06

√

∆ Z 3 + Y c 2

F"/ra : Cara#'&r*!'"#a! %& )a #a*%a

1l

caer

la

lámina

vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara indicada en la fgura $. El cual se debe reemplaar para evitar la cavitaci!n o resonancia sobre toda la estructura.


$


7ara acilitar la aireaci!n se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes: •

Contracci!n lateral completa en cresta vertiente, disponi"ndose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire de la lámina vertiente.

•

1gu#ero de ventilaci!n, cuya capacidad de suministro de aire en m)=seg.Dm de anc'o de cresta de la caída, segn KLGK+*- 7ag. /$8, es igual a: qa =0.1

qw

( ) Yp Y

1.5

%onde: qa =¿ 0uministro de aire por metro de anc'o de cresta Y =¿ (irante normal aguas arriba de la caída

qw =¿ áxima descarga unitaria sobre la caída

ρ a

(

)

2

( P / ρ )= !" + #L + !$ + !"x %a 2g ρw D %onde:

( P / ρ )=¿ >a#a presi!n permisible deba#o de la lámina vertiente, en metros de columna de agua. +0e puede suponer un valor de 8.8 m. de columna de aguaCURSO: ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS TEMA: TRANSICIONES Y PERDIDAD POR INFILTRACIÓN EN CANALES

$*

UNIVERSIDAD NACIONAL TORIBIO RODRIGUEZ DE MENDOZA DE ING. CIVIL AMAZONAS !"=¿ Coefciente de p"rdida de entrada. +4sar Pe 9 8.*# =¿ Coefciente de ricci!n en la ecuaci!n de %arcy Q Reisbac'. 2

L % h# = # D 2 g L=¿ Longitud de la tubería de ventilaci!n, m. D =¿ %iametro del agu#ero de ventilaci!n, m.

!$ =¿ Coefciente de perdida por curvatura. +4sar Pb 9 $.$ !"x =¿ Coefciente de perdida por salida +4sar Pex 9 $.8-

%a=¿ Selocidad media del u#o de aire a trav"s de la tubería de

ventilaci!n. ρa / ρ$ & aproximadamente $=@)8 para aire a /8TC.

1.5. CAÍDAS INCLINADAS GENERALIDADES

Estas estructuras se proyectan en tramos cortos de canal con pendientes uertes, siendo la velocidad de u#o en la caída siempre mayor que la del propio canal, causando serios da&os por erosi!n si no se pone un revestimiento apropiado, entonces, mediante el análisis 'idráulico se verifcan los en!menos del u#o que a su ve serán el undamento para la determinaci!n de la clase de revestimiento y de su extensi!n.


$A


Cuando se tiene un desnivel mayor a .* m, la caída inclinada se denomina rápida y el cálculo 'idráulico deberá 'acerse como tal, tratándose de estos desniveles, es aconse#able eectuar un análisis 'idráulico y econ!mico que nos permita decidir si más conveniente que una rápida resulta construir una serie de caídas verticales a las cuales se les conoce como 3radas o Cascadas. 1.5.1.ELEMENTOS DE UNA CAÍDA INCLINADA

4na caída inclinada se divide desde arriba 'acia aba#o en las siguientes partes:

TRANSICIÓN DE ENTRADA AGUAS ARRIBA:

(ratándose de un canal trapeoidal y una caída de secci!n rectangular es necesario proyectar una transici!n de entrada a la caída que garantice el cambio gradual de la velocidad del agua del canal 'acia la entrada, mientras más alta sea la velocidad más importante será disponer de una buena transici!n y tratándose de un canal de tierra siempre será necesario proyectar aguas arriba de esa transici!n un enrocado de protecci!n contra las posibles erosiones. SECCIÓN DE CONTROL.

La secci!n de control consiste en una variaci!n de la secci!n del canal en el punto donde se inicia la caída o en una rampa en contra pendiente, de


$F


manera que la energía en el canal aguas arriba sea igual a la energía en el punto donde se inicia la caída. La entrada 'acia una caída puede adoptar dierentes ormas, depende del criterio del ingeniero y de la operaci!n de canal donde va proyectada la caída, así tenemos las siguientes alternativas: $. Entrada con una secci!n de tirante crítico, que consiste en dise&ar una estructura en el borde superior de la caída en base al tirante crítico, de manera que la energía en esta secci!n de tirante critico sea igual a la energía en el canal y de esta manera se logra controlar el u#o. /. Entrada con una sobreelevaci!n o solera en el ondo, cuya altura es igual a la dierencia de energías, es decir a la energía del canal en condiciones normales menos la energía del canal correspondiente al tirante crítico. ). Entrada con compuertas o ataquias, que permiten operar con el tirante para dierentes caudales en el tramo del canal aguas arriba de la entrada. CONDUCTO INCLINADO

El piso del canal superior se une con el del inerior siguiendo un plano con talud igual al de reposo del material que conorma el terreno obteni"ndose economía en el proyecto, al necesitarse solo un revestimiento de $8 a $* cm de espesor. 0e procura que los taludes del canal sigan las mismas inclinaciones que en la secci!n de control, debiendo tener la parte revestida sufciente altura para que el agua no brinque arriba de ella. La altura de las paredes laterales pueden calcularse en base al tirante critico en la entrada con un borde libre de 8.)8 m para caudales menores a ).8 m)=s. La pendiente máxima del tramo puede ser $:$.* y la mínima $:) pero deberá proyectarse de $:/, el desnivel máximo deberá ser de .* m. COLCHÓN CURSO: ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS TEMA: TRANSICIONES Y PERDIDAD POR INFILTRACIÓN EN CANALES

$@


En el tramo inclinado se genera energía que deberá ser disipada mediante una poa de disipaci!n donde se producirá un resalto 'idráulico, el cual deberá ser contenido dentro de la longitud de la poa. En algunos casos la caída propiamente dic'a y el colc'!n, pueden ser de secci!n rectangular o trapeoidal, la secci!n depende de las condiciones locales y en todo caso del criterio del dise&ador. LA TRANSICIÓN DE SALIDA

La transici!n de salida conecta la poa de disipaci!n con el canal agua aba#o, que puede ser un canal en tierra o revestido y tienen como ob#etivo evitar la erosi!n en el canal en la fg. 6U se dan algunos tipos de transici!n de salida.

El tipo V1 tiene los aleros a ?8U y la longitud de estos dependen de la secci!n del canal de salida, este tipo es el más ácil de construir. El tipo V> tiene dos aleros a *U y tambi"n su longitud depende de la secci!n del canal. El tipo Vc es el más diícil de construir y su longitud se determina de acuerdo al cálculo de transiciones. 1 la salida de la poa se puede proyectar cualquiera de estos 8) tipos, lo importante es darle la longitud adecuada al enrocado de protecci!n.

1.5.5.CRITERIOS DE DISEO SECCIÓN RECTANGULAR

$. La rampa inclinada en sentido longitudinal de la caída en sí, se recomienda en un valor de $.*:$ a /:$, su inclinaci!n no debe ser menor a la del ángulo de reposo del material confnado. /. El anc'o de la caída > es igual a:


$?


%!nde:

). Es

muy importante tener en cuenta la supresi!n.

SECCIÓN TRAPEZOIDAL

Las caídas inclinadas de secci!n trapeoidal suelen proyectarse con poca recuencia, principalmente porque resultan poas de disipaci!n demasiado largas en comparaci!n con las poas de caídas de secci!n rectangular, sin embargo, algunas veces a pesar de requerir poas largas, resultan econ!micas, por el a'orro en el encorado al no presentar muros verticales y porque el acero de reuero generalmente resulta el mínimo. Este tipo de caídas es recomendable, proyectarlas de preerencia en canales revestidos de concreto, pero si es el caso lo amerita tambi"n puede proyectarse en canales de tierra y aquí pueden ser de concreto armado o de ampostería.

1.8. CAÍDAS GRADAS: 0on caídas verticales continuas, que se proyectan para salvar desniveles abruptos siendo recomendable no proyectar en este caso caías o gradas con alturas mayores s 8.@8 m.


/8


CONCLUSIONES Las caídas se utilian para llevar el nivel de agua de un nivel superior a otro inerior y evitar que se erosione el curso de agua y da&e la estructura del canal es por tal motivo que se le utilia tambi"n como disipador de energía. Las caídas son estructuras que se utilian comnmente tanto para canales como para alcantarillas y se basan en la utiliaci!n del resalto 'idráulico para disipar la energía.


/$


RECOMENDACIONES La secretaria de recursos 'idráulicos recomienda como caída mínima un metro, pero puede 'aber 'asta de  y * metros. 0on muy comunes las de tipo inclinado y las de caída vertical, aunque dependiendo de las condiciones generalmente resultan más áciles de construir las inclinadas y son tambi"n más econ!micas. Existen normas y dise&os ya preestablecido que acilitan el dise&o de caídas, dependiendo de la elecci!n de las condiciones del terreno y de la altura de la caída y del nmero de roude para elegir el modelo de disipador de energía. Cuando el terreno presenta pendiente uerte en una distancia relativamente corta resulta más conveniente usar una rápida que es una estructura de mayor longitud aunque ambas cumplen la misma unci!n que es la de disipar energía del agua evitando con esto la erosi!n y permitir velocidades ba#as en el canal lo cual acilita la operaci!n.

ANEOS


//



/)



/


BIBLIOGRAFÍA Y LINOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA Ma/a) : 2RI3ERI4S DE DISE54S DE 46RAS 7IDR89LI2AS ARA LA :4R;9LA2I
•

WWW.cepes.org.pe=pd=2CG=...=guiaXpracticaXinraestructura$.pd 'ttp:==oros.construaprende.com=comoYdisenoYcaidasYverticalesY inclinadasYyYrapidasYvt*FF.'tml 'ttp:==civilgee;s.com=tag=disenoYdeYcaidasY'idraulicasYverticalesYyY inclinadas=


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CAÍDAS (ESTRUCTURA HIDRAULICA)

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