Capitulo Vi Estructuras de Transporte y Conduccion Aamp

CURSO: IRRIGACIONES

CAPITULO V: ESTRUCTURAS DE TRANSPORTE Y CONDUCCION

CAPITULO VI ESTRUCTURAS DE TRANSPORTE Y CONDUCCION

6.1 GENERALIDADES. Para el transporte y distribución del agua se utilizan diversas estructuras hidráulicas; cada una de estas ubicadas adecuadamente.

6.2 SIFONES. Cuando un canal debe cruzar una depresión ya sea una quebrada, un río, un dren o un camino, etc. Se proyecta un sifón invertido que puede ser de sección circular, rectangular o cuadrado que trabajara a tubo lleno.

FIG. No 6.1 ELEMENTOS DE UN SIFON INVERTIDO

CRITERIOS DE DISEÑO. 1. Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida. 2. En aquellos sifones que cruzan cruzan caminos principales o debajo de drenes se requiere un mínimo de 1.20 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir es suficiente 0.80 m. Si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente una cobertura de 0.60 m. 3. La pendiente de los tubos doblados no debe ser mayor de 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser de 5/1000. Se recomienda transición de concreto a la entrada y a la salida cuando el sifón cruce caminos principales en tuberías de ø mayor o igual a 36” y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/seg. 4. Con la finalidad de evitar desbordes aguas arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño; se recomienda aumentar en 50% o 0.30 m como máximo al bode libre del canal en una longitud mínima de 15 m a partir de la estructura. 5. Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierra, tanto a la entrada como a la salida, se puede adoptar una velocidad de 1 m/seg, en sifones con transiciones con concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/seg y entre 3 m/seg a 2.5 m/seg en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada. 6. Las perdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tiempo cubierta partida se pueden calcular rápidamente con los valores de 0.40 hv y 0.65 hv respectivamente. Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta Paucarmayta

Página 1

CURSO: IRRIGACIONES


7. A fin de evitar remansos aguas arriba las perdidas totales computadas se incrementan en 10%. 8. En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón, este ligeramente debajo de la superficie normal de 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 hv como mínimo o también 3”. 9. En la salida la sumergencia no debe exceder al valor de Hte/6. 10. En los sifones relativamente largos se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento. 11. En sifones largos bajo ciertas condiciones la entrada puede no sellarse, ya sea que el sifón opere a flujo parcial o lleno, con n coeficiente de fricción menor que el asumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculan las perdidas de energía. 12. Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire puede acumularse. 13. Con respecto a las perdidas de carga totales, se recomienda la condición de que estas sean iguales o menores a 0.30 m. 14. Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada es necesario conocer el gasto máximo de la creciente. 15. Se recomienda los anchos de corona de la Tabla No 6.1 en el cruce de los sifones o alcantarillas según sea el camino. CRUCE CON CAMINO DE TIPO

ANCHO DEL CAMINO EN LA CORONA DE LA ALCANTARILLA O SIFON Cruce Simple (m)

Cruce con sobreancho (m)

V1 (3 m)

4.0

6.6

V2 (3 m)

5.5

6.6

V3 (3 m)

8.0

8.0

TABLA No 6.1 ANCHOS DE CAMINO EN LA CORONA CORONA DE LA ALCANTARILLA ALCANTARILLA

PARTES DE UN SIFON INVERTIDO: Los sifones invertidos constan de las siguientes partes: 1. Desarenador. 2. Desagüe de excedencias. 3. Compuerta de emergencia o rejilla de entrada. 4. Transición de entrada. 5. Conducto o barril. 6. Registros para limpieza y válvulas de purga. 7. Transición de salida.

1. Desarenador. Consiste en una o varias compuertas deslizantes colocadas en una de las partes laterales, que descargan a un canal con pendiente superior a la del propio canal. Sirven a la vez para desalojar el agua del sifón, cuando por reparaciones en éste sean cerradas las compuertas o agujas de Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta Paucarmayta

Página 2

CURSO: IRRIGACIONES


emergencia, se recomienda hacerlos de las dimensiones convenientes para que pase el caudal por desalojar y unirlos al canal colector de la obra de excedencias. Conviene localizarlo antes de la transición de entrada.

2. Desagüe de excedencias. Es una estructura que evita que el nivel del agua suba más de lo tolerable en el canal de llegada, evacuando el caudal que no puede pasar por el sifón. Generalmente consiste en un vertedor lateral construido en una de las paredes del canal. Para el caudal normal, la cresta del vertedor estará al nivel de la superficie libre del agua.

3. Compuerta de emergencia y rejilla de entrada. Por facilidad de construcción se localizan a la entrada del conducto, o sea al finalizar la transición de entrada. La compuerta de emergencia consiste en una o varías compuertas deslizantes o agujas de madera que corren sobre ranuras hechas en las paredes laterales o en viguetas de hierro y que en un momento determinado puedan cerrar la entrada al conducto para poder hacer limpieza o separaciones al mismo. La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8” de diámetro o varillas cuadradas de 0.95x0.95 (3/8”x3/8”) colocados a cada 10 cm y soldadas a una marco de 2.54x1.27 (1”x1/2”).

Su objeto es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras u objetos extraños que impidan el funcionamiento correcto del conducto. La rejilla permite también proteger a las personas que por una u otra están usando el canal.

4. Transición de entrada. Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es diferente a la adoptada en el conducto o carril, es necesario construir una transición de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda. Para el cálculo de la longitud de las transiciones que son simétricas se seguirá el criterio de la Comisión Nacional de Irrigación de México. L 

T 1  T 2 2tg 22.5

(Ec. 6.1)

En el diseño de una transición de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifón un poco más abajo de la superficie normal del agua. Esta práctica hace mínima la posible reducción de la capacidad del sifón causada por la introducción del aire. La profundidad de sumergencia de la abertura superior del sifón se recomienda que este comprendida entre un mínimo de 1.1hv y un máximo de 1.5 hv. Donde hv carga de velocidad.

5. Conducto o barril. Forma la parte más importante y necesaria de los sifones. Se recomienda profundizar el conducto, dejando un colchón como mínimo de 1 m en las laderas y de 1.5 m en el cruce del Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 3

CURSO: IRRIGACIONES


cauce para evitar probables fracturas que pudieran presentarse debido a cagas excesivas como el paso de camiones y tractores.

Sección transversal: Por cuestiones de construcción pueden ser: 1. Cuadradas. 2. Rectangulares

H B

 1.5

3. Circulares.

Velocidades en el conducto: Las velocidades de diseño de sifones grandes es de 2-3 m/s, mientras que en sifones pequeños es de 1.6 m/s. Un sifón se considera largo, cuando su longitud es mayor que 500 veces el diámetro.

Funcionamiento: El sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida.

FIG. No 6.2

Ahogamiento  10% Puede tenerse ahogamiento  50% Ahogamiento 

H  h h

 100

(Ec. 6.2)

El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas en el sifón. La diferencia de carga  Z debe ser > las pérdidas totales.

6. Registros para limpieza y válvulas de purga. Se coloca en la parte más baja del barril, permite evacuar el agua que queda almacenada en el conducto cuando se deja de usar el sifón, con fines de limpieza o reparación, y consistirá en válvulas de compuerta deslizante, de las dimensiones que se estime conveniente de acuerdo al caudal a desalojar. Se pueden usar para desalojar lodos. Algunas veces estas válvulas no se pueden colocar en la parte más baja del sifón por tratarse del fondo del cauce del río por salvar, habiendo necesidad cuando se presenta el caso, de alguna bomba que succione al agua Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 4

CURSO: IRRIGACIONES


restante. Estas válvulas se protegen por medio de un registro de tabique o concreto que llega hasta la parte superior del terreno. Deben abrirse gradualmente para evitar aumentos de velocidades fuertes en las tuberías.

CÁLCULO HIDRÁULICO DE UN SIFÓN INVERTIDO. Con el plano a curvas a nivel y el perfil del terreno en el sitio de la obra, se traza el sifón y se procede a diseñar la forma y las dimensiones de la sección del conducto más económica y conveniente, esto se obtiene después de tanteos, tomando en cuenta las pérdidas de carga que se han de presentarse. Las dimensiones de la sección transversal del conducto dependen del caudal que deba pasar y de la velocidad que se pueda dar. En sifones grandes se considera una velocidad conveniente de agua en el barril de 2 a 3 m/s que evita el deposite de azolve en el fondo del conducto y que no es tan grande que pueda producir la erosión del material de los barriles. Cuando por las condiciones del problema, no sea posible dar el desnivel que por éstas limitaciones resulten, se pueden reducir pérdidas, disminuyendo prudentemente la velocidad del agua, teniendo en cuenta que con esto se aumenta el peligro de azolvamiento del sifón, por lo que habrá la necesidad de mejorar las facilidades para limpiar en interior del barril. El sifón funciona por diferencia de cargas, ésta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas del sifón. La diferencia de cargas  Z debe ser mayor o igual que las pérdidas totales.

PERDIDAS DE CARGA EN EL SIFON INVERTIDO. Las principales pérdidas de carga son: 1. Pérdidas por transición de entrada y salida. 2. Pérdidas en la rejilla 3. Pérdidas de entrada 4. Pérdidas por fricción en el conducto o barril 5. Pérdidas por cambio de dirección o codos 6. Pérdidas por válvulas de limpieza 7. Pérdidas por ampliación 1.

Pé rdid as por transic ión de entrada y salid a:

h1e  0.1

h1 s  0.2

(v22  v12 )

(Ec. 6.3)

2 g (v32  v42 )

(Ec. 6.4)

2 g

Donde: h1e= Pérdidas por transición de entrada h1s= Pérdidas por transición de salida Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 5

CURSO: IRRIGACIONES


v1= velocidad en sección 1 de la transición de entrada. v2= velocidad en sección 2 de la transición de entrada. v3= velocidad en sección 3 de transición de salida. v4= velocidad en sección 4 de transición de salida En un flujo subcrítico la sección (4) de la Fig. No 6.1 tiene el tirante real igual al tirante normal, esto es debido a que en un flujo subcrítico, toda la singularidad crea efectos hacia aguas arriba. Para encontrar las pérdidas por transición de salida es conveniente aplicar el teorema de Bernoulli entre los puntos (3) y (4). Para calcular las pérdidas por transición de entrada se aplica el mismo teorema pero entre los puntos (1) y (2) El tubo a la entrada y salida, conviene que quede ahogado de un 10% a un 50% de h v para evitar la entrada de aire que pueda producir el funcionamiento defectuoso. 2.

Pé rd id as po r reji llas :

Cuando la estructura consta de bastidores de barrote y rejillas para el paso del agua, las pérdidas originadas se calculan con la ecuación: h2  K

vn2

(Ec. 6.5)

2 g

Donde: h2= pérdidas por rejillas

 A   A  K  1.45  0.45 n    n   A   A   g   g 

2

(Ec. 6.6)

K = Coeficientes de pérdidas en las rejillas An= Área neta de paso entre rejillas Ag= Área bruta de la estructura y su deporte, que quede den tropel área hidráulica vn= Velocidad a través del área neta de la rejilla dentro del área hidráulica 3.

Pé rdid as de carga po r entrad a del cond uc to:

h3  Ke

v2 2 g

(Ec. 6.7)

Donde: h3 = Pérdida de carga por entrada al conducto v = Velocidad del agua en el barril Ke = Coeficiente que depende de la forma de entrada.

Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 6

CURSO: IRRIGACIONES


DESCRIPCION Compuerta

en

pared

Ke

delgada-

contracción

1.00

suprimida en los lados y en el fondo. Para entrada con arista en ángulo recto

0.5

Para entrada con arista ligeramente redondeado

0.23

Para entrada con arista completamente redondeada R/D= 0.15

0.10

Para entrada bocinada circular

0.004

TABLA No 6.2 VALORES DE Ke

4.

Pé rdid as de carga po r fric ción en el co nd uc to:

Una fórmula muy empleada para determinar las pérdidas por fricción es la de Manning: 1

2

1

v  R S 2 n 3

(Ec. 6.8)

2

   vn  h f  SL   2  L  3  R  Donde: hf = Pérdidas por fricción n = Coeficiente de rugosidad S = Pendiente de la línea de energía v = Velocidad del agua en el conducto R = Radio hidráulico L = Longitud total del acueducto

Cuando de se trata de un conducto circular el radio hidráulico es: R 

d

(Ec. 6.9)

4

Luego: v

0.3969 n

3

1

2

d S 2 2

  vn   h f  SL   L 2     0.3969d 3 

(Ec. 6.10)

Donde, d es el diámetro del conducto. 5.

Pé rdid as de carga po r cam bio de direc ción o co do s:

Una fórmula muy empleada es:

 v2 h5  K c 90 2 g

(Ec. 6.11)

Donde: Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 7

CURSO: IRRIGACIONES


h5 = Pérdida de carga de cambio de dirección

 = Ángulo de deflexión Kc= Coeficiente para codos comunes = 0.25 6.

Pé rd id as de car ga por válv ul as de lim pi eza:

Las pérdidas de carga que se originaron en los sifones por el hecho de insertar lateralmente una tubería en la que se coloca una válvula para desagüe y limpieza se deben considerar como pérdidas por la bifurcación de tuberías. Esta pérdida existe aún cuando una de las partes esté cerrada por la válvula ya que se forman turbulencias dentro de la tubería, pero en vista de que se considera muy pequeña y no se ha podido evaluar se olvida. 7.

Pé rdid as de carga po r amp liación (perd idas po r salid a):

Algunas veces por exigencias topográficas no es posible localizar una transición a la salida del sifón para el cambio de sección, haciéndolo en una caja, de la cual saldrá el agua al canal. La pérdida de carga será motivada por ampliación brusca en la sección y se aplica la fórmula de Borda. h7 

(v1  v2 ) 2

(Ec. 10.12)

2 g

Donde: h7 = Pérdida de carga por ampliación brusca. v1 = Velocidad en el sifón. v2 = Velocidad aproximada en la caja. Según A rcher:

h s  0.997

(v1  v2 )1.919 2 g

 0.0508(v1  v2 )1.919

(Ec. 10.13)

For m a práct ic a:

h s  2he Donde: hs = Pérdida por salida he = Pérdida por entrada

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO. Para el caso de un flujo subcrítico en el canal, toda singularidad (en este caso el sifón invertido), causa efectos hacia arriba, por lo tanto en punto (1) de la Fig. No 6.3 se presenta el tirante real, siendo igual al tirante normal en el canal.


Página 8

CURSO: IRRIGACIONES


FIG. No 6.3 PERFIL LONGITUDINAL

El proceso de cálculo es como sigue:

1. Calcular las dimensiones del canal. Para esto se debe conocer, el caudal, forma del canal, rugosidad y pendiente.

2. Calcular las dimensiones de los conductos. Con el caudal conocido y suponiendo una velocidad, por ejemplo v = 2m/s, y utilizando la ecuación de continuidad calcular el área: A 

Q

(Ec. 10.14)

v

Definir el tipo de sección transversal del conducto:

FIG. No 6.4 SECCIONES TIPICAS

Calcular las dimensiones: Por ejemplo para el caso de una sección circular A 

 D 4

 D 

4A

(Ec. 6.15)



El diámetro que debe tomarse debe ser lo más cercano posible al calculado, pero que esté disponible en el mercado. Con el diámetro real elegido, recalcular el área A. Recalcular v v 

Q A

(Ec. 6.16)

Donde A es el área calculada con el diámetro real.

3. Calcular las transiciones: Calcular la longitud de la transición exterior de trapezoidal a rectangular: Le 

T  t 2tg 22.5

(Ec. 6.17)

Donde: Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 9

CURSO: IRRIGACIONES


LE = Longitud transición exterior. T = Espejo de agua en el canal. t = D = Diámetro del conducto. Calcular la longitud de la transición interior de rectangular a circular (Ec. 6.18)

Li  1.5 D

Donde: Li = Longitud transición interior D = Diámetro del conducto

4. Calcular la carga disponible: Calcular la diferencia de cotas Z  Z  Cota (6)  Cota (1)

(Ec. 6.19)

Calcular las pérdidas totales aproximadas ht  1.25h f

(Ec. 6.20)

Donde:

ht = sumatoria de las pérdidas totales hf = SE . L

 v.n  S E   2   3  R 

(Ec. 6.21) 2

(Ec. 6.22)

Para una tubería llena: R = D/4 Por lo cual:   v.n   S E   2     0.3969 D 3 

2

(Ec. 6.23)

Luego: 2

  v.n   h f   L 2     0.3969 D 3 

(Ec. 6.24)

Si ht   Z , no hay problema para continuar con los cálculos

5. Cálculos en el sifón Cálculo de y2 y hts:


Página 10

CURSO: IRRIGACIONES


FIG. No 6.5

Aplicar la ecuación de Bernoulli entre (2) y (1) Z 2  y2 

v22 2 g

 Z 1  y1 

v12 2 g

(Ec. 6.25)

 hts

Donde: y2 = Tirante a la salida del sifón y1 = Tirante en el canal, igual al yn

 v22  v12   = Pérdidas por transición de salida hts  K s   2 g  Nota: verificar que esta pérdida sea positiva Resolver la Ec. 6.25 por tanteos y calcular y2, luego calcular hts. Cálculo del % de ahogamiento a la salida del sifón %deahogamiento 

y 2  d d

100

Verificar que % de ahogamiento

(Ec. 6.26) 

10%

FIG. No 6.6 AHOGAMIENTO A LA SALIDA

Cálculo de p3/γ y hs: Aplicar la ecuación de Bernoulli entre (3) y (2)


Página 11

CURSO: IRRIGACIONES


FIG. No 6.7

Z 3  y3 

P 3





v32 2 g

 Z 2  y2 

v22 2 g

 h s

Donde: y3  D

(Ec. 6.27)

Z 3  Z 2 h s  0.997

v3  v2 2 2 g

Cálculo de p4 /  y hf 4-3,hcodos Aplicar la ecuación de Bernoulli entre (4) y (3)

FIG. No 6.8

Z 4  y4 

P 4 



v42 2 g

 Z 3  y3 

v32 2 g

 hcodos  h f 4 3

Donde: Z4 -Z3 = Diferencia de cotas de los puntos (4) y (3) y4 = y3 =D v4 = v3 = v = Velocidad en el conducto 2

h f 43

  v.n   L  2     0.3969 D 3 

hcodos  0.25

(Ec. 6.28)

 v2 90 2 g

Cálculos de y5 y he Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 12

CURSO: IRRIGACIONES


Aplicando la ecuación de Bernoulli entre (5) y (4)

FIG. No 6.9

Z 5  y5 

v52 2 g

 Z 4  y4 

P 4





v42 2 g

 he

Donde: Z5 = Z4 y4 = D 2

he  K e

v4

(Ec. 6.29)

2 g

Cálculo del % de ahogamiento en la entrada del sifón %deahogamiento 

y5  d d

 100

Verificar que % de ahogamiento  10%

FIG. No 6.10

Cálculo y6 y hte

FIG. No 6.11

Aplicación de la ecuación de Bernoulli entre (6) y (5) Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 13

CURSO: IRRIGACIONES


Z 6  y6 

v62 2 g

 Z 5  y5 

v52 2 g

 htte

Donde: Z6-Z5= Diferencia de cotas entre estos dos puntos hte  K e

v52  v62

(Ec. 6.30)

2 g

Nota: verificar que hte sea positivo Cálculo de las pérdidas totales hT  hte  he  h f  hcodos  h s  hts

(Ec. 6.31)

Donde: hT

: Pérdidas totales

hte

: Pérdidas por transición de entrada

he

: Pérdidas en la entrada (reducción)

hf

: Pérdidas por fricción en el conducto

hcodos

: Pérdidas por codos

hs

: Pérdidas a la salida (ampliación)

hts

: Pérdidas por transición de salida

Puede agregarse otras pérdidas, como por ejemplo las pérdidas en la rejilla. Comparar hT con el Z calculado en 4.1 Si hT   Z el conjunto de pérdidas absorbido por la diferencia de cotas. Si hT  Z realizar cambios, los cambios que pueden realizarse son: 

Aumentar las dimensiones del conducto.



Variar el desnivel entre el canal de entrada y salida.

Verificar que se cumpla: y6 

v62 2 g

  Z  y1 

v12 2 g

 hT

(Ec. 6.32)

Donde: y1= tirante al inicio del canal, después del sifón y6= tirante al final del canal, antes de la transición

 Z = diferencia de cotas entre 1 y 6 hT= pérdidas totales en el sifón


Página 14

CURSO: IRRIGACIONES


6.3 ALCANTARILLAS. Las alcantarillas son estructuras de cruce, que sirven para conducir agua de un canal o un dren, por debajo de un camino u otro canal (Fig. No 6.12). Generalmente, la alcantarilla disminuye la sección transversal del cauce de la corriente, ocasionando un represamiento del agua a su entrada y un aumento de su velocidad dentro del conducto y a la salida. El éxito del diseño hidráulico radica, por consiguiente, en proveer una estructura con capacidad de descargar, económicamente una cierta cantidad de agua dentro de los límites establecidos de elevación del nivel de las aguas y de velocidad. Cuando la altura y la descarga han sido determinadas, la finalidad del diseño es proporcionar la alcantarilla más económica, la cual será la que con menor sección transversal satisfaga los requerimientos de diseño.

CONSIDERACIONES HIDRAULICAS. El escurrimiento a través de una alcantarilla generalmente queda regulado por los siguientes factores: 

Pendiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo del lugar.



Pendiente del fondo de la alcantarilla



Altura de ahogamiento permitido en la entrada.



Tipo de entrada.



Rugosidad de las paredes de la alcantarilla.



Altura del remanso de salida.

Todos los factores se combinan para determinara las características del flujo a través de la alcantarilla.

FIG. No 6.12 ALCANTARILLA PARA EL CRUCE DE UN CAMINO

El estudio de los tipos de flujo a través de las alcantarillas a permitido establecer las relaciones existentes entre la altura de agua en la entrada del conducto, el caudal y las dimensiones de la alcantarilla.


Página 15

CURSO: IRRIGACIONES


Para el diseño de una alcantarilla el proyectista deberá fijar: 

El caudal de diseño.



La altura de agua permisible a la entrada.



La altura de agua a la salida.



La pendiente con que se colocará el conducto.



Su longitud.



El tipo de entrada.



Longitud y tipos de transiciones.



La velocidad del flujo permisible a la salida.

CRITERIOS DE DISEÑO. Las siguientes consideraciones para el diseño de una alcantarilla son proporcionadas por el Bureau of Reclamation: 1. Las alcantarillas son diseñadas para una presión hidrostática interna mínima, es decir el gradiente hidráulico esta un poco por encima de la parte superior del tubo y a veces dentro del tubo mismo, 2. La elección del diámetro de la alcantarilla, se hace en función del caudal de tal forma que no sobrepase la velocidad admisible, se puede usar la Tabla No. 6.3 se puede definir el diámetro para: 

Una velocidad máxima admisible de 1.06 m/s (3.5 pies/s), para una alcantarilla con transición en tierra, tanto a la entrada como para la salida.



Una velocidad máxima admisible de 1.5 m/s (15 pies/s), para una alcantarilla con transición de concreto, tanto para la entrada como para la salida.


Página 16

CURSO: IRRIGACIONES


TRANSICI N DE

TRANSICI N DE

TIERRA

CONCRETO

Vmáx=1.06

Vmáx=1.52

m/s

m/s

TUBERÍAS

CAUDAL

CAUDAL

DI METRO

DI METRO

3

(m /s)

3

REA

(m /s)

(pulg)

(cm)

0-0.76

0-0.110

12

30.48

0.073

0.077-0.112

0.111-0.173

15

38.10

0.114

0.123-0.176

0.174-0.249

18

45.72

0.164

0.177-0.238

0.250-0.340

21

53.34

0.223

0.239-0.311

0.341-0.445

24

60.96

0.292

0.312-0.393

0.446-0.564

27

68.58

0.369

|0.394-0.487

0.565-0.694

30

76.20

0.456

0.488-0.589

0.695-0.841

33

83.82

0.552

0.590-0.699

0.842-1.000

36

91.44

0.656

0.700-0.821

1.001-1.175

39

99.06

0.771

0.822-0.954

1.176-1.362

42

106.68

0.894

0.955-1.096

1.363-1.563

45

114.30

1.026

1.097-1.246

1.564-1.778

48

121.92

1.167

1.247-1.407

1.779-2.008

51

129.54

1.318

1.408-1.578

2.009-2.251

54

137.16

1.478

1.579-1.756

2.252-2.509

57

144.78

1.646

1.757-1.946

2.510-2.781

60

152.40

1.824

1.947-2.146

63

160.02

2.011

2.147-2.356

66

167.64

2.207

2.357-2.574

69

175.26

2.412

2.575-2.803

72

182.88

2.626

(m2)

TABLA No 6.3 DATOS PARA LA SELECCIÓN DEL DIÁMETRO DE TUBERÍAS

3. La máxima elevación del nivel del agua en la entrada de la alcantarilla es igual del diámetro de la tubería 1.5 la carga de velocidad en la alcantarilla es decir: D  1.5hv

Donde: hv 

v

2

2 g

4. La pendiente mínima de la alcantarilla es de 0.005(So = 0.5%). 5. Cobertura de tierra mínima entre la corona del camino y el tubo: 

En carreteras principales y ferrocarriles coberturas mínimas de 0.90 m (3 pies), a 1.20m (4 pies).



En carreteras de fincas (parcelas) coberturas mínimas de 0.60 m (2 pies).

6. Talud a la orilla del camino: 1.5:1 7. Las transiciones reducen la pérdida de carga y previenen la erosión disminuyendo los cambios de velocidad. Las transiciones pueden hacerse de concreto, tierra y suelo- cemento. Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 17

CURSO: IRRIGACIONES


Las transiciones de concreto son necesarias en los siguientes casos: 

En los cruces de los ferrocarriles y carreteras principales.



En las alcantarillas con diámetro mayor de 36 pulg. (91.44 cm).



En las alcantarillas con velocidades mayores de 1.06 m/s (3.5 pies/s).

La pendiente máxima de la transición admite un talud de 4:1 8. Collares que incrementan la longitud del movimiento del agua a través del exterior del tubo. 9. Las pérdidas asumidas son de 1.5 veces la carga de velocidad en la tubería más las pérdidas por fricción. hT 1  1.5hv  hf E

(Ec. 6.33)

10. Para el cálculo de las pérdidas en las alcantarillas funcionando llena, se puede usar la siguiente fórmula, en el sistema métrico decimal: hT 2

  2  0.0828(1  K e ) 10.2907n . L  Q   16  D 4  3   D 2

(Ec. 6.34)

Donde: hT2=Carga, en m Ke= Coeficiente de pérdidas a la entrada D= Diámetro de la tubería, en m. n= Coeficiente de rugosidad. L= Longitud de la alcantarilla, en m. Q= Caudal, en m3/s Se han determinado valores experimentales de K e para las diferentes condiciones de la entrada, los cuales varían en la forma que se indica: TIPO DE ENTRADA

VARIACI N

PROMEDIO

0.43- 0.70

0.50

0.08- 0.27

0.10

0.10- 0.33

0.15

…

0.20

0.5- 0.9

0.85

Para entradas con aristas rectangulares instaladas al ras en los muros de cabeza verticales. Para entradas con aristas redondeadas instaladas al ras en muros de cabeza verticales Para tubo de concreto de espiga o de campana instalado al ras en el muro de cabeza vertical. Para tubos de concreto salientes con extremos de espiga o de campana. Para tubos de acero o de metal ondulado.

TABLA No 6.4 VALORES DE Ke

PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO. Un procedimiento simplificado para el diseño de una alcantarilla, cuyos parámetros se indican en la Fig. No 6.13, es como sigue:


Página 18

CURSO: IRRIGACIONES


FIGURA No 6.13 CORTE TÍPICO DE UNA ALCANTARILLA

1. Calcular las dimensiones del canal, es decir, definir sus dimensiones y parámetros hidráulicos. 2. Calcular las dimensiones de la alcantarilla, para esto, con el caudal conocido, usando la Tabla No 6.3, determinar el diámetro de la alcantarilla, recordar que para una transición de tierra elegir v = 1.06 m/s y para una transición de concreto elegir v = 1.52 m/s. 3. Calcular el área A con el diámetro elegido: A  

(Ec. 6.35)

D 2 4

4. Calcular la velocidad en el conducto, para esto, con el caudal dado y el área calculada, usar la ecuación de continuidad: v 

Q

(Ec. 6.36)

A

5. Calcular la carga de velocidad en la alcantarilla: hv 

v2

(Ec. 6.37)

2 g

6. Calcular la elevación del nivel de agua a la entrada de la alcantarilla: NAEA = Cota A + y Donde: NAEA

: Elevación del nivel de agua en el canal, a la entrada de la alcantarilla.

Cota A

: Cota de fondo del canal antes de la transición

y

: Tirante en el canal.

7. Calcular cotas: Cota B = NAEA - 1.5 hv-D Cota F = Cota B + D + cobertura Cota E = Cota A + H Donde: Cota B = Elevación del fondo de la tubería al inicio de la alcantarilla Cota F = Elevación de carretera, o fondo del canal a atravesar Cota E = Elevación del ancho de corona del canal H = Profundidad del canal (incluye bordo libre) Cobertura = Profundidad de cobertura de la alcantarilla. Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 19

CURSO: IRRIGACIONES


8. Calcular la longitud total de la alcantarilla: L  2  Z  (CotaF  CotaE )  ancho..del ..ca min o

Donde: Z = Talud del camino. Esta longitud se redondea de acuerdo al múltiplo de la longitud de tuberías que existen en el mercado. 9. Calcular caída en la tubería:

  L.S 0

(Ec. 6.38)

Donde:

 = diferencia de cotas, al inicio y al final de la alcantarilla L= Longitud de la tubería S0= Pendiente de la tubería S0min=0.005 10. Calcular Cota C: CotaC  CotaB   Z

Donde: Cota C= elevación del fondo al final de la alcantarilla 11. Calcular la pendiente de la línea de energía:

   v.n  S E   2   3  R 

(Ec. 6.39)

12. Calcular hf E: h f E  LS E

(Ec. 6.40)

13. Calcular las pérdidas asumidas hT1, usando la ecuación 9.1: hT 1  1.5hv  h f E

14. Calcular el nivel del agua a la salida de la alcantarilla, NASA: NASA  NAEA  hT 1

15. Calcular cota en D: CotaD  NASA  y

Donde: Cota D= Elevación del fondo del canal después de la alcantarilla y= tirante en el canal 16. Calcular las longitudes de las transiciones: L1 = 3D o 5’ min. L2 = 4D o 5’ min.

Se puede utilizar también la ecuación de Hinds: L 

T  t 2tg 22.5

(Ec. 6.41)

17. Calcular el talud de la transición: Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 20

CURSO: IRRIGACIONES

Z 


L Elev. A  Elev. B

(Ec. 6.42)

Verificar que sea menor que el talud 4:1, es decir que Z  4 18. Calcular las pérdidas reales hT2, usando la ecuación 6.43: Esta ecuación en el sistema métrico decimal es:  2   0.0828(1  K e ) 10.2907n L   hT 2  Q  16  D 4  3  D  2

(Ec. 6.43)

Donde: hT2= Carga, en m Ke= Coeficiente de pérdidas a la entrada D= Diámetro de la tubería, en m n= Coeficiente de rugosidad L= Longitud de la alcantarilla, en m Q= Caudal, en m3/s 19. Verificar que hT 2  hT 1

6.4

TRANSICIONES. La transición es una estructura diseñada para variar la forma de la sección transversal del canal en la dirección del flujo. Bajo condiciones normales de diseño prácticamente en toda estructura de conducción, sifones invertidos, cajones de paso, rápidas, caídas, etc; requieren de algún tipo de transición a la entrada o a la salida de la estructura. Su función es limitar las perdidas de energía, evitar la formación de ondas y turbulencia, proporcionando seguridad a la estructura contigua. Las transiciones de entrada son transiciones convergentes y las de salida son divergentes. Las transiciones deben garantizar que el cambio de sección tenga lugar en forma suave:: 

Sin excesiva pérdida de carga.



Sin ondas transversales.



Sin desbordes de agua.

TIPOS DE TRANSICIONES: 

Alabeada corrientilinea: Es la mas refinada y costosa de las transiciones. Las paredes son alabeadas según la configuración de las líneas de corriente.



Alabeada recta: Es una simplificación de la anterior. La arista superior e inferior de la pared son rectas.



Cuadrante cilíndrico: Es una transición curvada según un cuarto de cilindro.



Línea recta: Las paredes son planas y forman con el fondo también plano ángulos diedros. Debido a su economía y eficiencia son las de uso mas difundido en canales pequeños y medianos.


Página 21

CURSO: IRRIGACIONES


Extremos cuadrados: La transición se reduce a un muro cabezal en el plano de la sección



menor. Se usan solo en canales pequeños de poca importancia.

FIGURA No 6.14 VISTA ISOMÉTRICA DE UNA TRANSICIÓN DE UN CANAL

a. DIMENSIONAMIENTO: Los principios de dimensionamiento de las transiciones pueden resumirse en los siguientes conceptos.

b. PROPORCIONAMIENTO. Considerar que el ángulo optimo de convergencia o divergencia α sea de 12.50° para estructuras que requieran perdidas de carga pequeñas; tales como en los sifones, cajones de paso, etc; y de 25° para estructuras en el cual la perdida de carga no tiene mayor significación como en las rápidas y caídas por citar algunos ejemplos. Una transición esta conformado por: T.E

: Longitud de la transición de entrada.

T.S

: Longitud de la transición de salida.

α

: Angulo de divergencia o convergencia entre la línea del eje de la transición y las paredes de la transición.

Se sugieren también valores de α sea de 27°30’ en las transiciones convergentes y de 22°30’ en las salidas. Cuando se van a usar un numero alto de transiciones de concreto en un proyecto, puede ser justificado, por razones económicas, el uso de un valor único del ángulo α. En tal caso se sugiere el valor de 25°. El conocimiento del valor de α nos permite a determinar la longitud de la transición a través de

las siguientes relaciones: X 1  X 2 

B1  B2 2 T 1  T 2 2

(Ec. 6.44) (Ec. 6.45)

Si: X1>X2 L 

X 1 Tang .

(Ec. 6.46)

Si: X1>X2 Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 22

CURSO: IRRIGACIONES

L 


X 2

(Ec. 6.47)

Tang .

Donde: B1

: Ancho de la base mayor.

B2

: Ancho de la base menor.

T1

: Espejo de agua mayor.

T2

: Espejo de agua menor.

L

: Longitud de la transición.

c. PERDIDAS DE CARGA: Las pérdidas de energía en una transición esta compuesta por pérdidas debido a la fricción y al cambio de velocidad. La primera es pequeña y puede ser despreciada en cálculos preliminares. Las pérdidas debido al cambio de velocidad son expresadas en términos de diferencia entre las cargas de velocidad a la entrada y salida de la transición. Para disminuir las perdidas conviene diseñar transiciones alabeadas; estas estructuras reducen considerablemente las perdidas, aun que también encarecen la construcción. Las pérdidas en la superficie de agua esta dada por las siguientes ecuaciones: Z e  1  C i .hv

(Ec. 6.48)

Z s  1  Co.hv

(Ec. 6.49)

Donde: Ze

: Variación del nivel de agua en la transición de entrada.

Zs

: Variación del nivel de agua en la transición de salida.

Ci

: Coeficiente que toma en cuenta la perdida de energía debido a la velocidad de entrada.

Co

: Coeficiente que toma en cuenta la perdida de energía debido a la velocidad de salida.

∆hv

: Variación de la carga de velocidad entre la entrada y la salida de la transición.

hv 

V 22  V 12

(Ec. 6.50)

2 g

Los coeficientes recomendados de Ci y Co para usar en los cálculos se ilustran en la tabla siguiente: TIPO DE TRANSICI N

Ci

Co

Alabeado

0.10

0.20

Cuadrante cilíndrico

0.15

0.25

Simplificado en línea recta

0.20

0.30

Línea recta

0.30

0.50

Extremos cuadrados

0.30

0.75

Fuente: Obras Hidráulicas. Jesús Villaseñor.

TABLA No 6.5 VALORES RECOMENDADOS DE Ci Y Co Msc. Abel A. Muñiz Paucarmayta

Página 23

Capitulo Vi Estructuras de Transporte y Conduccion Aamp

Recommend Documents