DISEÑO HIDRAULICO DE ACUEDUCTOS ACUEDUCTOS
I.- INTDRODUCCION: Para los romanos, que buscaban en la monumentalidad de sus construcciones un cauce eficaz a su obstinada voluntad de imposición de poder, fue el acueducto uno de sus logros más perfectos. Se imponen al espectador por sus tres dimensiones: altura fuera de la escala humana humana,, long longit itud ud que lleg llegaa a ser ser verda verdader deram ament entee colosa colosall en alin alineac eacio ione ness de kilómetros y que además se alarga indefinidamente por la vibración monótona de sus arcadas y por su espesor que llega a dar esbelteces de verdadero alarde, como ocurre, por eemplo, en Segovia. !a e"periencia adquirida no se acumulaba en libros, ni se abstra#a en cálculos compli complicad cados, os, sino sino que aparec# aparec#aa rotunda rotunda en los eempla eemplares res con conserv servado ados. s. Por el simple hecho de seguir en servicio demostrando su eficacia, es decir, su adecuación a todas las funciones que ten#an que cumplir, entre ellas la de transportar agua, función bastante sencilla, y otra más complea la de resistir las acciones que están a la destructiva$ pero incluso las ruinas eran lección elocuente del comportamiento de las obras. !os asentamientos humanos deben estar siempre situados cerca de una fuente de agua limpia, ya sea un r#o o un manatial. %ientras &oma no fue más que un peque'o estado dentro del !acio, su fuente fue el r#o (#ber, pero a finales del siglo )* a.+., cuando los romanos luchaban en la Segunda uerra Samnita, se encontraron con que necesitaban urgentemente un suministro alternativo. -uizá esto se debiera a que el agua del (#ber ya no era suficiente suficiente para una población población cada vez más grande, o quizá a que e"ist#a e"ist#a el peligro de que el enemigo enemigo envenerara su nica fuente, pero lo cierto es que a consecuencia de ello, en el a'o /01 a.+., los romanos empezaron a construir su primer acueducto, el 2qua 2ppia.
II.- OBJETIVOS: 3
4ete 4e term rmin inar ar el dis dise'o e'o hid hidrá rául ulic icoo de un acu acuedu educt ctoo
3
5tili 5tilizar zar el el crite criterio rio de de dise'o dise'o para el calcu calculo lo del del acuedu acueducto cto
III.- ACUEDUCTO: !os acueductos son obras de arte que tiene la función de superar depresiones que se encuentren en el terreno, formados normalmente por quebradas, r#os y cárcavas originadas por la erosión. 5n acueducto, es virtualmente un puente que sostiene un canal de corta longitud, el cual contiene agua en movimiento. 4esde el punto de vista de la estructura civil, los acueductos pueden ser de dos tipos: 2cueducto sobre una estructura de soporte 6puente7, y canal cuyas paredes y base forman parte estructural del puente. !os materiales de construcción de los acueductos dependerán de las condiciones de estabilidad, definida normalmente por las dimensiones del canal y la longitud del acueducto, as# como del análisis económico de las variantes consideradas. 8l acueducto servirá entonces para vencer algn accidente topográfico y acortar la longitud del canal en el tramo considerado. 8ste puente3canal servirá as# mismo para el paso de peatones, por lo que se deberá prever en la estructura estas formas de utilización. 8ventualmente se dispondrá para el uso peatonal una cubierta superior o veredas laterales. 8squemas un acueducto.3 8s importante considerar tambi9n las necesidades de mantenimiento del acueducto, incorporando obras de limpieza y evacuación, como compuertas, que permitan aislar y desviar las aguas en una sección anterior al puente, principalmente en situaciones de emergencia. Por lo tanto, algunas obras de limpieza del canal podrán coincidir con las secciones indicadas.
(ransiciones.3 8ntre las transiciones que con mayor frecuencia se presentan en canales de monta'a se pueden mencionar a las ca#das y las rápidas. 8stas estructuras pueden utilizarse en los casos de desniveles originados por las caracter#sticas topográficas. 4e igual modo las transiciones se aplican en entradas o salidas de estructuras especificas de un sistema hidráulico y alcantarillas en carreteras. 2lgunos tipos de transiciones:
IV.- CRITERIOS DE DISEÑO: 3
8stas obras constan de transición de entrada y de salida, siendo siempre rectangular la sección del acueducto.
3
!a energ#a del acueducto debe ser en lo posible igual a la energ#a del canal, para lo cual se trata de dar velocidad en acueducto y a la del canal, despreciándose las perdidas de carga en este caso normalmente suele darse alas transiciones, ángulos de 01 /;<
3
!a pendiente en la sección del acueducto debe austarse lo mas posible a la pendiente del canal a fin de evitar cambios a la rasante de fondo del canal.
3
=ormalmente se aconsea dise'ar considerando un tirante en el acueducto al igual del canal
3
!a condición de fluo del acueducto debe ser subcritico
V.- CALCULO DEL DISEÑO HIDRÁULICO DE UN ACUEDUCTO: 1.- CARACTERÍSTICAS DEL CANAL PRINCIPAL: Hidráuli!": - > ?.?; m/@s A > 0.B0CDm 2 > D.E;EFm1 P > ?.C/;Dm & > ;.E0;Cm * > 0.0D/Em@s S > ;.;;;? n > ;.;0F
#$%&$'r(!: b > 0./?m G > 1.0?m H > 0.;;
).- TRA*O A DISEÑAR:
+.- CALCULO DEL ACUEDUCTO: /.0.3 +alculo de la sección del fluo en el acueducto: * > 0.;;m@s$ - > ?.?;m/@s 2 > - @ * 2 > ?.?; @ 0.;; > ?.?;m1 2 > bIy
b 6asumido7 > 1.; m
>
, )./&
/.1.3 +alculo del tipo de fluo en el acueducto: 3 caudal unitario 6q 7
q>-@b
q > ?.?; @1 > 1.F?m/@s@m 3 tirante critico 6Ac7 Ac >
/
Ac >
/
q1@g
1.11 @ C.E0 > ;.C0m
3 velocidad critica 6*c7
* > - @ 2c $ 2c > bIAc
*c > ?.?; @ 0.E1 > /.;11m@s si
Ac J An
y
*c K *n
tipo de 0lu% "u2ri'i%
/./.3 calculo de la longitud de transición: !t > 6(0 L (17 @ 1tg 01 /0< (0 > D.?EEEm $ (1 > 1.;m !t > 6D.?EEE L 1.;7 @ 1tg 01 /0< > ?.E/Cm
L' /.3+4&
3 nueva progresiva 6M%7 progresiva inicial > M% ;0 N /E; progresiva final > M% ;0 N D;; /.D.3 +alculo del dimensionamiento longitudinal del acueducto: 3
determinación de cotas:
+ota inicial > 1DB.F? en la progresiva M% ;0 N /E; +ota final asumida > 1DB.FDF en la progresiva Mm ;0 N /E?.E/C 6cota de inicio del acueducto7 /.?.3 2nálisis hidráulico. 3 segn Oernoulli
A0
0
A1
A/
1
/.B.3 Oalance de energ#a entre 0 y 1 80 > 81 N perdidas de carga 80 > +f0 N y0 N *01@1g 80 > 1DB.FDF N 0.B0C N
[email protected] 80 > 1DE.D// Perdida de carga > ;.1;I6*11 L *017@1g Pc > ;.1;I6*11 L ;.;;F7 81 > +f1 N y1 N *11@1g > 1DB.FDF N y1 N *11@1g &eemplazando en Oernoulli 1DE.D// > 1DB.FDF N y1 N *11@1g N ;.1;I6*11 L 0./;E/7 0.BCC/ > y1 N ;.DB1?@y11
/
AD
D
por tanteos: ,) 1.5+3& 21 > 0.1;I0.;/E > 0.1?m1 *1 > 0.?; @ 0.1? > 0.1;m@s
E) )+4./)1 /.F.3 4eterminación de la pendiente del acueducto 6S7 S > 6 *n@& 1@/ 71 S > 6 0.1;I;.;0B@;./E11@/ 71 > ;.;;0/ 21 >0.1? P1 > /.1FB &1 > ;./E1 S 5.551+ /.E.3 +ota de la plantilla en /: +f/ > +f1 L SI! +f/ > 1/E.D0 L ;.;;0/IFB C0+ )+3.+11 /.C.3 Oalance de energ#a entre 1 y /: 81 > 8/ N perdidas por fricción 81 > 1/C.?10 8/ > +f/ N y/ N */1@1g > 1/E./00 N y/ N */1@1g pf > ;.;;0/IFB > ;.;CEE 1/C.?10 > 1/E./00 N y/ N */1@1g N ;.;CEE 0.0001 > y/ N */1@1g resolviendo por tanteo 2/ > 0.1?m1 */ > 0.1;m@s 6+ 1.5+3&
E )+4./)1
0;.3 Oalance de energ#a entre / y D: 8/ > 8D N perdidas por transición de salida 8/ > 1/C.?10 8D > +fD N yD N *D1@1g +fD > 8D 3 yD 3 *D1@1g > 1/C.?10 L ;.;/B L ;.CEF C07 )+3.743 Perdida total Ptotal03D > 1/E./0 L 1/E.DCE > ;.;01 00.3 calculo de la cota de rasante de la siguiente progresiva: progresiva de salida M% ;/ NF;D hasta Mm ;/ NF1; e"iste 0Bm entonces la cota será de 1/E.DCE con una pendiente de S > ;.;;;?
VI.- CONCLUSIONES 6 RECO*ENDACIONES: CONCLUSIONES: 3 RECO*ENDACIONES: 3 VII.- BIBLIO#RA8ÍA:
VIII.- ANE9OS : Son los planos de perfil longitudinal y en planta
DISEÑO HIDRAULICO DE SI8ONES
I.- #ENERALIDADES:
+uando un canal debe cruzar una depresión ya sea una quebrada, r#o o un camino, etc, se proyecta un sifón invertido que puede ser de secciona circular, rectangular o cuadrada que trabaara a tubo lleno. 5n sifón consta de un conducto cuya longitud queda determinada por el perfil del terreno y dos transiciones de entrada y de salida, siendo generalmente de sección trapezoidal a rectangular en la cual se encuentran anclados los tubos. 8n el cruce de un canal con una salida quebrada, el sifón se proyecta para conducir el menor gasto y lo suficientemente profundo para no ser socavado, en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones. 5n sifón se constituye en un peligro, principalmente cuando esta cerca de centros poblados, siendo necesario el uso de reillas pero con la desventaa de que puedan obturarse las aberturas y causar remansos.
II.- OBJETIVOS: 3 4eterminar el dise'o hidráulico de un sifón invertido 3 5tilizar el criterio de dise'o para el calculo de un sifón invertido
III.- SI8ONES: 5n canal en su trayectoria alcanzará en algunos casos depresiones abruptas o zonas con problemas de estabilidad de suelos, que no podrán ser superados con estructuras elevadas 6acueductos7, sea por razones t9cnicas como económicas, por lo que podrá considerarse como variante una estructura que cruce el desnivel por medio de un conducto que se desplace por debao del accidente topográfico, lo cual dará lugar a la configuración de un sifón invertido. 8squema de un sifón invertido superficial.3 8l canal, por medio de los sifones, incorporará estructuras que trabaarán bao presión. !os sifones pueden ser construidos superficiales o enterrados. !as estructuras superficiales se emplazarán sobre el suelo, en trincheras, tneles o galer#as, los cuales permiten una meor accesibilidad. !as estructuras enterradas son más simples y normalmente de menor costo, ya que no cuentan con soportes, sin embargo la desventaa está asociada al mantenimiento, por cuanto su accesibilidad resulta más complicada. 8l sifón contará además de estructuras de entrada y de salida para lograr condiciones de transición hidráulicamente eficientes, por lo que su dise'o deberá lograr que el fluo se desarrolle en lo posible sin perturbaciones superficiales, choques bruscos contra las paredes y cambios de dirección pronunciados. !as estructuras de entrada y de salida contarán en ambos casos con reillas y elementos de cierre rápido, que permitirán el control de fluo y los trabaos de mantenimiento.
(ransiciones de entrada y salida .3 8l área de la sección transversal de un sifón viene determinado, de acuerdo a la ley de continuidad por el caudal de aducción y la velocidad de fluo. !a magnitud de la velocidad media en el conducto que conforma el sifón, puede variar entre 1 a D m@s, para velocidades menores a 1 m@s, es probable la presencia de procesos de sedimentación. Sin embargo la velocidad de fluo está asociada tambi9n al tipo de material del conducto$ Hurita considera los siguientes valores: 3 +onductos de fábrica 0.; a 0.? m@s 3 (ubos de hormigón 0.? a 1.? m@s 8n todos los casos se deberá incorporar elementos que permitan la limpieza periódica de los sedimentos que se acumulen en los sectores baos a consecuencia de las reducidas velocidades de fluo que se presenten durante la operación del sistema.
8l dise'o hidráulico de un sifón tiene como base el cálculo de las p9rdidas de carga, locales y por fricción en el conducto. 8ntre las p9rdidas locales se considerarán principalmente p9rdidas en la estructura de entrada, en los cambios de dirección o codos y en la estructura de salida. 8l cálculo se realizará para cada sección de conducto considerado hasta obtener niveles de p9rdidas que permitan por un lado el funcionamiento hidráulicamente eficientes del sifón y represente el menor costo posible
IV.- CRITERIOS DE DISEÑO: 3 !as dimensiones del todo se determinan ,satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencias de la entrada y salida. 3 8n aquellos sifones que cruzan caminos principales o de bao de drenes , se requiere un m#nimo de ;.C;m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o
canales de riego sin revestir, es suficiente ;;..B m si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente ;./; m de cobertura. 3 !a pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 1:0 y la pendiente m#nima del tubo horizontal debe ser ? @oo. Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con Q mayor o igual a /BR y para velocidades en el tubo mayores a 0 m@seg. 3 +on la finalidad de evitar desbordes de agua arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de dise'o, se recomienda aumentar en un?; ó ;./; m. como má"imo al borde libre del canal en una longitud m#nima de 0? m a partir de la estructura. 3 +on 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 usar una velocidad de 0 m/ @ seg en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 0.? m@seg., y entre / m @seg, a 1.? m@seg, en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada. 3 !as p9rdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo T+ubierta PartidaR, se pueden calcular rápidamente con los valores ;3D hv 3 2 fin de evitar remansos aguas arriba, las p9rdidas totales computadas se incrementan en 0;. 3 8n el dise'o de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón, est9 ligeramente debao de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de 2gua y en el dise'o se toma 0.? veces la carga de velocidad del sifón ó 0.0 como m#nimo o tambi9n /R. 3
8n la salida la sumergencia no debe e"ceder al valor Gte@B.
3 8n sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenae del tubo para su inspección y mantenimiento. 3 8n sifones largos bao ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere al fluo parcial o a fluo lleno con un coeficiente de fricción menor que el sumido en el dise'o, por estas razón se recomienda usar n > ;.;;E cuando se calculan las p9rdidas de energ#a. 3 +on la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podr#a acumularse. 3 +on respeto a las p9rdidas de cargas totales , se recomienda la condición de que 9stas sean iguales o menores a ;./; m. 3 +uando el sifón cruza debao de una quebrada, es necesario conocer el gasto má"imo de la creciente.
3 Se recomienda los anchos de corona de la (abla D./ en el cruce de sifones o alcantarillas segn el tipo de camino. (2O!2 :2=+GUS 48 +U&U=2S S8V= 8!! ()PU 48 +2%)=US +ruce con +aminos de 2ncho del +amino en la +orona de la (ipo 2lcantarilla o Sifón +ruce Simple +ruce con Sobre 2ncho *0 6/m7 D m ?.B. m *1 6Dm7 ?.?. m B.B m */ 6Bm7 ? E.; m m E.; m
V.- CALCULO DEL DISEÑO HIDRÁULICO DE UN SI8ON: 1.- CARACTERÍSTICAS DEL CANAL PRINCIPAL: Hidráuli!": - > 0.?; m/@s A > ;.CEFm 2 > 0.FBDm1 P > /.?C1m & > ;.DC0m * > ;.E?m@s S > ;.;;;? n > ;.;0B
#$%&$'r(!: O > /./;m b > ;.E;m G > 0.1?m H > 0.;; e > ;.;F?m
).- TRA*O A DISEÑAR: 8l tramo a dise'ar y ser calculado empieza de la progresiva M% ;/ N B1D hasta M% ;/ N F;;. la longitud de tramo será de FB.;;m
+.- CALCULO DEL SI8N INVERTIDO: /.0.3 Selección del diámetro del tubo: 2 > -@* 2 > π 4i1 @ D
VI.- CONCLUSIONES 6 RECO*ENDACIONES: CONCLUSIONES: 3 RECO*ENDACIONES: 3 VII.- BIBLIO#RA8ÍA:
VIII.- ANE9OS : Son los planos de perfil longitudinal y en planta
