INTRODUCCIÓN Para los roma man nos, que buscaban en la monumentalida idad de sus construcciones un cauce eficaz a su obstinada voluntad de imposición de poder, fue el acueducto uno de sus logros más perfectos. Se impone imponen n al espect espectado adorr por sus tres tres dimens dimension iones: es: altura fuera de la esca escala la huma humana na,, longi longitu tud d que que lleg llega a a ser ser verda verdader deram ament ente e co colo losa sall en alineaciones 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 ejemplo, en Segovia. La experiencia adquirida no se acumulaba en libros, ni se abstraía en cálc cá lculo uloss co compl mplic icad ados os,, sino sino que que apar aparec ecía ía rotu rotund nda a en los los ejemp ejempla lares res conservados. Por el simple hecho de seguir en servicio demostrando su eficacia, es decir, su adecuación a todas las funciones que tenían que cumplir, entre ellas la de transportar agua, función bastante sencilla, y otra más compleja la de resistir las acciones que están a la destructiva; pero incluso las ruinas eran lección elocuente del comportamiento de las obras. Los asentamientos humanos deben estar siempre situados cerca de una fuente de agua limpia, ya sea un río o un manantial. Mientras Roma no fue más que un pequeño estado dentro del Lacio, su fuente fue el río Tíbet, Tíbet, pero a finales del siglo IV a.C., cuando cuando los romanos luch luchab aban an en la Segu Segund nda a Guer Guerra ra Samn Samnit ita, a, se enco encont ntra raro ron n co con n que que nece necesi sita taba ban n urgen urgente temen mente te un sumi suminis nistr tro o alte altern rnat ativo ivo.. Quizá Quizá esto esto se debiera a que el agua del Tíbet ya no era suficiente para una población cada vez más grande, o quizá a que existía el peligro de que el enemigo envenenara envenenara su única fuente, pero lo cierto es que a consecuenc consecuencia ia de ello, en el año año 312 312 a.C. a.C.,, los los roma romano noss em empe peza zaro ron n a co cons nstr trui uirr su prim primer er acueducto, el Aqua Appia.
DISEÑO HIDRÁULICO DE OBRAS DE ARTE
GENERALIDADES Cabe seña Cabe señala larr que que en el dise diseño ño de las las obra obrass de arte arte,, la info inform rmac ació ión n topográfica se constituye en un elemento de capital importancia, para lo cual se recomienda efectuar los levantamientos con plancheta a escala 1:100 o 1:200, dependiendo la escala de las dimensiones de la obra . Las hojas de plancheta deben ser dibujadas en, papel canson, con curvas de nivel cada 0.5 m. con sus respectivos puntos de relleno, evitando cometer error de eliminarlos en el dibujo final, posteriormente sobre una copia co pia ozal ozalid id del dibu dibujo jo final final,, se proc procede ede a dibu dibuja jarr la obra obra proy proyec ecta tada da obte obteni nién éndo dose se de este este mo modo do una una rea reall apro aproxim ximac ació ión n del del me metr trad ado o del del movimiento de tierra.
OBRAS COMPLEMENTARIAS Se ha convenido en llamarlas así, a todas aquellas obras que forman parte integrante integrante de otras más grandes y por lo tanto constanteme constantemente nte su diseño se repite, por ejemplo: en caídas, alcantarillas, sifones, etc.
4.1.- DISEÑO HIDRÁULICO DE TRANSICIONES Estas estructuras se construyen muy frecuentemente al comienzo y al final de ciertas obras, tales como alcantarillas, caídas, sifones, tomas, etc. El objetivo de estas obras, es reducir las pérdidas de carga, debidas al cambio de la sección del canal o de la pendiente del mismo. Las perdidas de carga en las transiciones, dependen del ángulo que .forman los aleros de la transición transición con con el eje del canal, canal, si Bureau Of Reclamation , recomienda un ángulo de 12° 30' " en aquellas estructuras donde las pérdidas deben reducir reducirse se al mínimo mínimo y 250 cuando se puede carga, tales como caídas, rápidas, sifones, etc. Cuando se toma el -ángulo 12° 30’; a veces resultan transiciones muy largas con el consecuente desmedro económico, por lo tanto se debe saber sopesar estas dificultades. El coeficiente de pérdidas se puede calcular
analíticament analíticamente, e, ya que para cada cada ángulo corresponde corresponde un coeficient coeficiente e de pérdi pérdida da,, dist distint into, o, para para cá cálc lcul ulos os rápi rápido doss se pued puede e util utiliz izar ar las las tabl tablas as y gráficos.
4.2.- Desarrollo de problemas aplicados Por un canal de sección rectangular, fluye un caudal de 6.5 m 3/seg. Pasando por una sección de ancho 3 m. a otra de 5 m en forma gradual sin que el fondo varíe de cota, el tirante en la sección de 5 m es 1.20 y en la de 3 m es 1.045; se pide calcular: a) El ángulo apropiado-que debe tener el -eje del canal con los aleros de la transición, según el U.S.B.R. b) La pérdida de la energía en la transición según la Ecuación de BORDACARNOT.
Solución a) El ángulo apropiado será: Tgα/2 = 1 . 3F Se calcula el Nº de Fronde en cada sección y se obtiene el promedio V1 =
6.5 . 3 x 1.045
F1 =
2.073
= 2.073 .
; V2 =
= 2.073
6.5 5 x 1.2 ; F2 =
9.81 x1.045
.
= 1.083
1.083
.
= 0.316
9.81 x 1.2
F( promedio) = 0.4815 Tgα/2 = 1 . =0.6923 3 x 0.4815 0 se toma: α/2 = 34 47’ por medidas prácticas se α/2 =35°
b) La pérdida de carga se calcula según la Ec.-General; Peg = ρ(A2/A1-1)2 V22 /2g = ρ(A2 -A1)2/2g Y según gráfico 2.18.a., para α = 70° y asumiendo, más o menos la trayectoria para l2/l1, se obtiene: Ρ=1 Peg = 1.1 (6/3.135- 1) 2 x1.0832/19.62 = 1.1(2.073-1.083)2/19.62 Peg = 0.055 m. Estas pérdidas se pueden reducir, si tomamos un valor menor de α/2. 4.3.- DISEÑO HIDRÁULICO DE ALIVIADEROS LATERALES
4.3.1 Generalidades Estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que que podr podría ían n ca caus usar ar seri serios os daño daños, s, por por lo tant tanto, o, su ubic ubicac ació ión n se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro. Los caudales 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 obra obrass adic adicio iona nale les, s, aunq aunque ue esto esto ulti ultimo mo depe depend nde e siem siempr pre e de la conjugación de diferentes aspectos locales (topografía, ubicación del vertedero, etc.)
4.4.- Criterios de Diseño 1.- 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. 2.- 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. 3.- La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn. 4.- Para Para dimensi dimensiona onarr el verteder vertedero o existen existen gran varieda variedad d de fórmula fórmulas, s, a continuación se describe la fórmula de Forchheiner citada por el SIMAMOS: Q = ύ2µ
2g Lh3/2
3 Donde: ύ= 0.95
µ = coeficiente de contracción L = longitud del vertedero h = carga promedio por encima de la cresta. El flujo del canal, deberá ser siempre subcrítico, entonces: h2 > h1 h = h1+h2 2 h1= 0.8 h2 h = 0.9 h2. La fórmula da buena aproximación cuando se cumple: V1 ≤ g Y1
0.75
h 2 - h1 ≤ Y2- Yn 5.-Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar diferentes valores µ según la forma que adopte la cresta.
FORMA
µ
a) Anchos de cantos rectangulares b)
Ancho de cantos redondeados
c) Afilado con aeración necesaria d)
En forma de techo con corona redondeada
0.49-0.51 0.50-0.65 0.64 0.79
6.- El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se está eliminando por la venta ventana na o esco escota tadu dura ra del del ca cana nal, l, cruz cruza a un ca cami mino no,, frec frecuen uente teme ment nte e 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. 7.- Los aliviaderos aliviaderos laterales pueden descargar descargar a través de un vertedero con colchón al pie (desniveles pequeños) o mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes).
4.5.- Desarrollo de problemas aplicados Un canal trapezoidal de rugosidad 0,014 con taludes 1:1 plantilla 1m y pendiente 1 0/00 recibe en épocas de crecidas un caudal de 9 m 3/seg., el canal ha sido construido para 4 m 3/seg. pero puede admitir un caudal de 6 m 3/seg. Calcular la longitud del aliviadero par eliminar el exceso de agua.
Solución 1) Cálculo de los Tirantes
Ymáx=1.71m Yn=1.17m Y2=1.42m 2) Cálculo de."h''.
h2 =0.25m.h1= 0.8*h2=0.2m. h =0.2+0.25 = 0.225 m. 2 3) Caudal a evacuar Q = 3 m 3/ seg.
4) Cálculo de L Para µ= 0.5 y aplicando Ec, 4.21 L= 3Q 2 x ύ x µ 2g xh3/2 L = 20 m. 4.06.4.07.-
.
DISEÑO HIDRÁULICO DE SIFONES. GENERALIDADES Cuando un canal debe cruzar una depresión ya sea una quebrada, río o un camino, etc, se proyecta un sifón invertido que puede ser de secciona circular, rectangular o cuadrada que trabajara a tubo lleno.
Un sifón consta de un conducto cuya longitud queda determinada por el perf perfil il del terr terreno eno y dos dos tran transi sici cion ones es de entra entrada da y de salid salida, a, sien siendo do gene genera ralm lmen ente te de secc secció ión n trap trapez ezoi oida dall a rect rectan angu gula larr en la cual cual se encuentran anclados los tubos. En el cruce de un canal con una salida quebrada, el sifón se proyecta para cond co nduc ucir ir el me meno norr gast gasto o y lo sufic suficie ient nteme ement nte e prof profun undo do para para no ser ser socavado, en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones. Un sifón se constituye en un peligro, principalmente cuando esta cerca de centros poblados, siendo necesario el uso de rejillas rejill as pero con la desventaja de que puedan obturarse las aberturas y causar remansos. Un ca cana nall en su tray trayec ecto toria ria alca alcanz nzar ará á en algu alguno noss ca caso soss depr depres esio iones nes abruptas o zonas con problemas de estabilidad de suelos, que no podrán ser supera superados dos con estruc estructur turas as ele elevad vadas as (acuedu (acueducto ctos), s), sea por razone razoness técnicas como económicas, por lo que podrá considerarse como variante una estructura que cruce el desnivel por medio de un conducto que se desplace por debajo del accidente topográfico, lo cual dará lugar a la configuración de un sifón invertido.
•
Esquema de un sifón invertido superficial. superficial. El ca cana nal, l, por por me medi dio o de los los sifo sifone nes, s, inco incorp rpor orar ará á estr estruc uctu tura rass que que trabajarán bajo presión.
Los sifon Los sifones es pued pueden en ser ser co cons nstr trui uido doss supe superfi rfici ciale aless o enterr enterrad ados os.. La Lass estruc estructur turas as superfi superficia ciales les se emplaz emplazará arán n sobre sobre el suelo, suelo, en trinch trinchera eras, s, túne túneles les o galer galería ías, s, los cual cuales es perm permit iten en una una me mejor jor ac acce cesi sibil bilida idad. d. La Lass estructuras enterradas son más simples y normalmente de menor costo, ya que no cuentan con soportes, sin embargo la desventaja está asociada al mantenimiento, por cuanto su accesibilidad resulta más complicada. El sifón contará además de estructura estructurass de entrada y de salida para lograr lograr condiciones de transición hidráulicamente eficientes, por lo que su diseño deberá lograr que el flujo se desarrolle en lo posible sin perturbaciones superficiales, choques bruscos contra las paredes y cambios de dirección pronunciados. Las estructuras de entrada y de salida contarán en ambos casos con rejillas y elementos de cierre rápido, que permitirán el control de flujo y los trabajos de mantenimiento.
• Transiciones de entrada y salida El área área de la secc secció ión n tran transv svers ersal al de un sifón sifón viene viene dete determ rmina inada da,, de acuerdo a la ley de continuidad por el caudal de aducción y la velocidad de flujo. La magnitud de la velocidad media en el conducto que conforma el sifón, puede puede variar entre 2 a 4 m/s, para velocidades velocidades menores a 2 m/s, es probab probable le la presenc presencia ia de proces procesos os de sedimen sedimentac tación ión.. Sin embarg embargo o la velocidad velocidad de flujo está asociada también también al tipo de material del conducto; conducto; Zurita considera los siguientes valores: - Conductos de fábrica 1.0 a 1.5 m/s - Tubos de hormigón 1.5 a 2.5 m/s En todo todoss los los ca caso soss se debe deberá rá inco incorpo rpora rarr ele eleme ment ntos os que que perm permita itan n la limpieza periódica de los sedimentos que se acumulen en los sectores bajo bajoss a co cons nsec ecue uenc ncia ia de las las redu reduci cida dass velo veloci cida dade dess de fluj flujo o que que se presenten durante la operación del sistema.
El diseño hidráulico de un sifón tiene como base el cálculo de las pérdidas de carga, locales y por fricción en el conducto. Entre las pérdidas locales se considerarán principalmente pérdidas en la estructura de entrada, en los cambios de dirección o codos y en la estructura de salida. El cálculo se realizará para cada sección de conducto considerado hasta obtener niveles de pérdidas que permitan por un lado el funcionamiento hidráulicamente eficientes del sifón y represente el menor costo posible.
CRITERIOS DE DISEÑO: Las dimensiones del todo se determinan, satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencias de la entrada y salida. En aquellos sifones que cruzan caminos principales o de bajo de drenes, se requier requiere e un mínimo de 0.90m 0.90m de cobertura cobertura y cuando cuando cruzan cruzan camino caminoss parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.06 m si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 0.30 m de cobertura.
4.08.-
La pend pendie ient nte e de los los tubo tuboss dobl doblad ados os,, no debe debe ser ser ma mayo yorr a 2:1 2:1 y la pendiente pendiente mínima del tubo tubo horizontal horizontal debe ser 5 °/oo. °/oo. Se recomiend recomienda a transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales principales en sifones sifones con Þ mayor o igual a 36” y para velocidades velocidades en el tubo mayores a 1 m/seg. Con la finalidad finalidad de evitar evitar desbordes desbordes de agua arriba del del sifón debido debido a la ocurrencia ocurrencia fortuita fortuita de de caudales caudales mayores mayores al al de diseño, diseño, se se recomienda recomienda aumentar aumentar en un50% ó 0.30 m. como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15 m a partir de la estructura. Con Co n la la fin final alid idad ad de dete determ rmin inar ar el diám diámet etro ro del del tubo tubo en sifo sifone ness relativamente cortos con transiciones de tierra, tanto a la entrada como a la salida salida,, se puede puede usar una una velocid velocidad ad de 1 m 3 / seg. en sifones sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/seg., y entre entre 3 m /seg. /seg.,, a 2.5 m/se m/seg., g., en sifon sifones es largos largos con con trans transici icione oness de concreto con o sin control en la entrada. Las pérdidas pérdidas de carga por entrada entrada y salida para las transiciones transiciones tipo “Cubierta “Cubierta Partida”, Partida”, se pueden calcular calcular rápidament rápidamente e co con n los valores 0-4 hv. hv. A fin de evit evitar ar rema remans nsos os agua aguass arri arriba ba,, las pér pérdi dida dass total totales es computadas se incrementan en 10%. En el dise diseño ño de la transi transició ción n de entra entrada da se recom recomiend ienda a que la la parte parte superior de la abertura del sifón, sifón, esté esté ligeramente debajo de de la superficie normal normal del agua, esta profundidad profundidad de sumergen sumergencia cia es conocida conocida como como sello de Agua Agua y en el diseño se toma toma 1.5 veces la carga carga de velocidad velocidad del sifón ó 1.1 como mínimo o también 3”. En la salida salida la sumergencia sumergencia no debe exceder al valor Hte/6. En sifones sifones relativamente relativamente largos, largos, se proyectan proyectan estructuras estructuras de alivio para permitir permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento. En sifones largos bajo ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere al flujo parcial o a flujo lleno con un coeficiente de fric fricci ción ón menor menor que que el el sum sumid ido o en en el dise diseño ño,, por por esta estass raz razón ón se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculan las pérdidas de energía. * Con Con la finalidad finalidad de evitar la cavitac cavitación ión a veces veces se ubica ventanas ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse. * Co Con n resp respeto eto a las las pérd pérdid idas as de ca carg rgas as tota totales les,, se recom recomien ienda da la condición de que éstas sean iguales o menores a 0.30 m. * Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la creciente. * Se recomienda recomienda los anchos anchos de corona corona de la Tabla 4.3 en el cruce de sifones o alcantarillas según el tipo de camino.
Tabla: Anchos de coronas según el tipo de camino Cruce con Caminos de Tipo
Ancho del Camino en la Corona de la Alcantarilla o Sifón Cruc Cruce e Simp Simple le Cruce Cruce co con n Sobr Sobre e Ancho
V1 (3m) V2 (4m)V3 (6m)
4 m 5.50 m
4.6. 6.6 m
5.80 m
8.0 m
m
4.9.- CÁLCULO DEL DISEÑO HIDRÁULICO DE UN SIFÓN: KM 3+600
18.00
KM 3+706
4.00
9.06
62.00
9.06
4.00
10.50
1.- Características Del Canal Principal: Hidráulicas: Geometría: Q = 1.50 m3/s B = 3.30m Y = 0.987m b = 0.80m A = 1.764m2 H = 1.25m P = 3.592m Z = 1.00 R = 0.491m e = 0.075m V = 0.85m/s S = 0.0005 n = 0.016 2.- Tramo A Diseñar: El tramo a diseñar diseñar y ser calculado calculado empieza empieza de la progresiva progresiva KM 03 + 624 hasta KM 03 + 700. la longitud de tramo será de 76.00m 76.00m PASO 1: DIMENSIONAMIENTO DE LA SECCION DEL SIFÓN Asumimos velocidad de 2 m/s A=Q/V=1.5/2=0.75 m2 Luego: L2 =0.75 , L= 0.85 m CALCULO DEL NUEVO AREA A = 0.852 = 0.723 m2 VELOCIDAD DE DISEÑO (Vel. Sifón) V =1.5/0.723 = 2.07 m/s , V2/(2g) = 2.072 = 0.218 2*9.81
PASO 2: CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICION T1 = b +2YZ , 0.8+2*0.987*1 = 2.774 m T2 = 0.85 L T = 2.774 –0.85 = 4.34 m 2*Tag(120 30´) Tomamos : L T =4.00 m. PASO 3: DETERMINACION DEL PUNTO DE INICIO - Km. 3+618 - Km. 3+706
• De la topografía del terreno optamos por un α = 250 PASO 4: CALCULO DE LA COTA EN (1) Del plano topográfico del Km 3 +600 tenemos la cota 236.95 m.s.n.m Luego: Cota en (1) = 236.95 –0.0005*18 = 236.941 m.s.n.m PASO 5: COTA DE FONDO EN (2) 237.928 1.5 hv 0.987 236.941 HTE
25°
1.5hV = 1.5 ( V2D - V2C )
,
1.5 ( 2.072 – 0.852 )
2g the = L Cos 250
= 0.27
2*9.81 =
0.85 = Cos 250
0.937
COTA (2) = 237.928 – 0.27 –0.937 = 236.711 m.s.n.m. PASO 6:
COTA EN (3) H = L*Sen 250 H = 10*Sen 250 = 4.23 m. COTA EN (3) = COTA (2) - H = m.s.n.m
236.711 – 4.23 = 236.481
PASO 7:
COTA EN (4) COTA (4) = COTA (3) – 0.005*L L =61m. COTA (4) = 232.481 – 0.005*61 = 232.171 m.s.n.m. PASO 8: COTA DE FONDO EN (5) H = 10*Sen 250 = 4.23 m. COTA (5) = COTA (4) + H = 232.171+4.23 = 236.401 m.s.n.m PASO 9: DETERMINACIÓN DE P. DE SALIDA
236.401
P
PE : < 3/4*L = 3/4*(0.85) = 0.64 PS : < 1/2*L = 1/2*(0.85) = 0.43 COTA (6) = COTA (5) + PS = 236.401+0.43 = 236.831 m.s.n.m PASO 10: INCLINACIÓN DE LOS TUBOS DOBLADOS A la entrada:
9.10
= 2.15
4.23 2.15: 1 es mas plano que
2:1 ----
OK
A la salida: IDEN PASO 11:
CARGA HIDRÁULICA DISPONIBLE A la entrada: Cota (5)+ Tirante: 236.941+0.987 = 237.928 m.s.n.m. A la salida : Cota (6)+ Tirante: 236.831+ 0.987 = 237.818 m.s.n.m CARGA DISPONIBLE = 0.110
PASO 12:
CALCULO DE LAS PERDIDAS DE GARGA A la entrada: hff = f*R*V2D L 2g
Donde : f = 0.025 R = 82 L = 0.85
hff = 0.025 *82 * 0218 = 0525 0.85
PERDIDA DE CARGA POR CODOS hfc = 2* [ 0.25√(25° )*2.072] = 0.057 90°
PERDIDA TOTAL hFt = 1.10 ( 0.072+0.108+0.525+0.057) = 0838 PASO 13:
PERDIDA DE CARGA HIDRÁULICA DISPONIBLE PCHD= CARGA DISPONIBLE – PERDIDAD TOTAL PCHD = 0.110 – 0.838 = - 0. 728 ⇒ Lo que significa que el diseño no funcionara ya que tendrá problemas hidráulicos. debido do a los los prob proble lema mass hidr hidráu áuli lico coss que que pres presen enta ta el dis diseño eño NOTA: debi ocasionados por las perdidas de carga, se opta por variar la cota 6 lo cual conlleva a modificar las cotas de la razante aguas debajo del sifón. CONDICIÓN: CARAGA DISPONIBLE > PERDIDA TOTAL COTA 6 ≤ COTA 1 – PERDIDA TOTAL COTA 6 ≤ 236.941 – 0.838 COTA 6 ≤ 236.103 m.s.n.m. Optamos por : Cota 6 = 236.098 NUEVA CARGA HIDRÁULICA DISPONIBLE A LA ENTRADA = 237.928 A LA SALIDA = 236.098 + 0.987 = 237.085 CARGA DISPONIBLE = 837.98 – 237.085 = 0.895
NUEVA PERIDAD DE CARGA DISPONIBLE
PCHD = 0.895 – 0.838 = 0.057 La pérdida de carga disponible es mayor que cero lo que significa que no habrá problemas hidráulicos. PASO 14
CALCULO DE LA SUMERGENCÍA A LA SALIDA ALTURA DE SUMERGENCÍA = ( 0.897 + ( cota 1 – cota 2)) - H tE = 0.897 + ( 236.941 – 236.711) – 0.937 = 0.19 ALTURA DISPONBLE: HtE = 0.937 = 0.156 ⇒ no cumple 6 6 PASO 15 LONGITUD DE PROTECCIÓN CON ENROCADO LP = 3 L = 3 * 0.85 = 2.55 ≈ 2.50 mt. a) SELECCI SELECCIÓN ÓN DEL DEL DIAMET DIAMETRO RO DEL TUBO TUBO Asumimos una velocidad de 1.5 m/seg A = Q/V = 150 m 3 /seg. / 1.50m/seg. A = 1.00 m2 Luego: D = √ 4 A/ D = √ 4 *1/ D =1.128m D =44” diámetro comercial comercial D = 48” CALCULO DE LA VELOCIDAD DEL SIFÓN (velocidad de diseño) V = Q/A = 150 m 3 /seg. / (Π*1.21922/4) V = 1.28 m/seg. b) CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICION
T1 = b +2*y*z T1 = 0.8+2*0.987*1 T1 = 2.774 m T2 = 1.2192 LT =
T2 – T1 2* Tg 25°
.
LT = 2.774 -1.2192 2 * tg (25°) LT = 1.67 m
Por condición Lt ≥ 4*D Lt = 4*1.2192 Lt = 4.88 m Optamos por :
LT = 5.00 m /2
= arctg (2.774-1.2192)/2*50 = 8° 50’ /2 = 8° 50’
i. NIVE NIVEL L DE LA COTA COTA EN 1 Según la fiura del Km 3 +600 al punto 1 hay 17.0 m Cota 1 = 236.95 -0.0005*17 = 236.94 msnm
ii. ii. COTA COTA DE FOND FONDO O EN EN 2
1.5hv = 1.5 ( V22 – V12)/2g 1.5hv = 1.5 ( 1.28 2 – 0.852)/19.6 hv = 0.07 m Hd = D/cos 20° Hd = 1.2192/cos 20° Hd = 1.297 Luego: Cota 2 = 237.927 -0.07 -1.297 Cota 2 = 236.56 msnm
iii. iii. COTA COTA DE FOND FONDO O EN EN 3 H = 236.56 – (234.21 -0.9-1.2192) =4.47m Cota 3 = cota 2 –H Cota 3 = 236.56 -4.47 = 232.09 msnm iv. iv. COTA COTA DE FOND FONDO O EN EN 4 Cota 4 = cota 3 – L *0.005 Cota 4 = 232.09 -58*0.005 = 231.80 msnm v. COTA COTA DE FOND FONDO O EN EN 5
=20° sen 20° = h/14 h = 4.78
cota 5 = 231.80 – 4.78 = 236.58 msnm
vi. vi. CALCUL CALCULO O DEL DEL VALOR VALOR P EN LA SALI SALIDA DA
Pe
≤
3D/4
Pe =3 * 1.2192/4 Pe = 0.9144 m Ps
≤
D/2
Ps = 1.21.92/2 Ps = 0.6096 m Por otro lado: Cota 6 = 236.89 + 0.005*10.50 Cota 6 = 236.895 msnm P= cota 6 –cota 5 P = 236.95 – 236.58 = 0.345 P < Ps ok!!
vii. vii. INCLIN INCLINACI ACION ON DE LOS TUBO TUBOS S DOBLA DOBLADOS DOS A la entrada 12.28/4.47 = 2.75 2.75: 1 es más plano que 2:1 OK A la salida 12.22/4.48 = 2.56 2.56: 1 es más plano que 2:1 OK
viii. viii. CARGA CARGA HIDR HIDRAUL AULICA ICA DISPON DISPONIBL IBLE E A la entrada cota 1 + tirante = 236.94 + 0.987 0.987 =237.927 A la salida cota 6 + tirante = 23.895 +0.987 = 237.882 Carga disponible = 0.045
ix. CALCUL CALCULO O DE LAS LAS CARG CARGAS AS DISP DISPONI ONIBLE BLES S
A la entrada entrada
hf = 0.4 ( Vs 2 – Vc2)/2g hv = 0.4 ( 1.282 – 0.852)/19.6 hv = 0.018 m
A la salida
hf = 0.65 ( Vs 2 – Vc2)/2g hv = 0.65 ( 1.282 – 0.852)/19.6 hv = 0.030 m Pérdida de carga por fricción
f L*V12/(D*2*g) = 0.145 f = 0.025 L = 85 m D = 1.2192
Pérdida de carga por codos
Pcd = 2* (0.25*√(20°/90°) * 1.28 2/2*9.81) =0.019 Perdida total = 1.10 (0.018+0.030+0.145 +0.019) = 0.233 Pérdida de carga hidráulica disponible:
Pchd = 0.045 – 0.233 = -0.188 Lo que significa que el diseño tendrá problemas hidráulicos.
NOTA: en visto de ello se opto por variar la cota 6, para tener mas carga disponible; lo cual conlleva a variar las cotas de la rasante del canal aguas abajo del sifón. Carga disponible > perdida total: Cota 1 + tirante – (cota 6 + tirante) > 0.233 Cota 1– cota 6 > 0.233 Como la cota 1 se mantiene constante: Cota 1 – 0.2333 = cota 6 236.94 – 0.233 = cota 6 Cota 6 = 236.707 obtenemos por Cota 6 = 236.610 para mayor seguridad en el funcionamiento
Nueva Carga Hidráulica Disponible a la entrada = 237.927 a la salida = 236.610 +0.987 = 237.597 carga disponible = 237.927 – 237.597 = 0.33 Pérdida de carga hidráulica disponible: Pchd = 0.33-0.233 = 0.097 > 0 ok Lo que significa que no habrá problema hidráulico
x. CALCUL CALCULO O DE LA LA SUMERG SUMERGENC ENCIA IA A LA LA SALID SALIDA A Altura de sumergencia = (0.987 +(cota 1 – cota 2) –HD) Altura de sumergencia = (0.987 +(0.38) –1.297) = 0.07 Altura permisible HD/6 = 1.297/6 = 0.216 m Altura de de sumergencia < HD/6 OK
xi. LONGIT LONGITUD UD DE PROT PROTEC ECCIO CION N CON ENROC ENROCAD ADO O Lp = 3D = 9* 12192 = 3.65 = 3.70 m 237.927 237.597
236.94 236.61
236.10
232.09
5.0
12.28
4.10.-
231.80
5.80
12.22
5.0
DISEÑO HIDRÁULICO DE ACUEDUCTOS GENERALIDADES Vienen a ser la misma obra de arte, son generalmente proyectadas en el cruce de canales o cruce de canales con quebradas y pueden ser aéreos o enterrados enterrados cuando cuando el cruce cruce es por encima o por debajo de de la quebrada quebrada o del otro canal, su diseño hidráulico se asemeja al de una alcantarilla que fluye a pelo libre. A veces se proyecta con una tapa en la parte superior superior y en este caso sirve también como pasarela o losa peatonal.
4.11.-
Los ac Los acue uedu duct ctos os son son obra obrass de arte arte que que tien tiene e la func funció ión n de supe supera rarr depresiones depresiones que se encuentren en el terreno, terreno, formados normalmente por quebradas, ríos y cárcavas originadas por la erosión. Un acueducto, es virtualmente un puente que sostiene un canal de corta longitud, el cual contiene agua en movimiento. Desde el punto de vista de la estructura civil, los acueductos pueden ser de dos tipos: Acueducto sobre una estructura de soporte (puente), y canal cuyas paredes y base forman parte estructural del puente. Los materia materiales les de constr construcc ucción ión de los acuedu acueducto ctoss depend dependerán erán de las condiciones de estabilidad, definida normalmente por las dimensiones del
canal y la longitud del acueducto, así como del análisis económico de las variantes consideradas. El acueducto servirá entonces para vencer algún accidente topográfico y acortar la longitud del canal en el tramo considerado. Este puente-canal servirá así mismo para el paso de peatones, por lo que se deberá prever en la estructura estas formas de utilización. Eventualmente se dispondrá para el uso peatonal una cubierta superior o veredas laterales.
import rtan ante te co cons nsid idera erarr tamb tambié ién n las las Esquem Esquemas as un acuedu acueducto cto..- Es impo necesi necesidad dades es de manten mantenimi imient ento o del acuedu acueducto cto,, incorp incorpora orando ndo obras obras de limpieza y evacuación, como compuertas, que permitan aislar y desviar las aguas en una sección anterior al puente, principalmente en situaciones de emergen emergencia cia.. Por lo tanto, tanto, algunas algunas obras obras de limpiez limpieza a del canal podrán podrán coincidir con las secciones indicadas.
Entre e las las tran transi sici cion ones es que que co con n ma mayo yorr frec frecue uenc ncia ia se Transiciones.- Entr presentan presentan en canales de montaña se pueden mencionar a las caídas caídas y las rápidas. Estas estructuras pueden utilizarse en los casos de desniveles originados por las caract caracterís erístic ticas as topogr topográfic áficas. as. De igual igual modo modo las transi transicio ciones nes se aplican en entradas o salidas de estructuras específicas de un sistema hidráulico y alcantarillas en carreteras. Algunos tipos de transiciones:
4.12.- Criterios de diseño: 1.- Estas obras constan de transición de entrada y transición de salida, siendo siempre rectangular la sección de la canoa. 2.- La energía de la canoa debe ser en lo posible igual a la energía del canal, para lo cual se trata de dar velocidad en la canoa igual a la del canal, despr desprec eciá iánd ndos ose e las las pérd pérdid idas as de ca carg rga a en este este ca caso so,, norma normalme lment nte e suele suele dársele a las transiciones, ángulos de 12°30’. 3.- La pendiente en la sección de la canoa, debe ajustarse lo más posible a la pendiente del canal a fin de evitar cambios en la rasante de fondo del mismo. 4.- Normalmente se aconseja diseñar considerando un tirante en la canoa igual al del canal, si el caso lo permite. 5.- La condición de flujo en la canoa debe ser subcrítico. DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS: (Calculo Del Diseño 4.13.Hidráulico De Un Acueducto: 1.-Características 1.-Características Del Canal Principal:
Hidráulicas: Geometría: Q = 1.50 m3/s B = 3.30m Y = 0.987m b = 0.80m A = 1.764m2 H = 1.25m P = 3.592m Z = 1.00 R = 0.491m e = 0.075m V = 0.85m/s S = 0.0005 n = 0.016 2.- Tramo A Diseñar: El tramo a diseñar diseñar y ser calculado calculado empieza empieza de la progresiva progresiva KM 03 + 624 hasta KM 03 + 700. la longitud de tramo será de 76.00m. 76.00m. 3.- Cálculo Del Acueducto: 3.1.- Cálculo de la sección del flujo en el acueducto: V = 1.00m/s; Q = 1.50m 3/s A = Q / V A = 1.50 / 1.00 = 1.50m2 A = b*y b (asumido) = 1.20m = y = 1.25m 3.2.- Cálculo del tipo de flujo en el acueducto:
-Caudal unitario (q): q=Q/b q = 1.50 /1.20 = 1.25m 3/s/m -Tirante critico (Yc) Yc = Yc = 3 1.252 / 9.8 = 0.54m
3
q2/g
-Velocidad critica (Vc) V = Q / Ac V = 1.50 / 0.65 = 2.31m/s
;
Ac = b*Yc
Si Yc < Yn y Vc > Vn subcrítico 3.3.- Cálculo De La Longitud De Transición: Lt = (T1 – T2) / 2tg 12° 31’ T1 = 2.77m ; T2 = 1.20m Lt = (2.77 – 1.20) / 2tg 2tg 12° 31’ = 3.54m -Nueva progresiva (KM)
tipo de flujo
Lt = 4.00m
Progresiva inicial = KM 03 + 620 Pogresiva final = KM 03 + 704
3.4.- Cálculo del dimensionamiento dimensionamiento longitudinal del Acueducto : Determinación de cotas: Cota inicial = 238.51 en la progresiva KM 03 + 620 Cota final asumida = 238.41 en la progresiva Km. 03 + 624 (cota de inicio del acueducto). 3.5.- Análisis Hidráulico Según Bernoulli
Y1
Y2
1
2
3.6.- Balance De Energía Entre 1 Y 2 E1 = E2 + perdidas de carga E1 = Cf1 + y1 + V1 2/2g E1 = 238.51 + 0.987 + 0.85 2/19.6 E1 = 239.53 Perdida de carga = 0.20*(V22 – V12)/2g Pc = 0.20*(V22 – 0.007) E2 = Cf2 + y2 + V2 2/2g = 238.41 + y2 + V22/2g Reemplazando en Bernoulli 239.93 = 238.41 + y2 + V22/2g + 0.20*(V22 – 0.007) 1.127 = y2 + 1.502/1.2*y22*19.6 Por tanteos:
Y3 Y4 3
4
y2 = 1.038m A2 = 1.20*1.038 = 1.25m2 V2 = 1.50 / 1.25 = 1.20m/s E2 = 239.521 3.7.- Determinación de la pendiente del acueducto (S) S = (Vn/R2/3 )2 S = (1.20*0.016/0.382 2/3)2 = 0.0013 A2 =1.25 P2 = 3.276 R2 = 0.382 S = 0.0013 3.8.- Cota de la plantilla en 3: Cf3 = Cf2 – S*L Cf3 = 238.41 – 0.0013*76 Cf3 = 238.311
3.9.- Balance de energía entre 2 y 3: E2 = E3 + perdidas por fricción E2 = 239.521 E3 = Cf3 + y3 + V3 2/2g E3 = 238.311 + y3 + V3 2/2g pf = 0.0013*76 = 0.0988 239.521 = 238.311 + y3 + V32/2g + 0.0988 1.1112 = y3 + V3 2/2g Resolviendo por tanteo A3 = 1.25m2 V3 = 1.20m/s
Y3 = 1.038m E = 239.521 3.10.- Balance de energía entre 3 Y 4: E3 = E4 + perdidas por transición de salida E3 = 239.521 E4 = Cf4 + y4 + V4 2/2g Cf4 = E4 - y4 - V4 2/2g
= 239.521 – 0.036 – 0.987
Cf4 = 238.498 Perdida total Ptotal1-4 = 238.31 – 238.498 = 0.012 3.11.- Cálculo de la cota de rasante de la siguiente progresiva: Progresiva de salida KM 03 +704 hasta Km. 03 +720 existe 16m Entonces la cota será de 238.498 con una pendiente de S = 0.0005. SALTOS DE AGUA: CAÍDAS Y RÁPIDAS Las caídas y rápidas son estructura estructurass que se usan para unir dos tramos de canal que están a diferente nivel topográfico. Se denomina caída inclinada cuando la caída en el gradiente de energía en una estructura no es mayor de 4.50m. Cuando la caída en el gradiente de energía que tiene que ser disipada por la estructura es mayor de 4.50m la estructura se denomina rápida. rápida. Las rápidas pueden tener secciones rectangulares rectangulares o trapezoidale trapezoidaless de acuerdo con las condiciones del terreno a lo largo de su localización. Lass ca La caíd ídas as y rápi rápida dass son son estr estruc uctu tura rass disipa disipado dora rass de ener energía gía que que se construyen en lugares donde la topografía lo exige.
4.14.-
A.- CAÍDAS Usadas para regular la velocidad del agua, bajando bruscamente al nivel nivel de la plan planti till lla a del del ca cana nal. l. De ac acuer uerdo do co con n la ma magn gnit itud ud de la estructura, la caída se construye de concreto reforzado, bloques de concreto, mampostería y madera resistente a la putrefacción con altura mayor de 4m. A.1.- Genera1idades. Son obras proyectadas en canales o zanjas, para salvar desniveles brus brusco coss en la rasa rasant nte e de fond fondo, o, Góme Gómezz Na Nava varr rro, o, hace hace una una difer diferen enci ciac ación ión de esta estass obra obrass y co conv nvie iene ne en lla llama marr las las ca caíd ídas as cuando los desniveles son iguales o menores a 4 m., estas a su vez pueden ser verticales o inclinadas. Para desniveles mayores a 4.0 m. la estructura toma el nombre de rápida rápida y en estos estos casos casos es conven convenient iente e un estudio estudio económic económico o entre la rápida o una serie de caídas que Domínguez, denomina gradas. En el presente ítem, se estudia el diseño hidráulico de caídas verticales e inclinadas, rápidas y gradas, no se trata el caso de caídas entubadas puesto que su diseño se basa en los mismos principios que los sifones.
A.2.- Caídas verticales A.2.1.- Criterios de Diseño hidráulico
1.- Son construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1 m como máximo, solo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores. 2.- El SINAMOS, recomienda que para caudales unitarios mayores a 300 L/seg. x m de ancho, siempre se debe construir caídas inclinadas, además manifiesta que la ejecución de estas obras debe limitarse a caídas y caudales, pequeños, principalmente en canales canales secund secundari arios os constru construido idoss en mampos mamposter tería ía de piedra piedra donde no se necesita i obras de sostenimiento ni drenaje. 3.- Cuando el desnivel desnivel es ≤: 0.30 m y el caudal ≤ 300 L/seg.x m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación. 4.- El caudal vertiente en el borde superior .de la caída se calcula con la formula para caudal unitario "q": q =1.48 H 3/2 Siendo el caudal total; Q = 2 µ B 2g Lh3/2 3 B = ancho de caída 5.- La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado. 6.- Por debajo de la lámina vertiente en la caída se produce un depósito de agua de altura Y p que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo. 7.- Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara indicada en la Fig., el cual se debe reemplazar .para evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura. 8.- Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes: a) Contracción lateral completa en cresta vertiente, disponiéndose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lámina vertiente. b) Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/sxm.de ancho de cresta de la caída.
A.2.2.- Caídas Verticales con Obstáculos para el Choque El Bureau of Reclamation, ha desarrollado para saltos pequeños, un tipo de caída con obstáculos donde choca el agua de la lámin lámina a verti vertien ente te y se ha obte obteni nido do una una buen buena a disip disipac ació ión n de energía para una amplia variación de la profundidad de la lámina aguas a bajo, a tal punto que puede considerarse independiente del salto. A.3.- Caídas Inclinadas. A.3.1.- Generalidades
Estas Estas estruc estructur turas as se proyec proyectan tan en tramos tramos cortos cortos de canal canal con pend pendien iente tess fuer fuerte tes, s, sien siendo do la velo veloci cida dad d del fluj flujo o en la" la" ca caída ída siempre mayor que la- del propio canal, causando serios; daños. por erosión si no se pone un revestimiento apropiado; mediante el análisis hidráulico se verifican los fenómenos del flujo, que a su vez serán el fundamento para la determinación de la clase de revestimiento y de su extensión. Una Una ca caída ída incl inclin inad ada a se divi divide de desd desde e arrib arriba a haci hacia a abaj abajo o en las siguientes partes: - Transición de entrada con sección de control - Caída propiamente dicha - Colchón - Transición de salida. En algunos casos la caída propiamente dicha y el colchón, pueden ser de sección rectangular o trapezoidal, la selección depende de las condiciones locales y en todo caso del criterio del diseñador.
Sección de Control La sección de control tiene por finalidad, mantener el flujo aguas arri arriba ba en régi régime men n tran tranqu quil ilo, o, de ma mane nera ra que que es en la mism misma a sección de control donde ocurre el cambio de régimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad crítica. La sección de control consiste en una variación de la sección del canal en el punto donde, se inicia la caída o en una rampa en contra pendiente, de manera que la energía en el canal aguas arriba sea igual a la energía en el punto donde se inicia la caída. A.3.2.- Criterios de Diseño en Caídas Inclinadas: Sección rectangular 1.- La rampa inclinada en sentido longitudinal de la caída en sí se recomienda en un valor de 1.5:1 a 2:1, su inclinación no debe ser menor a la del ángulo de reposo del material confinado. 2.- El ancho de la caída B es igual a; B = Q/q Donde: q = .171 H2/3 Q =valor conocido =Q = 2 µB 2g H3/2 3 µ = 0.58 (valor promedio aceptado en este caso) •
Finalmente el valor B, debe ser tal que, al pie de la caída el Número de Froude nos permita seleccionar la poza de disipación que más se ajuste a nuestro criterio. 3.- Es muy importante importante tener en cuenta la supresión, supresión, por lo que se recomienda seguir las indicaciones para calcular el número de lloradores.
4.- Estructuralme men nte la caída ída estará disp ispuest esta con precauciones del caso, para evitar su falla por deslizamiento.
las las
RÁPIDAS Son canales abiertos, pavimentados o revestidos, en los que el agua corre con gran gran velo veloci cida dad. d. Puede Pueden n esta establ blec ecers erse e co como mo secc seccio ione ness de ca cana nall de poca poca longitud en tramos e mucha pendiente. 4.15. EL AFORADOR PARSHALL Es una estructura que sirve para medir caudales en un rango muy amplio. Debido a que la velocidad del agua es muy grande en la estructura no se deposita deposita sedimentos sedimentos y la precisión del aforo queda dentro del 5% de error. El medidor consta de las siguientes partes: - Entrada - Garganta - Salida Entre las principales ventajas como estructuras de aforo podemos mencionar: - Su diseño es simple y su construcción suele resultar económica si se ubica en lugares que deben revestirse o si se combina con caídas, sifones, etc. - No se produce el problema de arenamiento en la estructura, ni aguas arriba ni aguas abajo de ella, conservando siempre su misma precisión. - La labor de conservación conservación es casi nula y su fácil lectura lectura permite un control control a nivel de usuario y sectorista de riego, sin mayor experiencia. - Hidráulicamente funciona bien por su baja pérdida de carga con relación a otros tipos de medidores.
AFORADOR PARSHALL
El aforador Parshall es un aparato calibrado para medir el agua en los canales abiertos. Es de forma abierta tiene una sección convergente, una garganta, y una sección divergente. Este tipo de aforador ofrece varias ventajas tales como: Perdida de carga menores. No influye la velocidad con que el agua aproxima la estructura Tiene la capacidad a medir tanto con flujo libre como moderadamente sumergido. El agua tiene velocidad suficiente para limpiar los sedimentos. Opera en un rango amplio de flujos. También el aparato tiene unas desventajas que son: Más caros debido a la fabricación requerida 7. La fabricación e instalación es crítica para que funcionen como se debe. Los aforadores se clasifican en forma general según el ancho de la garganta como sigue: Tamaño Muy pequeño Pequeño Grande
Ancho de la garganta Capacidad 1, 2, y 3 pulgadas .9 a 32 lps 6 pulgadas a 8 pies 1.5 lps a 3.95 m3/seg 10 a 50 pies .16 a 93 m/seg
Los tamaños pequeños pueden ser portátiles y fabricados de hierro, lámina galvanizada, fibra de vidrio, o madera para instalaciones permanentes y para los tamaños grandes, concreto es el material más común. Las dimensiones de los aforadores Parshall se determinan según el ancho de la garganta, W. La tabla 5.1 da las dimensiones que corresponden a la figura 5.8. Tabla5.1. Dimensiones de los aforados Parshall en milímetros
W 1´´ 25.4 mm 2´´ 50.8 3´´ 76.8 6´´ 152.4 9´´ 228.6 1´ 304.8 1´-6´´ 457.2 2´ 609.6 3´ 914.4 4´ 1219.2 5´ 1524.0 6´ 1828.8
A 242 276 311 414 587 914 965 1016 1118 1219 1321 >1422
B 356 406 457 610 864 1343 1419 1495 1645 1794 1943 2092
C 93 135 178 394 381 610 762 914 1219 1524 1829 2134
D 167 214 259 397 575 845 1026 1206 1572 1937 2302 2667
E 229 254 457 610 762 914 914 914 914 914 914 914
F 76 114 152 305 305 610 610 610 610 610 610 610
G 203 254 305 610 457 941 941 941 941 941 941 941
K 19 22 25 76 76 76 76 76 76 76 76 76
N 29 43 57 114 114 229 229 229 229 229 229 229
X 8 16 25 51 51 51 51 51 51 51 51 51
Y 13 25 38 76 76 76 76 76 76 76 76 <76
7´ 8´
2133.6 2438.4
1524 1626
2242 2438 3032 914 610 941 76 229 51 76 2391 2743 3397 914 610 941 76 229 51 76
Los aforadores deben ser construidos cuidadosamente según las dimensiones de la tabla. La instalación y nivelación, tanto longitudinal como transversal, también es importantes. En el caso que el aforador nunca opera a más del límite de sumergencia de 0.6 no es necesario construir la sección divergente aguas abajo de la garganta. La ecuación para el caudal bajo condiciones de flujo libre (no sumergido) es de la forma: Q =KHna
(5.8)
Donde: Q = caudal en m3 /seg. K = Carga medida aguas arriba de la garganta en metros n = exponente que varia de 1.52 a 1.60 K = factor que depende del ancho de la garganta
A continuación se dan los valores de K y n para gargantas de 1 pulgada hasta 8 pies.
Tabla5.2. Valores de los parámetros en aforadores Parshall Ancho de la garganta, W
K 0.06 04 0.12 07 0.17 71 0.38 12 0.53 54 0.69 09 1.05 6 1.42 8 2.18 4 2.95 3 3.73 2 4.51 9 5.31 2 6.11 2
1'' 2'' 3'' 6'' 9'' 1' 1.5' 2' 3' 4' 5' 6' 7' 8'
n 1.55 1.55 1.55 1.58 1.53 1.52 2 1.53 8 1.55 0 1.56 6 1.57 8 1.58 7 1.59 5 1.60 1 1.60 7
La sumergencia del aforador calculada por H b /Ha, cuando esta es mayor que 0.5 para los tamaños de garganta de 1 hasta 3 pulgadas, el flujo se considera sumergido y hay que hacer una corrección a los caudales dados por la formula. El límite de sumergencia para las gargantas de 6 y 9 pulgadas es 0.60 y para 1 hasta 8 pies el límite es 0.70. Cuando la sumergencia sea mayor que estos limites, el caudal dado por la fórmula tiene que reducirse de la siguiente manera; QS = Q-QE
(5.9)
Las siguientes figuras dan las correcciones, QE para los aforadores de 1 pulgada hasta < >1 pie. La corrección de < >1 pie de garganta se aplica a los de hasta 8 pies de garganta, multiplicando el QE por los siguientes factores: Tabla 5.3. Factores de corrección por sumergencia Ancho de la garganta (ft) 1 1.5 2 3 4 5 6 7 8
Factor 1 1.4 1.8 2.4 3.1 3.7 4.3 4.9 5.4
Como ejemplo, supongamos que tenemos un aforador con una garganta de 2 pies; Ha=50cm y Hb = 40 cm.
¿Cuál seria el caudal caudal bajo estas condiciones?
que es mayor que el limite de 0.7 para este tamaño de aforador, y hay que hacer la corrección para sumergencia:
De la figura QE, para 80% de sumergencia y H a = 0.5 es 0.024. Multiplicado este por el factor de 1.8 para aforador de 2 pies nos da: QE= 1.8*0.024 =0.04 y el caudal correcto es: QS = Q – Q E = 1.78 – 0.04 = 1.74 m 3/seg.
Figura 5.9. Corrección para descarga sumergida aforador Parshall de 2”
Figura 5.10. Corrección para descarga sumergida. sumergida. Aforador Parshall de 3”
Figura 5.11.Corrección para descarga descarga sumergida. Aforador Parshall de 6”
Figura 5.12. Corrección para descarga sumergida. Aforador Parshall de 9”
Figura 5.13. Corrección para descarga sumergida. Aforador Parshall 1”
Por lo general, el aforador debe ser instalado cerca al punto de diversión o cerca de la compuerta de control. Debe estar en un tramo recto del canal a una distancia de la compuerta donde no hay turbulencia. Después es necesario escoger el ancho de la garganta y establecer la elevación indicada para la cresta. Como un ejemplo, se considera un caudal de 0-57 m 3 /seg. En un canal con tirante de 75 cm. El limite de sumergencia es 0.70 para que se pueda usar una sola medida, Ha, para determinar el caudal. Para economía, puede escoger la garganta más estrecha, pero también debe considerar el efecto sobre el flujo, el aumento en profundidad aguas arriba y el costo de levantar mas los bordes del canal. Para el ejemplo, considerar dos alternativas, uno de 3 pies y uno de 4 pies de garganta. Según las formulas, el H a requerido para una garganta de 4 pies es 0.353 m y para la garganta de 3 pies, es < 0.426 m" >0.426 m. Para el aforador de 4' el Hb para 70% sumergencia es 0.7 X 0.353 = 0.247 m y el tirante aguas abajo de aforador será igual al tirante antes de instalar el aforador o sea < 75 cm" >75 cm. En la figura este es la dimensión D. Restando el valor de Hb, 0.247 de 0.75 se se obtiene el valor de X = 0.503. Este Este es la elevación de la
cresta arriba del fondo del canal. Bajo estas condiciones la pérdida de carga es 0.12 m (ver figura de las perdidas de carga). Entonces el tirante aguas arriba del Parshall será 0.75 +0.12 - 0.87m. Para el aforador de 3', el Hb para 70% sumergencia es 0.70 X 0.424 = 0.297. El valor de X, o sea sea la elevación de la cresta cresta arriba del fondo seria 0.453 mm y la pérdida de carga es 0.15 m. El tirante aguas arriba seria = 0.90 m, o sea la superficie del agua en el canal sería 15 cm más alto que el original, comparado con 12 cm. más alto en el caso de instalar un aforador de 4'. Desde el punto de vista económico, seria preferido escoger el de 3' de ancho, una vez que el borde libre del canal lo permite. El ancho del canal también puede influir la decisión. Cono regla general, el ancho de la garganta varia de 1/3 a 1-2 del ancho del canal.
Figura 5.14. Sección de un aforador Parshall y la determinación de la elevación de la cresta
Figura 5.15. Pérdida de carga a través de los aforadores Parshall La canaleta Parshall está constituida por tres partes fundamentales que son: la entr entrad ada, a, la garg gargan anta ta y la salid salida. a. La entra entrada da está está form formad ada a por por dos dos pare paredes des vert vertic ical ales es simé simétr tric icas as y co conve nverg rgen ente tes, s, el fond fondo o es incl inclin inad ado o co con n pend pendien iente te ascendente 4:1 La garganta esta formada por dos paredes verticales paralelas, el fondo es inclinado con una pendiente descendente 2,67:1. la distancia de la sección de la garganta determina el tamaño del medidor y se designa por w. La salida está formada por dos paredes verticales divergentes y el fondo es ligeramente inclinado con una pendiente ascendente de 17,9:1 En la ca cana nalet leta a pars parsha hall ll se puede pueden n pres presen enta tarr dos dos tipo tiposs de fluj flujo. o. Un flujo flujo a descarga libre para lo cual es solo necesario medir la carga Ha para determinar el caudal; un flujo en que se presenta la sumersión o ahogamiento para el cual se toman las cargas Ha y Hb.
CONCLUSIONES - Cada vez que se quiera realizar un diseño de ingeniería de presas y tranques se debe tener presente muchos aspectos, como por ejemplo: selección de sitios y estudios de factibilidad, investigaciones geotécnicas y de terreno, diseño de detalle, gestión de contratos y manejo de proyectos. - A pesar de que el alcance de un diseño de ingeniería es específico al sitio, incluye un conjunto de conocimientos especializados técnicos
- El diseño de tanques de relaves se realiza generalmente en la etapa de evaluación de un proyecto para determinar la viabilidad de una prospección de mineral. A nivel de pre-factibilidad, el objetivo generalmente consiste en descubrir los posibles fallas fatales. A nivel de factibilidad del proyecto, se requiere una evaluación más detallada para obtener información más precisa que permita la estimación de los costos para efectos del financiamiento del proyecto. El diseño de ingeniería final es el nivel final requerido para efectos de la tramitación de los permisos para un proyecto y finalmente la construcción. El diseño de apoyo a la obtención de permisos requiere la realización de un considerable trabajo de ingeniería suficiente para la revisión en el contexto de las normas legales, autoridades de revisión de permisos y grupos de interés especiales. Además de una gran cantidad de requisitos para la obtención de permisos ambientales, esto suele incluir detallados planos del diseño y especificaciones de construcción. También es frecuente que se requiera ingeniería de diseño durante las operaciones o con posterioridad al abandono para hacer ajustes de acuerdo con los cambios implementados o para resolver los problemas planteados por condiciones no previstas que pueden surgir a pesar del más alto nivel de diseño original. En el diseño de las obras de arte, la información topográfica se constituye en un eleme element nto o de ca capi pita tall impo import rtan anci cia, a, para para lo cual cual se recom recomien ienda da efect efectua uarr los levantamientos con plancheta a escala 1:100 o 1:200, dependiendo la escala de las dimensiones de la obra.
RECOMENDACIONES. - La Lass tran transi sici cion ones es func funcio iona nan n me mejo jorr cuan cuando do los los tram tramos os que que se van van a empalmar son de baja pendiente, con régimen subcrítico; en este caso las pérdidas hidráulicas por cambio de sección son relativamente pequeñas. El manejo clásico de las transiciones en régimen subcrítico está explicado con ejemplos en los textos de Hidráulica de Canales - El Aforador Parshall debe ser instalado cerca cerca al punto de diversión diversión o cerca de la compuerta de control. Debe estar en un tramo recto del canal a una distancia de la compuerta donde no hay turbulencia. - Se recomienda prestar mayor atención a la conservación y mantenimiento de todas las estructuras hidráulicas dentro de los sistemas de riego dentro de la región inclusive las obras de arte.
BIBLIOGRAFÍA. * PALACIOS VELEZ * VEN TE CHOW abiertos. * CONCYTEC estructuras de arte.
* APUNTES DE CLASE
Distritos de riego. Hidráulica de canales Manual de diseño de Hidráulicas y obras
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INTRODUCCIÓN. 4.01.- Diseño Hidráulico de Transiciones. 02 4.02.- Desarrollo de problemas aplicados. 03 4.03.- Diseño Hidráulico de Aliviaderos Laterales. 04 4.04.- Criterios de Diseño. 04 4.05.- Desarrollo de problemas aplicados. 05 4.06.- Diseño Hidráulico de Sifones. 06 4.07.- Generalidades. 06 4.08.- Criterios de Diseño. 08
01
4.09.- Desarrollo de problemas Aplicados. 09 4.10.- Diseño Hidráulico de Acueductos. 19 4.11.- Generalidades. 19 4.12.- Criterios de Diseño. 21 4.13.- Desarrollo de problemas aplicados. 21 4.14 Saltos de agua, caídas y rápidas. 24 4.15.- El Aforador Parshall. 27 4.16.- Uso y ventajas. 27 4.17.- Funcionamiento Hidráulico. 30 4.18.- Criterios para la elección del tamaño más adecuado del Parshall. 34 CONCLUSIONES
36
RECOMENDACIONES 36
ANEXO ACUEDUCTO TIPO PUENTE
VISTA EN CORTE DE UN SIFÓN SIFÓ N DURANTE EL RIEGO
CANAL DE RIEGO CON UN ALIVIADERO DE DEMASÍAS
ALIVIADERO DE DEMASÍAS
OBRA DE TRANSICIÓN
OBRAS PARA REDUCIR AL VELOCIDAD DEL AGUA
CAÍDA VERTICALES
SALTOS DE AGUA: CAÍDA
