DISEÑO HIDRÁULICO DE SIFONES
DISENO 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 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. En 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. Un sifón se constituye en un peligro, principalmente cuando esta cerca de centros poblados, siendo necesario el uso de rejillas pero con la desventaja de que puedan obturarse las aberturas y causar remansos. Un 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 (acueductos), sea por razones 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.
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Esquema de un sifón invertido superficial. El canal, por medio de los sifones, incorporará estructuras que trabajarán bajo presión. Los sifones pueden ser construidos superficiales o enterrados. Las estructuras superficiales se emplazarán sobre el suelo, en trincheras, túneles o galerías, los cuales permiten una mejor accesibilidad. Las 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 estructuras de entrada y de salida para 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.
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•Transiciones de entrada y salida El área de la sección transversal de un sifón viene determinada, 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 variar entre 2 a 4 m/s, para velocidades menores a 2 m/s, es probable la presencia de procesos de sedimentación. Sin embargo la velocidad de flujo está asociada también al tipo de material del 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 todos los casos se deberá incorporar elementos que permitan la limpieza periódica de los sedimentos que se acumulen en los sectores bajos a consecuencia de las reducidas velocidades de flujo que se presenten durante la operación del sistema.
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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.
DISENO HIDRÁULICO DE SIFONES 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 requiere un mínimo de 0.90m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.06 m si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura. La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5 °/oo. Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con Þ mayor o igual a 36” y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/seg. Con la finalidad de evitar desbordes de agua arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un 50% ó 0.30 m. como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15 m a partir de la estructura. Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierra, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una velocidad de 1 m3 / seg. en sifones con transiciones de 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. Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo “Cubierta Partida”, se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4 hv y 0.65 hv. A fin de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales computadas se incrementan en 10%.
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En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón, esté ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de Agua y en el diseño se toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifón ó 1.1 como mínimo o también 3”. En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6. En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento. En sifones largos bajo ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere al flujo parcial o a flujo lleno con un coeficiente de fricción menor que el sumido en el diseño, por estas razón se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculan las pérdidas de energía. •
Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse.
•
Con respeto a las pérdidas de cargas totales, se recomienda 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.
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omienda los anchos
de corona de la Tabla 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 Cruce Simple
V1 (3m) V2 (4m)V3 (6m)
4. m 5.50 m 5.80 m
Cruce con Sobre Ancho 6. m 6.6 m 8.0 m
EJEMPLO DE DISEÑO
1. Diseñar un sifón invertido en el cruce de un canal con la panamericana las características de cruce se presentan en la figura y las características del canal agua arriba y aguas al bajo del cruce son:
Características Del Canal Aguas Arriba Y Aguas A Bajos Son: Z=1.5 Q=1.5 / S=0.001 b=1 m n=0.025 Y=0.85 m V=0.77 m/seg.
=
= 0.03 m.
La pendiente aguas arriba y aguas a bajo es 0.001 y la cotas según el perfil del canal son= Km. 1+0.30 = 46.725 m.s.n.m. Km. 1+0.70 = 46.443 m.s.n.m.
SIFON INVERTIDO DATOS: Km. 1+0.30 = 46.725 m.s.n.m. Km. 1+0.70 = 46.443 m.s.n.m.
EJEMPLO DE DISEÑO Solución: 1.- Con la información topográfica del perfil del terreno en el cruce y el perfil del canal, se efectuara el dimensionamiento previo de la figura adjunta, el cual si cumple con los requisitos hidráulicos necesarios, se puede aceptar como solución el problema, en caso contrario, se ara los ajustes necesarios: 2.- Selección del diámetro del tubo: por criterio: asumimos una velocidad de 1.5 m/seg
A=
. .
=
=1 Despejando el diámetro
A=
Di = 1.13 m
El nuevo valor del diámetro será
A=
.
= 1.167
Escojo un diámetro Di = 44.49 pulg comercial Di = 48 pulg:
Di = 1.2192 m
Di = 1.2192 m
EJEMPLO DE DISEÑO La velocidad del diseño sera
V=
Q 1.5 = = 1.29 A 1.167
.
Cargas de velocidad en el ducto o tubo:
2g
=
1.29 = 0.085 m 2 ∗ 9.81
3.- Longitud de transición:
T1 = b + 2zy = 1 + 2 ∗ 1.5 ∗ 0.85 = 3.5
T2 =
Lt =
Lt =
= 1.2192
−
;
2 3.5 − 1,2192
Lt = 3.90 .
.
2 = 25°.
= 2.50.
.
ó
=
= 4 ∗ 1.2192 = 3.88 = 3.90
EJEMPLO DE DISEÑO El ángulo de la transición será:
2
=
− 2 ∗
=
4.- Nivel del agua en 1:
;
3.5 − 1,2192 = 13° 30 . 2 ∗ 3.90
El canal de entrada desde la cota 1+0.30 es = 5.21 Cota de fondo en 1: 46.725-(5.21*0.001)= 46.720 m.s.n.m. El nivel del agua en 1: 46.720+0.85= 47.570 m.s.n.m.
EJEMPLO DE DISEÑO 5.- Cotas de fondo en 2:
EJEMPLO DE DISEÑO Cotas de fondo en 2: 47.570 – (Hte + 1.5 hv) Hte = 1.5 hv =
Di 1.2192 = = 1.246 m. cos12° cos12°
−
= 1.5 0.085 − 0.030 = 0.08 m
Cotas de fondo en 2: 47.570 – (1.246 + 0.08)= 46.244 m.s.n.m. 6.- Cotas de fondo en 3: α = 12° h= sen12° x 5=1.04 m. Cotas de fondo en 3: 46.244 – 1.04=45.204 m.s.n.m. 7.- Cotas de fondo en 4: Longitud del tuve horizontal= 10 m. 10 x 0.005= 0.05 Cotas de fondo en 4: 45.204 – 0.05=45.154 m.s.n.m.
EJEMPLO DE DISEÑO 8.- Cotas de fondo en 5: α = 12° h= sen12° x 4=0.832 m. Cotas de fondo en 5: 45.154 + o.8316=45.986 m.s.n.m. 9.- Nivel del agua en 6: El canal de salida desde la cota 1+0.70 es = 6.188 Cota de fondo en 6: 46.443-(6.188*0.001)= 46.437 m.s.n.m. El nivel del agua en 6: 46.437+0.85= 47.287 m.s.n.m.
EJEMPLO DE DISEÑO 10.- Calculo del valor P en la salida
EJEMPLO DE DISEÑO El máximo valor de P en la salida es: 1 1.2192 = xDi = = 0.6096 2 2
Cota 6 – cota 5 = 46.437 – 45.987= 0.45
Escogemos el valor de P= 0.45 para que la cota 6 de la transición coincida con la de la rasante del canal. 11.- Inclinación de los tubos doblados. - A la entrada
. .
= 4.7
4.7: 1 es mas plano que 2:1, se acepta la inclinación -
A la salida
. .
= 4.7
4.7: 1 es mas plano que 2:1, se acepta la inclinación
EJEMPLO DE DISEÑO 12.- Carga hidráulica dinámica Cota 1 + tirante = 46.720 + 0.85 = 47.570 m.s.n.m. Cota 6 + tirante = 46.437 + 0.85= 47. 287 m.s.n.m. Carga disponible= 47.570 – 47.287 = 0.283 m 13.- Calculo de las perdidas de carga. Perdidas por entrada: 0.4xhv = Perdidas por salida : 0.65xhv Perdidas por fricción : f ∗
∗
Perdidas por codo: 2 ∗ 0.25 ∗
0.4x(0.0819) =0.033 m 0.65x(0.0819) =0.053 m
=
∝
0.025 ∗ ∗
∗
.
∗
. ∗ .
= 2 ∗ 0.25 ∗
∗
. ∗ .
= 0.33 = 0.
0.134m
EJEMPLO DE DISEÑO Para mayor seguridad las perdidas totales se incrementan en un 10% Tenemos: 1.10 x 0.134 = 0.147 m. - Podemos deducir que las cargas disponibles menos las perdidas totales son: 0.283 – 0.147= 0.136 m. Lo que significa que no habrá problemas hidráulicos 14.- Calculo de la sumergencia a la salida - Altura de sumergencia: ( y + P) – Hte Y= 0.85 P= 0.45 =
=
1.2192
= 1.246
.
( 0.85 + 0.35) – 1.246 = 0.054 m
EJEMPLO DE DISEÑO
Este valor no debe exceder a Luego= 0.054 < 0.208
=
.
= 0.208
- Se acepta el valor de la sumergencia puesto que es menor a la altura permisible 15.- Longitud de protección del enrocado Lp= 3 Di = 3 * 1.2192 = 3.66 ≈ 3.70 m
El proyecto preliminar trazado en la figura, se considera la solución al problema puesto que cumple con los requisitos hidraulicos
