ÍNDICE GENERAL
I. II. III. III. III.1. 1. III III.1. .1.1. 1. III. III.1.2. 1.2. III. III.1.3. 1.3. III III.2. .2. III III.2. .2.1. 1. III. III.2.2. 2.2. III. III.2.3. 2.3.
INTRODUCCION OBJETIVOS DESARROLLO TEORICO DISE DISEÑO ÑO HID HIDRÁ RÁUL ULIC ICO O DE TRAN TRANSIC SICIO IONE NES S GENERA GENERALID LIDADE ADES S CRITERIO CRITERIOS S DE DE DISEÑO DISEÑO EJEMPLO EJEMPLO DE APLICAC APLICACION ION DISEÑO DISEÑO HIDRÁU HIDRÁULIC LICO O DE ALIVIA ALIVIADER DEROS OS LATE LATERAL RALES ES GENERA GENERALID LIDADE ADES S CRITERIO CRITERIOS S DE DISEÑO DISEÑO EJEMPLO EJEMPLO DE APLICAC APLICACION ION
INTRODUCCION
En un proyecto de riego, la parte correspondiente a su concepción, definido por su planteamiento hidráulico, tiene principal importancia debido a que es allí donde se determinan las estrategias de funcionamiento del sistema de riego (captación, conducción “canal abierto o a presión”, regulación), por lo tanto, para desarrollar el planteamiento hidráulico del proyecto se tiene que implementar los diseños de la infr infrae aest stru ruct ctura ura iden identitifificad cada a en la etap etapa a de camp campo o canal canales, es, obras obras de arte arte (acue (acueduc ducto tos, s, canoa canoas, s, alcan alcanta tari rillllas as,, toma tomass late lateral rales es etc! etc!), ), obra obrass espec especia iale less (bocatomas, desarenadores, t"neles, sifones, etc) etc!
#ara el desarrollo de los diseños de las obras proyectadas, el caudal es un parámetro cla$e en el dimensionamiento de las mismas y que está asociado a la dispon disponibi ibilid lidad ad del recurso recurso hídric hídrico o (hidrol (hidrologí ogía), a), tipo tipo de suelo, suelo, tipo tipo de culti$ culti$o, o, condiciones climáticas, m%todos de riego, etc!, es decir mediante la con&unción de la relación agua'suelo'planta! e manera que cuando se trata de la planificación de un proyecto de riego, la formación y eperiencia del diseñador tiene mucha importancia!
INTRODUCCION
En un proyecto de riego, la parte correspondiente a su concepción, definido por su planteamiento hidráulico, tiene principal importancia debido a que es allí donde se determinan las estrategias de funcionamiento del sistema de riego (captación, conducción “canal abierto o a presión”, regulación), por lo tanto, para desarrollar el planteamiento hidráulico del proyecto se tiene que implementar los diseños de la infr infrae aest stru ruct ctura ura iden identitifificad cada a en la etap etapa a de camp campo o canal canales, es, obras obras de arte arte (acue (acueduc ducto tos, s, canoa canoas, s, alcan alcanta tari rillllas as,, toma tomass late lateral rales es etc! etc!), ), obra obrass espec especia iale less (bocatomas, desarenadores, t"neles, sifones, etc) etc!
#ara el desarrollo de los diseños de las obras proyectadas, el caudal es un parámetro cla$e en el dimensionamiento de las mismas y que está asociado a la dispon disponibi ibilid lidad ad del recurso recurso hídric hídrico o (hidrol (hidrologí ogía), a), tipo tipo de suelo, suelo, tipo tipo de culti$ culti$o, o, condiciones climáticas, m%todos de riego, etc!, es decir mediante la con&unción de la relación agua'suelo'planta! e manera que cuando se trata de la planificación de un proyecto de riego, la formación y eperiencia del diseñador tiene mucha importancia!
II.
OBJETIVOS
II.1.
OBJETIVO IVO GENERAL
II.2 I.2.
*dquirir conocimientos básicos para el diseño diseño de obras de arte en un sistema de riego
OBJE OBJET TIVO IVOS ESPE SPECIFI CIFIC COS
+ealiar el diseño hidráulico de una transición
iseñar hidráulicamente un ali$iadero lateral
III.
DESARROLLO TEORICO
III.1.
DISEÑO HIDRÁULICO DE TRANSICIONES
III.1.1. GENERALIDADES
Estas estructuras se construyen muy frecuentemente al comieno y al final de ciertas obras, tales como alcantarillas, caídas, sifones, tomas, etc! -as transiciones, deben ser diseñadas para disminuir p%rdidas de energía, debidas al cambio de la sección del canal (con$ergente o di$ergente) o de la pendiente del mismo, eliminar las ondulaciones que puedan generarse, eliminar onas muertas para e$itar la sedimentación y mantener las condiciones de flu&o! -as p%rdidas de carga en las transiciones, dependen del ángulo que forman los aleros de la transición con el e&e del canal! +ecomendándose un ángulo de ./0 123 en aquellas estructuras donde las p%rdidas deben reducirse al mínimo y /40 cuando se pierde carga, tales como caídas, rápidas, sifones, etc! 5uando se toma el ángulo ./0 126, a $eces resultan transiciones muy largas con el consecuente desmedro económico, por lo tanto se debe saber solucionar estas dificultades! El coeficiente de p%rdidas se puede calcular analíticamente, ya que para cada ángulo corresponde un coeficiente de p%rdida, distinto, para cálculos rápidos se puede utiliar las tablas y gráficos!
III.1.2. CRITERIOS DE DISEÑO
a) An!" #n##a$ %B) & '#na$ %() * $a+ ,-an+##"n*+ El ancho inicial, está determinado por la longitud que se alcana en
la
sección $ertedora, es por eso que su $alor siempre se hace coincidir con la longitud total de $ertimiento (7 8 -total)! El ancho final deberá con&ugar la optimiación de la rápida, con la recomendaciones de 9E:5;E<=> dadas al respecto para garantiar el buen funcionamiento de las transiciones!
(). L"n#,/ * $a ,-an+##0n % L,) -a longitud deberá con&ugar la disponibilidad del espacio topográfico con las recomendaciones de 9e$chen?o, en ocasiones resulta necesario para lograr un buen diseño de la transición realiar cambios tanto en la posición de la sección de control como en la cota de aqu%lla, para de esta forma lograr un adecuado funcionamiento del con&unto @ cimacio A transición!
) P*n#*n,* * '"n" * $a ,-an+##0n -a pendiente de fondo está bastante ligada a la topografía aunque debe tenerse en cuenta que@ 9i el r%gimen es subcrítico deberá incrementarse la pendiente (sin llegar a cambiar el r%gimen) para lograr una mayor e$acuación y disminuir las posibilidades de ahogo del $ertedor!
9i el r%gimen es supercrítico, la pendiente de fondo no es determinante, aunque se debe tener en cuenta que para pendiente nula eisten m%todos de diseño que permiten predecir un adecuado funcionamiento de la transición, mientras que para $alores de pendiente diferentes de cero, la no eistencia de m%todos de cálculos, obligan a que en estos casos se tenga que acudir a la modelación física como $ía de solución!
) C",a * '"n" * $a ,-an+##0n -a cota de fondo de la transición está estrechamente $inculada a las condiciones topográficas de la ona donde será ubicada, no obstante a ello, muchas $eces resulta determinante en el $alor final de dicha cota, la necesidad de e$itar el ahogo del cimacio!
*) A$,/-a * $"+ /-"+ $a,*-a$*+. -a altura de los muros laterales depende del tirante de que se disponga en la transición, que a su $e está estrechamente $inculado con el r%gimen de circulación del flu&o! +ecomedaciones de 9e$chen?o para el predimensionamiento de la transición@ 2!1B C b / B C2!D .0 C onde@ Ɵ
2
= arctan
Ɵ/2
CFG0
B − b 2 Lr
-as p%rdidas locales de energía producidas en una epansión deberán calcularse con la siguiente epresión@
[( ) ]
A 2 hl C A1 =
2
−
1
2
v 2 ; C 2g
0.30 a 0.35
=
las perdidas locales en una contracción estarán dadas por@
[ ( )]
hl C =
1−
A 2
2
v 2
A 1
onde@ hl *. */ :/ 5
2
2g
@ @ @ @ @
; C
0.20 a 0.25
=
#%rdida local debida a la transición Hrea de la sección aguas arriba Hrea de la sección aguas aba&o :elocidad en la sección aguas aba&o 5oeficiente de geometría
III.1.2.1. TIPOS DE TRANSICIN -as estructuras de transición de un canal trapeoidal a uno rectangular pueden agruparse en tres tipos@ a! Iransición con cur$atura simple
Br
Transicion con curvatura simple
r
L zo
a)
Br
b! Iransición de forma cónica Br
c!
Iransicione Transicion de forma conica L b)
zo
Br
s con doble cur$atura!
TRAMO PARA CONSTRUCCION DE
ENCOFRADO PARA VACEO DE CONCRETO EN
LLEGADA DE CANAL A ACUEDUCTO POR LO UE SE NECESITA UNA TRANSICION
DISPOSICION DE ENCOFRADO 4 ACERO DE REFUER5O EN TRANSICION
VACEO DE CONCRETO EN ALERO VERTICAL DE TRANSICIN
REVESTIMIENTO DE UNA TRANSICION TIPO CONICA
TRANSICIN ALABEADA
TRANSICIN TIPO CUÑA
TRANSICIN CON CURVATURA SIMPLE
TRANSICIN ALABEADA O DE DOBLE CURVATURA
TRANSICION DE SALIDA
III.1.3. EJEMPLO DE APLICACION
III.2.
DISEÑO HIDRÁULICO DE ALIVIADEROS LATERALES
III.2.1. GENERALIDADES
-os ali$iaderos o tambi%n llamados $ertederos hidráulicos son estructuras destinadas a permitir el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales siendo el ali$iadero en eclusi$a para el desagJe y no para la medición! Eisten di$ersos tipos seg"n la forma y uso que se haga de ellos, a $eces de forma controlada y otras $eces como medida de seguridad en caso de tormentas en presas! En canales estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, e$itándose posibles desbordes que podrían causar serios daños, por lo tanto, su ubicación se recomienda en todos aquellos lugares donde eista este peligro! -os caudales de eceso a eliminarse, se originan algunas $eces por fallas del operador o por afluencias, que durante las llu$ias el canal recibe de las quebradas, estos ecesos debe descargar con un mínimo de obras de arte, buscándose en lo posible cauces naturales para e$itar obras adicionales, aunque esto "ltimo depende siempre de la con&ugación de diferentes aspectos locales (topografía, ubicación del $ertedero, etc!)
III.2.2. FUNCIONES DE UN ALIVIADERO -a función que cumple un ali$iadero es la de mantener el ni$el máimo del agua en un canal de conducción, desarenador o en la cámara de carga, e$acuando adecuadamente el ecedente de agua!
III.2.3. FINALIDADES DE UN ALIVIADERO -as finalidades por las que se construye un ali$iadero son@
Karantiar la seguridad de la estructura hidráulica, al no permitir la ele$ación del ni$el, aguas arriba, por encima del ni$el máimo (<*LE por su siglas
Karantiar un ni$el con poca $ariación en un canal de riego, aguas arriba! Este tipo de $ertedero se llama Mpico de patoM por su forma!
5onstituirse en una parte de una sección de aforo del río o arroyo!
isipar la energía para que la de$olución al cauce natural no produca daños! Esto se hace mediante saltos, trampolines o cuencos!
-os $ertederos se usan con&untamente con las compuertas para mantener un río na$egable o para pro$eer del ni$el necesario a la na$egación!
III.2.6. T#7"+ * a$#8#a*-"+
T#7" $a#na 8*-,#*n,*9 -a cresta es recta o con una cur$a muy pequeña, es el tipo más utiliado por lo que eiste un alto grado de seguridad en el diseño, por su acumulada eperiencia se a&usta muy bien sin depender del tipo de conducción bien sea abierta o cerrada!
T#7" a:a $#(-*9 El agua luego de pasar por la cresta cae hacia el rio, sin pasar pre$iamente por una estructura de conducción! Este tipo de ali$iadero se emplea para pocas alturas de aguay en los casos donde el rio receptor este constituido por roca sana!
T#7" a(an#"9 Es una modificación del tipo lámina $ertiente muy $enta&oso cuando no hay disponible mucho espacio ya que este tipo de ali$iadero tiene mayor longitud de cresta!
T#7" ana$ $a,*-a$9 Está pro$isto de un canal paralelo a la cresta del ali$iadero, teniendo que garantiar el r%gimen suscritico en el canal! 9e coloca generalmente cuando no eiste suficiente espacio para un ali$iadero frontal!
T#7" *(/" " 8*-,#a$9 En estos ali$iaderos el agua se aproima de forma radial y aproimadamente horiontal, se utilia cuando por problemas de espacio no se puede colocar otro ali$iadero ya que hidráulicamente no es eficiente!
T#7"
a$an,a-#$$a9 5onsiste en un conducto cerrado que crua el cuerpo o un estribo de la presa! 9e utilia en presas pequeñas o en aquellas cuya finalidad de control de crecidas
T#7" +#'0n
•
T#7" -;7#" #+#7a"- Esta es otra modificación del tipo lámina $ertiente, consistiendo en tener el rápido y el disipador &untos, esto se logra colocando unos tacos de impacto en el rápido! 9e usa generalmente en presas ba&as!
III.2.<. Pa-,*+ =/* "n+,#,/&*n /n a$#8#a*-" $a,*-a$ #artes de un ali$iadero son@ .! 5anal de aproimación o acceso
/! 9ección de control o $ertedora (con re$estimiento por un lado o con re$estimiento por ambos lados) 1! cubeta o canal lateral F! +ápida o conducto de descarga! 4! Estructuras terminales o disipadoras de energía! G! 5anal de salida! -os ali$iaderos de acuerdo a su disposición en planta se clasifican en@ .! *li$iaderos frontales!
/! *li$iaderos laterales!
1! *li$iaderos cur$os en planta!
III.2.>. P-"($*a+ =/* a'*,an +/ '/n#"na#*n," S*#*n,"+ 9e da cuando los sedimentos no necesariamente se depositan en el fondo del embalse, sino que se distribuye a todos los ni$eles comprendidos dentro del $aso de almacenamiento, de acuerdo al proceso de sedimentación! *l penetra al embalse, las partículas
acarreadas por las corrientes flu$iales están sometidas a la acción de una componente horiontal de la fuera que e&erce el agua sobre la partícula en la dirección del escurrimiento y una fuera $ertical debido a la aceleración de gra$edad!
A(-a+#0n El riesgo de abrasión debido al roamiento de los sedimentos suspendidos en el agua, es ine$itable e implica un mantenimiento en cuanto a la reparación periódica de la superficie del ali$iadero! -a turbulencia del flu&o tiende a agra$ar la abrasión!
Aliviadero lateral diseñado con el método sando la ecaci!n de
III.2.?. CRITERIOS DE DISEÑO III.2.?.1. METODO USANDO LA FORMULA DE FORCHHEINER •
El caudal de diseño de un $ertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el ni$el máimo de su ca&a hidráulica o hasta el ni$el que ocupa en el canal, el caudal considerado como de máima a$enida!
•
El $ertedero lateral no permite eliminar todo el ecedente de caudal, siempre quedará un ecedente que corresponde teóricamente a unos .2 cm encima del tirante normal!
•
-a altura del $ertedor o diferencia entre la cresta de %ste y el fondo del canal, corresponde al $alor Y n !
•
#ara dimensionar el $ertedero eisten gran $ariedad de fórmulas, a continuación se describe la fórmula de Norchheiner@ 3
2
Q=V μ √ 2 g L h 2 3
ónde@ :@ 2!B4 μ @ 5oeficiente de contracción! -@ longitud del $ertedero ;@ 5arga promedio encima de la cresta
El flu&o del canal, deberá ser siempre subcritico, entonces@ h2 > h1
h=
h 1+ h2 2
h1= 0.8 h2
O ademas@
h =0.9 h2
-a fórmula da buena aproimación cuando se cumple@
V 1
√ g Y
≤ 0.75
1
h2 h1 ≤ y 2 y n −
•
−
#ara me&orar la eficiencia de la cresta del $ertedero se suele utiliar diferentes $alores, seg"n la forma que adopte la cresta!
•
El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se está eliminando por la $entana o escotadura del canal, crua un camino, frecuentemente se utilian cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del $ertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilian los
•
tipos c o d! -os ali$iaderos laterales pueden descargar a tra$%s de un $ertedero con colchón al pie (desni$eles pequeños) mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desni$eles grandes)!
III.2.?.2.
METODO USANDO LA FORMULA DE @EISBACH
#ara el cálculo de la longitud del ali$iadero se usa la formula de Peisbach@ 2
2 /3
Q = μ L √ 2 g h 3
L
&
3Q
2μ 2 g h
3
2
espe&ando se tiene@
5on esta fórmula calculamos la longitud, considerando h como el G2Q del borde libre de la sección del canal y el coeficiente de contracción u82!42
-
;. ;/3
4Q . /
5alculamos ;/ y ;., y tambi%n la pendiente de la rampa -uego se calcula el canal de e$acuación del ali$iadero! ;ay que mencionar que el diseño por Peisbach genera una longitud menor, por lo tanto la estructura resulta más económica!
ALIVIADERO LATERAL CALCULADO CON EL MTODO DE @EISBACH
ALIVIADERO LATERAL
ALIVIADERO LATERAL CON MALE5A UE REPRESENTA UN PROBLEMA
ENCOFRADO DE ALIVIADERO PARA VACEO DE CONCRETO
VACEO DE LADO INTERIOR DEL ALIVIADERO 4 REVESTIMIENTO DE SECCION
ALIVIADERO LATERAL
ALIVIADERO LATERAL DE SECCION RECTANGULAR
ALIVIADERO LATERAL
III.2.. EJEMPLO DE APLICACIN 9e tiene un canal de sección trapeoidal de rugosidad 2!2.G, con talud R8. y pendiente 2!4 0Soo que recibe en %pocas de llu$ias un caudal adicional de 2!1D m1Ss , si el canal ha sido construido para admitir un caudal de 2!G4 m 1Ss ! 5alcular la longitud del ali$iadero para eliminar el eceso de agua! 9i se cuenta con la siguiente información adicional@ b =0.60 m
y =0.7081 m
H =1.00 m
f =0.2919 m
T =2.02 m
V =0.702 m / s
-
;. ;/3
4Q . /
8 .3+
5audal ecedente @ .)!' -ongitud del *li$iadero
L
&
3Q
2μ 2 g h
3
2
h 8 2!G2 (f)
! .1?< .<
L 3.<2 .
(5oef! de 5ontracción)
L 6. .
/)!' 5álculo de ;/3 (;3/T .!4 Oc') ( . .
*sumiendo que la #lantilla en / es @
q yc
₂
Q
&
b
3 &
= .62+ .
q
2
g
4 .2>3 .
H .< .
₂
₂
H .? .
La C",a *n 2 +*-a 9 23?.>
₂
1)!' 5álculo de ;.
Yc H 1 ) ) /1!BG 2 El ancho en . es
23.>>
H1 .
b( 8 2!4 b '
( .6< .
9 T 4Q
9 8G!/4 Q
H1 .6< .
La C",a *n 1 +*-a 9 23.21
₁
F)!' #endiente de la +ampa S
Cota1
Cota2
&
L
4)!' iseño del 5anal de e$acuación U$ 82!1DmVSs n 8 2!2.F 9 8.!2 W ( . & .<< H .
; y
b
T 4Q ''''''''' >?
IV.
CONCLUSIONES El diseño de transiciones, a pesar de su simplicidad in$olucra una finalidad muy importante en la continuidad del tipo de flu&o con la finalidad de e$itar la p%rdida de energía del agua!
El tipo de transición elegida debe ser la que origine la menor p%rdida de energía y el ángulo que forman los aleros con el e&e del canal, ya que este tambi%n determina el comportamiento del fluido en la transición!
#ara efectos de aumentar la eficiencia de la transición se puede generar una aproimación del n"mero de Nroude a un flu&o crítico sin llegar a %ste para asegurar que la sección no llegue al ahogo y por consiguiente a remansos inaceptables!
El diseño de ali$iaderos cobra importancia rele$ante e imprescindeble cuando de ecesos de caudal se trata, ya que %stos pueden ser peligrosos en el correcto funcionamiento del canal de riego!
-os ali$iaderos aseguran la eliminación del caudal eedente para mantener las características hidráulicas consideradas en el diseño!
El diseño de los ali$iaderos se puede hacer por los m%todos de N>+5;;EX
V.
RECOMENDACIONES #ara e$itar cualquier problema estructural en la transición se deberá colocar acero de 1SD” de preferencia cada /2 cm para canales con caudales de hasta / m 1Ss como una malla armada!
Elegir un tipo de transición que se adecue a la topografía, que sea fácil de construir seg"n %sta y que asegure el flu&o normal del agua y cumpla con la entrega del caudal sin pro$ocar alg"n peralte inadecuado!
iseñar los ali$iadero por el m%todo de Peisbach, ya que %stos generan una longitud de ali$iadero más pequeña y por consiguiente un menor costo de construcción de la estructura!
9e debe tener especial cuidado en la construcción de obras de arte ya que %stas complementan de manera imprescindible el fucnionamiento adecuado, puntal y eficiente del canal de riego!
VI.
BIBLIOGRAFIA
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+anald
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Kiles!
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