Diseño de Caídas Hidráulicas

DISEÑO DE CAÍDAS HIDRÁULICAS #4 Dr. Ramón Pérez Leira

Diseño de Obras Hidrotécnicas

1. 2. 3. 4.

Alva Alvara rado do Rodrí odrígu guez ez Ron Ronni niee Mací Macías as Ávil Ávilaa Car Carlo loss And André réss Pina Pinarg rgot otee Val Valle le Jean Jean Carl Carlos os Ruiz uiz Muño Muñozz Mar María ía Ceci Cecililiaa

1. Condiciones para su aplicación La finalidad de una caída es conducir agua desde una elevación alta hasta una elevación baja y disipar la energía generada por esta diferencia de niveles.

La diferencia de nivel en forma de una caída, se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un canal

Los diferentes tipos de caídas que pueden ser usados son verticales, con dados disipadores, rectangulares, inclinados y en tuberías.

1. Condiciones para su aplicación Las caídas con dados disipadores pueden ser usadas para casi cualquier disminución en la elevación de la superficie del agua donde la distancia horizontal para realizar la caída es relativamente corta.

Las caídas rectangulares inclinadas y las caídas en tubería son usadas cuando la diferencia de altura esta en el orden de 90 cm. a 4,5 m en una distancia relativamente corta.

La decisión de usar una caída rectangular inclinada o en tubería se basa en un análisis económico

1. Condiciones para su aplicación Se construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1m como máximo, sólo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores. Se recomienda que para caudales unitarios mayores a 300 l/s/m de ancho, se deben construir caídas inclinadas.

La ejecución de estas obras debe limitarse a caudales pequeños.

Cuando el desnivel es ≤ 0.30 m y el caudal ≤300 l/s/m de

ancho de canal, no es necesario poza de disipación.

■ ■ ■ ■ ■

: Une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control Es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se representa las condiciones criticas La cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada Es de sección rectangular siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída une la poza de disipación con el canal aguas abajo

■

La información preliminar necesaria para el diseño de una caída vertical son las características hidráulicas que posee:

■

Caudal de diseño, Q Pendiente de la caída, S Coeficiente de rugosidad de manning, n Talud, Z Ancho, b Velocidad, v en m/s

■ ■ ■ ■ ■ ■

Y para el diseño geométrico de la caída a través del procedimiento de cálculo la información se representa en la siguiente gráfica:

■

Previo al diseño de la caída se conoce la altura aguas arriba de la caída que representa a la energía inicial E1.

■


Para determinar el ancho de la caída (B) se utiliza el caudal unitario q y el caudal de diseño Q.

■


Para determinar el valor de la transición de entrada Lte utiliza las expresiones de T1 y T2 que representan a el valor de espejo de agua y ancho de la caída respectivamente.

Para encontrar las dimensiones de la caída es necesario conocer el numero de caídas D adimensional, en el diseño que utiliza valores de Yc y h que representan el tirante crítico y la altura de desnivel. Entre los parámetros del diseño se encuentran: ■ Ld= longitud de la caída (m) ■ Yp= profundidad del colchón amortiguador (m) ■ Y1= profundidad inicial del resalto hidráulico (m) ■ Y2= profundidad final del resalto hidráulico (m) ■ Yc= profundidad crítica (m) ■ L= longitud del resalto (m) ■ V1= velocidad (m/2) ■ h= desnivel (m) ■

■


Identificar datos geométricos

■

Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes:

Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m 3 /s/m de ancho de cresta de la caída:

■

Para la realización del diseño de una caída vertical, se necesitan varios datos de entrada como el caudal, pendiente, coeficiente de rugosidad, el talud, entre otros.

• Altu ra

agu as arr ib a en la caíd a

Definiendo la energía específica como la distancia vertical entre el fondo del canal y la línea de energía se tiene:

  =+ 2 E:energía específica. Y:profundidad de la lámina del líquido. V:velocidad media del flujo. g:aceleración de la gravedad.

Para el diseño se realiza a partir de los siguientes pasos: • Anch o

de la caíd a

 =  q= caudal unitario expresado en m3/mxseg Q= caudal total de diseño m3/seg B= ancho de la caída en m

Para el cálculo del ancho de la caída es la relación que existe entre el caudal unitario q y el caudal total Q de diseño. El caudal unitario q se utiliza la siguiente expresión: 3

q



1.48 H 2

Donde: q= caudal unitario en m3/sxm H= altura aguas arriba de la caída en m Y el caudal total Q es el obtenido a través de los datos de diseños hidráulicos de la zona previamente al diseño de la caída.

Para el diseño se realiza a partir de los siguientes pasos: •Transición

de entrada

 −   = 2 ∗ (12.5° T1= espejo de agua del canal en m T2 = B = ancho de solera en la caída en m Lte= transición de entrada en m

Para el diseño se realiza a partir de los siguientes pasos: •Dimensiones

de la caída

Para el cálculo de las dimensiones en la caída es necesario conocer el número de caídas existente para el diseño como se presenta a continuación:

Para el diseño se realiza a partir de los siguientes pasos: •Dimensiones

de la caída

Siendo las siguientes relaciones geométricas que son aplicables al caso particular: Donde: D = Ld = Yp = Y1 = Y2 =

Número de caída, adimensional Longitud del foso al pie de la caída, en m Tirante al pie de la estructura, en m Conjugado menor en la base de la caída, en m Profundidad del remanso, en m

La longitud del tramo del canal rectangular se determina a partir de la siguiente expresión:

 = 3.5 ∗  Donde Yc: profundidad crítica en m L= longitud del tramo del canal en m • Aguj ero s

de ven ti lac ió n

qa  0.1

Donde:

qw

 Y p     Y 

1.5

qa= suministro de aire por metro de ancho de cresta yp =tirante normal aguas arriba de la caída qw= Máxima descarga unitaria sobre la caída

• Aguj ero s

de ven ti lac ió n

fL   Va     Ke Kb Kex    g  w  D  2 g P

 a

2

Donde: (P/ρg) = Baja presión permisible debajo de la lámina vertiente, en metros de columna de agua. (Se puede suponer un valor de 0.04 m de columna de agua) Ke = Coeficiente de perdida de entrada (Usar Ke= 0.5) f = Coeficiente de fricción en la ecuación de Darcy-Weisbach L D Kb Kex Va ρa/ρw

= = = = = =

Longitud de la tubería de ventilación, m. Diámetro del agujero de ventilación, m Coeficiente de perdida por curvatura (Usar Kb=1.1) Coeficiente de pérdida por salida (Usar Kex=1.0) Velocidad media del flujo de aire a través de la tubería de ventilación. Aproximadamente 1/830 para aire a 20ºC

Diseñar la caída vertical que se ubica en el Km 8+400 del canal de riego Munay, cuyas características aguas arriba y aguas debajo de la caída son:

  1.77  =  + = 1.16 + = 1.3197 2 2(9.81  = 1.3197 1. Ancho de la caída: 



  = 1.48  = 1.48 ∗ (1.3197 = 2.244     = 2.244  

=

 6.5 = = 2.897  2.244  = 2.90

Diseñar la caída vertical que se ubica en el Km 8+400 del canal de riego Munay, cuyas características aguas arriba y aguas debajo de la caída son: 2. Transición de entrada

 −   2tan 2  =  + 2 = 2 + 2 1 1.16 = 4.32  = 4.32  = 2.90  =

α/2 =50/2 =25

 =

 −  4.32 − 2.90  = 2tan(25 = 1.523 2tan(2   = 1.60

Diseñar la caída vertical que se ubica en el Km 8+400 del canal de riego Munay, cuyas características aguas arriba y aguas debajo de la caída son: 3. Dimensión de la caída

 6.5   = = = 2.24    2.9   = 2.24    2.24    = = = 0.800  9.81  = 0.80

3.1. Calculo de el numero de caída adimensional

 2.24 = = = 0.512 ∆ℎ  (9.81(1  = 0.512


3.2.

 = ∆ℎ ∗ . = 1 ∗ 0.512. = 0.86  = 0.86 3.3.CALCULO DEL TIRANTE ANTES DE LA CAIDA

 = 0.54 ∗ ∆ℎ ∗  . = 0.54 ∗ 1 ∗ 0.512. = 0.406  = 0.406 3.4. CALCULO DE TIRANTE DESPUÉS DE LA CAÍDA ZONA DE TURBULENCIA

 = 1.66 ∗ ∆ℎ ∗  . = 1.66 ∗ 1 ∗ 0.512 . = 1.386  = 1.386


3.5.

 = 5 ∗  −  =  = 5 ∗ 1.386 − 0.406 = 4.896  = 4.90 .  = 4.30 ∗ ∆ℎ ∗  = 4.30 ∗ 1 ∗ 0.512. = 3.589  = 3.60  =  +  = 4.90 + 3.60 = 8.5  = 8.5

 = 3.5 = 3.5 0.80 = 2.8  = 2.8


3.5.

 = 5 ∗  −  =  = 5 ∗ 1.386 − 0.406 = 4.896  = 4.90 .  = 4.30 ∗ ∆ℎ ∗  = 4.30 ∗ 1 ∗ 0.512. = 3.589  = 3.60  =  +  = 4.90 + 3.60 = 8.5  = 8.5

 = 3.5 = 3.5 0.80 = 2.8  = 2.8


3.7.

 2.24    :  = 0.1  = 0.1 0.86 = 0.351   (  . (1.16.   = 0.351            =  ∗  = 0.351 ∗ 2.90 = 1.018     = 1.018  

3.7.1

     =  +  ∗ +  +      2 1.018 ∗ 4  ∗ 4 1.296   0.0857  =  =  =  =      2  Reemplazando en la ecuación:

0.04 =

1 2 0.0857 0.5 + 0.02 ∗ + 1.1 + 1.0 830    = 0.29

Estos tubos se colocan de manera que conecten la cámara de aire de la caída con el exterior.

■

Las caídas se utilizan para llevar el nivel de agua de un nivel superior a otro inferior y evitar que se erosione el curso de agua y dañe la estructura del canal es por tal motivo que se le utiliza también como disipador de energía.

■

Las caídas son estructuras que se utilizan comúnmente tanto para canales como para alcantarillas y se basan en la utilización del resalto hidráulico para disipar la energía.

■

Existen normas y diseños ya preestablecido que facilitan el diseño de caídas, dependiendo de la elección de las condiciones del terreno y de la altura de caída y del número de froude para elegir el modelo de disipador de energía

■

Se recomienda usar solo para altura de caída máxima de 1m.

Diseño de Caídas Hidráulicas

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