UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL INGENIERÍA CIVIL
CRITERIOS CONSTRUCTIVOS DE OBRAS DE ARTE
CURSO
:
ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS
NUEVO CHIMBOTE 2007
OBJETIVOS
•
Objetivos Generales: Conocer los diferentes tipos de obras de arte. Aplicar los criterios para el diseño hidráulico de las diferentes obras de arte de un sistema hidraulico.
•
Objetivos Específicos: Aplicar los parámetros de diseño, aprendidos y los obtenidos en la teoría incluida en el presente trabajo Diseñar las principales obras de arte como: rápidas, caídas, acueductos, canoas, sifones, vertederos, alcantarillas; etc.
OBRAS DE ARTE O ESTRUCTURAS SECUNDARIAS Las obras de arte llamadas también estructuras secundarias, constituyen el complemento para el buen funcionamiento de un proyecto hidráulico. Este tipo de estructuras se diseñan teniendo en cuenta las siguientes consideraciones. -
Según la función que desempeñan
-
Según su ubicación
-
De acorde a la seguridad contemplada en el proyecto a realizar
-
El riesgo como factor preponderante ante una probable falla y el impacto que ello cause. CLASIFICACIÓN: Se clasifican según la función que van a desempeñar en el proyecto: Estructuras para salvar desniveles
Caídas Rápidas Estructuras para cruzar depresiones Acueductos Sifones Estructuras para control de gasto Vertederos Medidores Parshall Estructuras para distribución de gasto Tomas laterales Partidores Estructuras de seguridad Puente Canal o Canoas Alcantarillas
ACUEDUCTOS La finalidad de un acueducto es pasar agua de un canal de riego por encima de otro canal de riego, un dren o una depresión en la trayectoria, por lo general se usa construcciones de concreto armado. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UN ACUEDUCTO La ventaja de un acueducto es que al cruzar el canal o dren se obstaculiza el flujo libre del agua a través de ellos. La desventaja es que su construcción interrumpe durante el periodo considerable el riego, lo que hace necesarios desvíos correspondientes. Además el acueducto es una solución es cara y siempre debe verificarse si no hay otra solución mas barata, como por ejemplo una alcantarilla es el canal o dren por cruzarse. Cuando el caudal de este último la permite. CRITERIOS HIDRÁULICOS El criterio hidráulico de un acueducto debería hacerse antes del diseño estructural. L información mínima para el diseño hidráulico consiste en: - Las características hidráulicas del canal de riego. - Las elevaciones del fondo del canal de riego, tanto aguas arriba como aguas debajo de la estructura. En cuanto a la ubicación del acueducto debe asegurarse que el flujo de agua hacia la estructura sea lo mas uniforme posible y orientar y alinear el acueducto de tal forma que no sea un obstáculo ni para el canal que pasa por el ni para el canal que cruza. En el diseño hidráulico de un acueducto se puede distinguir los siguientes componentes: -
La transición de aguas arriba y abajo del acueducto. El tramo elevado.
LA TRANSICIÓN La transición aguas arriba y abajo del conducto debe producir un cambio gradual de la velocidad del agua en el canal mismo, hacia el tramo elevado, cambiando también la sección trapezoidal del canal o rectangular si esta fuera del caso. En cuanto más alta sea la velocidad del agua en el canal, más importante seria disponer de una buena transición. LA ENTRADA Por lo general las velocidades del agua son más altas en el acueducto que en el canal, resultando en una aceleración del flujo en la transición de entrada y una disminución del palo de agua en una altura suficiente para producir el incremento de la velocidad necesario y para superar las perdidas de carga por fricción transición. Cuando se desprecia la perdida de carga por fricción, que generalmente es mínima.
CRITERIOS ESTRUCTURALES Condiciones del suelo Para diseñar una estructura de acueducto se tiene que conocer las condiciones del suelo sobre lo cual se construirá la estructura. Se tiene que hacer como mínimo una perforación en el sitio de construcción de cada obra de arte y hasta una profundidad de por lo menos de dos metros por debajo del nivel de cimentación de la estructura. También se debe anotar el nivel del mapa freático encontrado al momento de la perforación. En base a los datos de perforación se puede calcular o estimar la capacidad de carga del terreno, y calcular la presión lateral en las paredes. Loa datos necesarios que se tiene determinar o estimar en base de las perforaciones son: -
La textura El peso especifico del material seco. El peso especifico del material bajo agua El anulo de fricción interna. La capacidad portante del suelo.
Características Estructurales. Las características de los materiales que se usarán en la construcción: concreto, armadura, madera, etc. - Concreto (para concreto armado) - Concreto ciclópeo - Armaduras - Densidad del concreto. Además se tiene que mencionar el tipo de cemento y el recubrimiento necesario que depende de las condiciones que debe resistir el concreto. Diseño Estructural El diseño estructural del acueducto comprende en tres elementos que forman la estructura, como son: -
La caja que conduce el agua o el acueducto. Las columnas. Las zapatas.
Para cada uno de estos elementos debería verificarse cual seria el caso critico. Para iniciar el cálculo de cada elemento, se debe estimar un valor para su espesor. Como valor inicial para la losa y las vigas de la caja de acueducto se recomienda tomar un espesor d = 0.15m. , básicamente por razones constructivas.
La caja del Acueducto La caja consiste de una losa soportada por dos vigas laterales, formando así una canaleta de sección rectangular para transportar el agua. Las vigas están soportadas en ambos extremos por las columnas. El caso critico para el diseño es cuando la caja esta llena de agua hasta la parte superior de las vigas laterales, es decir sin considerar el borde libre. El calculo de la caja se hace en dos etapas, considerando primero las cargas en la sección transversal y luego las cargas que actúan sobre las vigas en el sentido longitudinal. Las cargas de sección transversal. -
La presión lateral del agua sobre las vigas. El peso del agua sobre la losa. El peso propio de la losa.
La Columnas La columna transmite las cargas de caja hacia la zapata, y cuenta con una viga en la parte superior, la cual forma el soporte para la caja. Las cargas que actúan sobre la columna son: -
Las reacciones de las vigas de la caja. El peso propio.
La Zapata La zapata debe transmitir todas las cargas de la estructura hacia el terreno, sin aceptar asentamientos inaceptables. El área portante de la zapata debe ser suficiente para garantizar dicha transmisión y consecuentemente la presión de la zapata debe ser menor que la capacidad que la carga del terreno, considerando un factor de seguridad mayor de tres metros
Criterios de diseño Se diseñan como un canal
Que la pendiente del acueducto sea mayor o igual a la pendiente del canal, para evitar sedimentación.
S acueducto ≥ S canal
Considerar al acueducto como complemento de la estructura.
Se recomienda considerar una sección rectangular, por fines estructurales
Disponer de las estructuras de seguridad.
El aliviadero se ubica aguas arriba. A. Procedimiento para el diseño
Transiciones
B 2 − B1
L=
2 Tg 12.5 º
Donde: L: longitud de transición B1: Ancho del acueducto B2: Ancho del fondo del canal
La entrada
∆ y = ∆hv + C2∆hv = (1 + C2) ∆hv ∆y :
Disminución del pelo de agua (m)
∆hv:
Diferencia en la carga de velocidad
∆ hv =
V22 − V12 2g
V1:
velocidad del agua en el canal aguas arriba
V2:
velocidad del agua en el acueducto
C2:
Coeficiente de pérdida en la entrada
Tipo de la transición Curvado Cuadrante cilíndrico Simplificado en línea recta Línea recta Extremos cuadrados
C2 0.10 0.15 0.20 0.30 0.30
C0 0.20 0.25 0.30 0.50 0.75
Elevación al inicio del acueducto o al final de la transición de
entrada Cota B = Cota A + Y1- (Y2 + ∆y) Cota A:
Elevación al inicio de la transición de entrada
Cota B:
Elevación al final de la transición de entrada
Y1:
Tirante de agua en el canal aguas arriba
Y2:
Tirante de agua en el acueducto
∆Y:
Disminución del pelo de agua
La salida
∆ y = ∆hv + C0 ∆hv = (1 + C0) ∆hv ∆y :
incremento del pelo de agua (m)
∆hv:
Diferencia en la carga de velocidad
∆ hv =
V22 − V32 2g
V2:
velocidad del agua en el acueducto
V3:
velocidad del agua en el canal aguas arriba
C0:
Coeficiente de pérdida en la salida Tipo de la transición Curvado Cuadrante cilíndrico Simplificado en línea recta Línea recta Extremos cuadrados
C2 0.10 0.15 0.20 0.30 0.30
C0 0.20 0.25 0.30 0.50 0.75
Elevación al inicio del acueducto o al final de la transición de salida
Cota D = Cota C- [Y3 - (Y2 + ∆y)] Cota C:
Elevación al inicio de la transición de salida
Cota D:
Elevación al final de la transición de salida
Y3:
Tirante de agua en el canal aguas abajo
Y2:
Tirante de agua en el acueducto
∆Y:
incremento del pelo de agua
Borde libre
0.15: para tirante de agua hasta 0.40 m. 0.25: para tirante de agua desde 0.40 m. hasta 0.60 m. 0.30: para tirante de agua desde 0.60 m. hasta 1.50 m.
Pendiente del acueducto
Sr = (Cota B – Cota C ) /L Sr:
pendiente de la rasante del acueducto
Cota B:
Elevación al inicio del acueducto (msn)
Cota C:
Elevación al final del acueducto (msn)
Q=
Calculo Hidráulico
(AR
2/3
S1r / 2
)
n
Q:
Caudal (m3/s)
A:
área mojada
R:
Radio hidráulico
Sr:
pendiente de la rasante del acueducto
n:
factor de rugosidad de manning.
CAÍDAS Las caídas o gradas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario salvar desniveles bruscos en la rasante del canal; permite unir dos tramos (uno superior y otro inferior) de un canal, por medio de un plano vertical, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo. El plano vertical es un muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas ocasionan. 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. La caída vertical se puede utilizar para medir el caudal que vierte sobre ella, si se coloca un vertedero calibrado. ELEMENTOS DE UNA CAÍDA VERTICAL En el diseño de una caída, se pueden distinguir los siguientes elementos: 1.0
Transición de entrada: une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control.
2.0
Caída en sí: la cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada.
3.0
Sección de control: es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones críticas.
4.0
Poza o colchón amortiguador: es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída.
5.0
Transición de salida: une la poza de disipación con el canal aguas abajo.
CARACTERÍSTICAS DE LA CAÍDA VERTICAL 1.0
Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara, el cual se debe remplazar para evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura.
2.0
Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes: a) Contracción Lateral completa en crestas vertientes, disponiéndose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lamina vertiente. b) Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/seg/m. De ancho de cresta de la caída.
qa = 0.1
qw Yp Y
1.5
Donde: qa = Suministro de aire por metro de ancho de cresta. Y
= Tirante normal aguas arriba de la caída
qw = Máxima descarga unitaria sobre la caída.
CRITERIOS DE DISEÑO DE UNA CAÍDA Numero de caídas. Longitud e transición de entrada. Ancho del canal en el tramo de la caída. Diseñar la poza disipadora en función de la altura de caída. Borde libre de la caída. Rugosidad en el funcionamiento de la caída. Ventilación bajo la lamina vertiente. Verificar que la velocidad del flujo de la caída este en el rango de 0.6m/s < v < (1.5 – 2) m/s.
-
Tener cuidado el mal funcionamiento hidráulico del chorro de la caída por que puede producir una gran erosión en el muro vertical.
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 lámina vertiente y se ha obtenido una buena disipación de energía para una amplia variación de la profundidad de la lámina aguas abajo a tal punto que puede considerarse independiente del salto.
PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE UNA CAÍDA SIN OBSTÁCULO 1. Diseño del canal, aguas arriba y aguas abajo de la caída Utilizar las consideraciones prácticas que existen para el diseño de canales. 2. Cálculo del ancho de la caída y el tirante en la sección de control En la sección de control se presentan las condiciones críticas. Para una sección rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes:
yc =
yc =
b=
3
2 E min 3
q2 = g
3
27Q 2 8 E 3 min g
Q2 b2 g
y D= c n
(Numero de caídas verticales)
Se puede asumir que E min = E n (energía específica en el canal), para inicio de los cálculos realizar la verificación. También se puede suponer un ancho en la sección de control de la caída, calcular el tirante crítico y por la ecuación de la energía calcular el tirante al inicio de la transición. Existen fórmulas empíricas para el cálculo del ancho de la rápida, las cuales son: • De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse:
2
b = 0.765Q 5
Otra fórmula empírica:
b=
(Ancho de la caída)
18.78 Q 10.11 + Q
(Ancho de la caída)
Por lo general el ancho de solera con esta última fórmula, resulta de donde: mayor magnitud que con la fórmula de Dadenkov.
3. Diseño de la transición de entrada Para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es:
L=
T1 − T2 2tg 22.5º
Donde: T1 = espejo de agua en el canal. T2 = b = ancho de solera en la caída. 4. Cálculo de la transición de salida Se realiza de la misma forma que la transición de entrada
5. Dimensiones de la caída (Q < 0.1 m3/s)
TOMAS LATERALES Las tomas laterales son estructuras hidráulicas que permiten derivar o captar determinado caudal desde un canal madre. Una toma lateral consiste en una ventana de ingreso y un conducto corto que descarga al aire libre o hacia una posa disipadora. Estas obras pueden servir también para medir la cantidad de agua que circula por ellas. Para obtener una medición exacta del caudal a derivar, éstas tomas se diseñan dobles, es decir, se utilizan dos baterías de compuerta; la primera denominada compuerta de orificio y la segunda compuerta de torna y entre ellas un espacio que actúa corno cámara de regulación.
Toma con doble Compuerta
CONSIDERACIONES HIDRÁULICAS -
Las tomas laterales en una red de riego, en especial son colocados en los canales secundarios o terciarios.
-
Las tomas se instalan normales al canal alimentador, lo que facilita la construcción de la estructura.
-
Generalmente se utilizan compuertas cuadradas las que se acoplan a una tubería. Las dimensiones de las compuertas, son iguales al diámetro de la tubería y ésta tendrá una longitud variable dependiendo del caso específico.
-
cuando la toma tenga que atravesar una carretera o cualquier otra estructura, se puede fijar una longitud de 5 m para permitir un sobre ancho de la berma del canal en el sitio de toma por razones de operación.
-
TOMA LATERAL MEDIANTE ESPIGONES Una toma típica de agua mediante espigones. Se desvía el agua del río o riachuelo hacia el canal de aducción, colocando un espigón, que consiste de sentados de piedras, en el río. De acuerdo a las condiciones locales, esta obra de toma puede ser construida con o sin barraje. La bocatoma sin barraje conviene para la captación de caudales más pequeños. En períodos de estiaje o de niveles medios de agua, en los cuales el río lleva ninguno o pocos sedimentos, el canal de aducción no es afectado por la introducción de arrastres de sólidos. En épocas de crecidas sin embargo, cuando el río lleva grandes cantidades de acarreo, el espigón es destruido, de manera que los sedimentos quedan en el río, ya que solamente caudales pequeños, en relación a los caudales del río, son descargados del canal de aducción. Luego al descenso de las crecidas, al final de la época de lluvias, hay que restablecer el espigón para garantizar la descarga de agua hacia el canal de aducción en la subsiguiente época de estiaje. Esta manera de dimensionamiento de tomas laterales mediante espigones no hace posible averiguar las condiciones hidráulicas exactas de las descargas que entran al canal de agua motriz, puesto que el caudal afluente hacia el canal, guiado por un espigón, depende mucho de las condiciones del flujo en el río (en especial del nivel del agua en el río). Mediante la aplicación de las curvas características del río y del canal (las relaciones entre niveles y caudales, sólo se puede estimar las descargas aproximativas que entran al canal de agua motriz. Estas descargas de agua motriz se las puede averiguar en dependencia de
los niveles de agua tanto del río como del canal que coincide en la zona de la toma, por lo cual es posible deducir el caudal aproximativo correspondiente en el canal de agua motriz.
VERTEDERO TIPO "TIROL" (TOMA EN EL LECHO) La bocatoma situada en el lecho capta el agua motriz desde el fondo del río. Para tal efecto se dispone de un colector fijado en dirección del flujo, siendo cubierto con una rejilla. Las barras de la rejilla se tienden en dirección de la corriente, y las mismas impiden el ingreso de sedimentos más gruesos al colector, los cuales son evacuados y transportados hacia aguas abajo. Granos con tamaños menores que el espaciamiento de las barras de la rejilla son llevados con el agua derivada por el colector y deben ser separados posteriormente. La estructura ubicada en el lecho puede ser construida al nivel del fondo del río o erigida del mismo en forma de un vertedero.
Consideraciones para el diseño de la toma lateral en el lecho hay que tomar lo siguiente: - Construcción maciza del cuerpo de concreto, ya que la obra está sujeta a grandes fuerzas de abrasión. -
Angulo de inclinación de la rejilla recomendado entre 5º y 35º.
-
Fijación firme de las barras de rejilla.
-
Borde suficientemente libre entre nivel de agua en el colector y la cota superior de la rejilla (como mínimo 0.25 t, con t = profundidad máxima del agua en el canal colector).
-
Pendiente suficiente del colector para la evacuación de los sedimentos introducidos por la rejilla. El tamaño de estos sedimentos está limitado por el espaciamiento entre las barras.
-
Al dimensionar la toma en el lecho hay que considerar que todo el caudal afluente del río es tomado hasta llegar al límite de la capacidad de la rejilla. En caso de que la cantidad máx. Posible de agua captada sea mayor que la descarga en épocas de estiaje, el río en el tramo aguas abajo queda seco.
-
Si el caudal afluente sobrepasa el límite de la capacidad de la rejilla, (por Ej. durante épocas de crecidas), las descargas no derivadas son evacuadas por encima de la rejilla hacia aguas abajo. Por estas razones, la delimitación de la cantidad máxima de agua motriz es más exacta mediante una bocatoma en el lecho del río que mediante un vertedero lateral con barrajes firmes (pero hay que tomar los dispositivos apropiados para la separación de cantidades mayores de sólidos ingresantes al canal colector).
Vertedero tipo "TIROL" /toma en el lecho del río
CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA LA CONSTRUCCIÓN DE TOMA LATERAL La toma de agua mediante espigón siempre es recomendable para los ríos de las Cordilleras peruanas, que llevan grandes cantidades de sedimentos y parcialmente tienen fuertes pendientes, tanto más cuanto no afectan considerablemente ni el río ni el régimen fluvial. Los criterios para la selección de la toma en el lecho se los pueden tomar del siguiente Criterios de selección Captación de agua para la generación de energía hidroeléctrica Caudal de captación Pendiente del río: - muy fuerte (I > 10 %) hasta fuerte (10 % > I > 1 %): - pendiente media (1 % > I > 0.01 %):
- pendiente suave (0.01 % > I > 0.001 %)
Toma en el lecho (vertedero tipo "TIROL") Bien posible en conexión con un desarenador La rejilla en el fondo siempre capta del río cada caudal afluente hasta llegar al límite de la capacidad de la rejilla Muy favorable; esta obra ha probado su eficacia debido a su operación sin mantenimiento, en caso de que sea bien construida. Desfavorable; sedimentos finos entran en el colector, lo que puede causar fuerte sedimentación delante del canal de agua motriz o en el mismo; la disposición de las facilidades de lavado es más difícil. Desfavorable.
Curso del río: - recto: - sinuoso - bifurcado Caudal sólido del río: -concentración del material sólido en suspensión: - alta concentración - baja concentración -transporte sólido de fondo: - fuerte
- pequeño
Muy favorable debido a un paso de agua uniforme por la rejilla Desfavorable, debido a un paso de agua no uniforme por la rejilla Desfavorable
Menos apropiada Muy favorable Bien apropiada en caso de sedimentos gruesos; la evacuación de sedimentos finos por facilidades de lavado es difícil y costosa Bien apropiada
Procedimiento para el diseño En el diseño de una toma tubular comprende lo siguiente: -
Diámetro de la tubería
-
Longitud de la tubería.
-
Velocidad en el conducto.
-
Dimensiones de la caja de entrada.
-
Sumergencia a la entrada y salida.
-
Dimensiones de la transición *Longitud y talud de salida)
-
Determinar las cotas de fondo. El U.S. Burean of Reclamation, recomienda que para iniciar los cálculos se adoptará la velocidad en el conducto (V) = 1.07 m/seg.
Adoptar la velocidad en el conducto V = 1.07 m/seg. Cálculo del área de la tubería :
Por continuidad: Q = A. V A =
Q V
Donde: Q = Caudal a derivar por la toma (m3/seg.) A = área de la tubería (m2) V = Velocidad en el conducto (m/seg.)
Cálculo del diámetro de la tubería :
A =
π D2 4
⇒
4A π
D =
Verificar el área de la tubería : A = π D 2 /4 (m 2 ).
Verificar la velocidad en el conducto : V = Q / A (m/seg.)
Cálculo de la pérdida de carga Hidráulica total en la tubería:
Pérdida en la entrada del tubo (he) :
He = Ke x hv
; hv
v2 2g
Donde: he = Pérdida en la entrada del tubo (m) hv = Carga de velocidad en la tubería (m) V = Velocidad en la tubería (m/seg.) Ke =Coeficiente que depende de la forma de la entrada en la tubería.
Cuadro Nº 01: coeficiente en la entrada de la tubería.
Forma de entrada -
Ke
Compuerta en pared delgada – contracción suprimida en los lados y
0.50
en el fondo.
1.00 0.23
-
Entrada con arista en ángulo recto
-
Entrada con arista en ángulo redondeado
-
Entrada con arista completamente redondeada
-
Entrada abocinada circular
-
Tubo entrante.
0.10 0.004 0.78
Pérdida en la salida del tubo (hs): h2 = ke x hv
(Tomando las mismas consideraciones que en la pérdida en la entrada del tubo).
Pérdida por fricción en los tubos (hf): 2
hf = sf x L;
A n(v ) sf = 2 / 3 ; R P = π x D P R
Donde: Sf = Pendiente de fricción del tubo (m/m) L = Longitud total de la tubería (m) A = Área hidráulica de la tubería (m2) R = Radio Hidráulico de la tubería (m) P = Perímetro mojado de la tubería (m) D = Diámetro de la tubería (m)
Pérdida de carga hidráulica total (htotal): htotal = he + hs + hf
Cálculo de Sumergencia en la entrada y salida : Sumergencia en la parte superior del tubo: Sme = 1.78 x hv + 0.08 Sumergencia en la salida (se considera 4” siempre y cuando se trabaje en pulgadas). Sms = 4” = 0.10m.
Cálculo de los lados de la caja de entrada:
a) Ancho de la caja (B): B = D + 0.305 D = Diámetro de la tubería en m. b) Carga en la caja (h): Q = 1.84 x b x h 3/2
, despejando se tiene: 2
3 Q (m) h = 1.84 x B
Cálculo de cotas : a)
Cotas de entrada de tubería : Nivel mínimo Pelo de Agua canal principal = cota de rasante de canal + altura mínima de agua. Sumergencia de entrada. Cota parte superior del tubo (Entrada) = Nivel. M.P.A – Sme. Diámetro del tubo. Cota Pelo de agua en el tubo de entrada = cota de la parte superior del tubo – φ tubo.
b)
Cotas en la salida de la tubería: -
Cota de suministro = N.M.P.A - htotal
-
Sumergencia de salida.
-
Cota parte superior del tubo de salida (Cst)
-
Diámetro del tubo.
-
Cota pelo de agua en el tubo de salida = Cst - φ tubo
-
Cotas de caja de entrada. -
Se considera la cota en la entrada de la tubería incrementándole a
ésta -
la
carga en la caja.
Cota en la salida del tubo = cota de entrada en el tubo – hf
PARTIDORES Son estructuras que permiten distribuir el gasto en una canalización generalmente en 02 módulos. Los partidores pueden ser permanentes ó móviles. En el último caso los partidores se construyen de elementos metálicos móviles y en los primeros pueden ser de concreto ó albañilería. (Presenta un flujo subcrítico), se diseña los partidores como rectangulares. Criterios de diseño -
Flujo en el canal subcrítico.
-
Flujo permanente.
-
Calcular b1 y b2.
-
Ancho de cada canal es proporcional al caudal. Q = (by) V = (b1 y1) V1 + (b2 y2) V2
Aplicación: Si
Q1 = 30% Q1 = (b1 y1) V1 Q2 = 70% Q2 = (b2 y2) V2
VERTEDEROS Se llama vertedero a la estructura hidráulica sobre la cual se efectúa una descarga a superficie libre. El vertedero puede tener diversas formas según las finalidades a las que se destine. Si la descarga se efectúa sobre una placa con perfil de cualquier forma pero de arista aguda, el vertedero se llama de pared delgada; cuando la descarga se realiza sobre una superficie, el vertedero se denomina de pared gruesa. Ambos tipos pueden utilizarse como dispositivos de aforo en el laboratorio o en canales de pequeñas dimensiones. El vertedero de pared gruesa se emplea además como obra de control o de excedencias en una presa y como aforador en grandes canales. El vertedero es una estructura hidráulica destinada a permitir el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales. Tiene varias finalidades entre las que se destaca: • • •
Garantizar la seguridad de la estructura hidráulica, al no permitir la elevación del nivel, aguas arriba, por encima del nivel máximo. Garantizar un nivel con poca variación en un canal de riego, aguas arriba. Este tipo de vertedero se llama "pico de pato" por su forma Constituirse en una parte de una sección de aforo del río o arroyo
En una presa se denomina vertedero a la parte de la estructura que permite la evacuación de las aguas, ya sea en forma habitual o para controlar el nivel del reservorio de agua. Generalmente se descargan las aguas próximas a la superficie libre del embalse, en contraposición de la descarga de fondo, la que permite la salida controlada de aguas de los estratos profundos del embalse. Los vertederos son estructuras que tienen aplicación muy extendida en todo tipo de sistemas hidráulicos y expresan una condición especial de movimiento no uniforme en un tramo con notoria diferencia de nivel. Normalmente desempeñan funciones de seguridad y control. Un vertedero puede tener las siguientes misiones: - Lograr que el nivel de agua en una obra de toma alcance el nivel de requerido para el funcionamiento de la obra de conducción. - Mantener un nivel casi constante aguas arriba de una obra de toma, permitiendo que el flujo sobre el coronamiento del vertedero se desarrolle con una lámina líquida de espesor limitado. - En una obra de toma, el vertedero se constituye en el órgano de seguridad de mayor importancia, evacuando las aguas en exceso generadas durante los eventos de máximas crecidas.
- Permitir el control del flujo en estructuras de caída, disipadores de energía, transiciones, estructuras de entrada y salida en alcantarillas de carreteras, sistemas de alcantarillado, etc.
Clasificaciones Los vertederos pueden ser clasificados de varias formas: •
Por su localización en relación a la estructura principal: o Vertederos frontales o Vertederos laterales o Vertederos tulipa; este tipo de vertedero se sitúa fuera de la presa y la descarga puede estar fuera del cauce aguas abajo
•
desde el punto de vista de los instrumentos para el control del caudal vertido: o Vertederos libres, sin control. o Vertederos controlados por compuertas.
•
desde el punto de vista de la pared donde se produce el vertimiento: o Vertedero de pared delgada o Vertedero de pared gruesa o Vertedero con perfil hidráulico
•
desde el punto de vista de la sección por la cual se da el vertimiento: o Rectangulares o Trapezoidales o Triangulares o Circulares o Lineales, en estos el caudal vertido es una función lineal del tirante de agua sobre la cresta
•
desde el punto de vista de su funcionamiento, en relación al nivel aguas abajo: o Vertedero libre, no influenciado por el nivel aguas abajo
o
Vertedero ahogado
Vertederos de pared delgada
La utilización de vertederos de pared delgada está limitada generalmente a laboratorios, canales pequeños y corrientes que no lleven escombros y sedimentos. Los tipos más comunes son el vertedero rectangular y el triangular. La cara de aguas arriba debe ser instalada verticalmente y el borde de la placa debe estar cuidadosamente conformado. La estructura delgada está propensa a deteriorarse y con el tiempo la calibración puede ser afectada por la erosión de la cresta. El vertedero triangular es preferido cuando las descargas son pequeñas, porque la sección transversal de la lámina vertiente muestra de manera notoria la variación en altura. La relación entre la descarga y la altura sobre la cresta del vertedero, puede obtenerse matemáticamente haciendo las siguientes suposiciones del comportamiento del flujo: 1. Aguas arriba del vertedero el flujo es uniforme y la presión varía con la profundidad de acuerdo con la hidrostática (p = ρgh). 2. La superficie libre permanece horizontal hasta el plano del vertedero y todas las partículas que pasan sobre el vertedero se mueven horizontalmente (en realidad la superficie libre cae cuando se aproxima al vertedero). 3. La presión a través de la lámina de líquido o napa que pasa sobre la cresta del vertedero es la atmosférica. 4. Los efectos de la viscosidad y de la tensión superficial son despreciables.
Estas suposiciones conducen al siguiente modelo de flujo ideal:
Ecuación para un vertedero rectangular de pared delgada: Aplicando la ecuación de Bernoulli entre los puntos 1 y 2 sobre una misma línea de corriente, se obtiene:
Un coeficiente Cd determinado experimentalmente, se involucra para considerar el uso de las suposiciones, entonces: Cd es conocido como Coeficiente de Descarga. Un vertedero rectangular sin contracción es aquel cuyo ancho es igual al del canal de aproximación. Para este tipo de vertedero es aplicable la fórmula de Rehbock para hallar el valor de Cd:
Donde p es la altura de la cresta del vertedero medida desde el piso del canal. Un vertedero rectangular con contracción es aquel en el cual el piso y los muros del canal están lo suficientemente alejados del borde del vertedero y por lo tanto no influyen en el comportamiento del flujo sobre él. Para este tipo de vertedero es aplicable la fórmula de Hamilton-Smith para hallar el valor de Cd:
Ecuación para un vertedero triangular de pared delgada: Siguiendo el mismo procedimiento anterior y despreciando el valor de v1/2g puesto que el canal de aproximación es siempre más ancho que el vertedero, se obtiene la descarga a través de: (Formula de Poleni-Weisbach) Considerando la Ecuación de la Energía, a lo largo de una línea de flujo se presenta un incremento de la velocidad y
correspondientemente una caída del nivel de agua. En el coronamiento del vertedero queda el límite superior del chorro líquido, por debajo del espejo de agua, con una sección de flujo menor al asumido por Poleni-Weisbach.
Vertedero de pared delgada y Condiciones de flujo adoptadas para la Fórmula De Poleni-Weisbach
Vertederos de pared delgada en función de las condiciones de flujo aguas arriba
VERTEDEROS DE PARED GRUESA
Relación entre C Y H para vertederos de muro grueso triangulares
Aforadores Parshall
Es una estación de medición de gasto muy versátil que se utiliza para hallar la medición del gasto en canales y obras hidráulicas. Fue desarrollado por Parshall en EE.UU. en base a los fundamentos del venturímeto y d la ocurrencia del flujo crítico en el medidor; permite medir caudales pequeños y elevados desde 10 lt/s hasta 150 lt/s. Su facilidad de instalación lo hace apropiado para el aforo
A.
Elementos de un Aforador Parshall
Donde: F = Longitud de garganta. G = Longitud de la sección divergente.
K = Diferencia de elevación entre el extremo más bajo de la canaleta y la cresta. M = Longitud del piso de llegada o acceso. N = Profundidad de la depresión en la garganta, por abajo de la cresta.
Sección convergente Consiste en dos muros verticales que converge hacia el centro del medidor el fondo de piso de este tramo corresponde a la rasante del canal
Garganta del medidor Es la sección contraída de la estructura, consiste en dos muros verticales paralelos, en este tramo el piso presenta un declive.
Tramo divergente Es el tramo de salida del medidor consiste en dos muros verticales y el piso presenta un ascenso en donde se presenta el establecimiento del flujo critico al inicio de este tramo, además se tiene dos tanques ubicados convenientemente que permiten leer los tirantes d flujo HA y HB.
B. Criterios de selección del medidor Se selecciona en base al caudal que se espera medir y al tirante del flujo del canal, la selección se hace en base al ancho de la garganta (W). C. Ventajas y desventajas -
Ventajas Diseño estándar Mayor precisión en la medición, error 3 Fácil instalación Mínima sedimentación
-
Desventajas Alto costo Su fabricación o construcción requiere mano de obra calificada
D. Fórmulas utilizadas para el diseño
Gasto para medidores Parshall 0.10 ≤ Q ≤ 150 m3/s
0..026
Sistema inglês
Q = 4 W Ha1.52 W
Sistema métrico
Q = 0.3716 W ( 3.281Ha )
Parshall Sumergidos
HB > 0.70 HA
Parshall No Sumergidos
HB ≤ 0.70 HA
RÁPIDAS
ft3/seg 1.57 W 0.026
m3/s
Definición Las rápidas son estructuras que sirven para enlazar dos tramos de un canal donde existe un desnivel considerable en una longitud relativamente corta. La decisión entre la utilización de una rápida y una serie de caídas escalonadas está supeditada a un estudio económico comparativo. La rápida es un canal de fuerte pendiente que permite unir una cota mayor con una cota menor de un canal de conducción. Las rápidas se construyen de diferentes secciones encontrándose las mas comunes la sección rectangular y trapezoidal, los materiales de construcción de diversos.
PARTES DE UN CANAL DE RÁPIDA 1. Transición entrada y salida. 2. Cuerpo de la rápida. 3. Posa de disipación de energía. 4. Entrada tramo centro de conexión del canal – poza de disipación.
Datos (de campo necesario para el diseño hidráulico)
-
Se requiere conocer las propiedades hidráulicas y elevaciones de la rasante.
-
las secciones del canal aguas arriba y aguas abajo de la rápida.
-
un perfil del tramo en la localización de la estructura
Elementos de una rápida
Los elementos de una rápida se muestran en la figura 3.1, la cual está Compuesta de: Transición de Entrada:: une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. Sección de Control:: es la sección correspondiente al punto donde comienza la pendiente fuerte de la rápida, manteniéndose en este punto las condiciones críticas. En la rápida generalmente se mantiene una pendiente mayor que la necesaria para mantener el régimen crítico, por lo que el tipo de flujo que se establece es el flujo supercrítico.
Canal de la rápida: es la sección comprendida entre la sección de control y el principio de la trayectoria. Puede tener de acuerdo a la configuración del terreno una o varias pendientes. Son generalmente de sección rectangular o trapezoidal. Trayectoria: es la curva vertical parabólica que une la pendiente última de la rápida con el plano inclinado del principio del colchón amortiguador. Debe diseñarse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacíos. Si la trayectoria se calcula con el valor de la aceleración de la gravedad como componente vertical, no habrá presión del agua sabre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentará, ¡imitándose así la capacidad de conducción del canal, por lo que se acostumbra usar como componente vertical un valor inferior a la aceleración de la gravedad o incrementar el valor de la velocidad para que la lámina de agua se adhiera al fondo del canal. Tanque amortiguador, colchón disipador o poza de disipación: es la depresión (le profundidad y longitud suficiente diseñada con el objetivo de absorber parte de la energía cinética generada en la, rápida, mediante la producción de! resalto hidráulico, y contener este resalto hidráulico dentro de la poza. Se ubica en el extremo inferior de ¡a trayectoria. Transición de salida: tiene el objetivo de unir la poza de disipación con el canal aguas abajo. Zona de protección: con el fin de proteger el canal sobre todo si es en tierra, se puede revestir con mampostería.
Figura 3.1
Diseño de una Rápida Procesos
• Cálculo utilizando el análisis del flujo en un perfil longitudinal con tramos de pendiente fuerte y calculando las curvas de remanso. Para simplificar cálculos se puede usar el software HCANALES. • Procedimiento, el indicado a continuación:
Condiciones de diseño – rápida para caudal pequeño < (5 – 7) m3/s. -
No hay curva parabólica de conexión.
-
Talud
pendiente cero aguas abajo al final de poza disipadora.
PASOS A SEGUIR EL DISEÑO 1.
Diseñar las transiciones de entrada y salida.
2.
Identificar la sección del control de flujo.
3.
Diseño del cuerpo del canal en rápida.
4.
Diseño de la poza de disipación de energía.
5.
Control de velocidades y el tirante del flujo en el canal de rápida.
6.
Verificar: El flujo en el canal en rápida es no uniforme y/o no permanente.
Procedimiento para el diseño de una rápida.
1. Diseño del canal, aguas arriba y aguas abajo de la rápida Utilizar las consideraciones prácticas que existen para el diseño de canales.
2. Cálculo del ancho de solera en la rápida y el tirante en la sección de control En la sección de control se presentan las condiciones críticas, para una sección rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes:
yc =
yc =
3
2 E min 3
q2 = g
3
Q2 b2 g
b=
27Q 2 8 E 3 min g
Se puede asumir que E min = E n (energía específica en el canal), para inicio de los cálculos realizar la verificación. También se puede suponer un ancho en la sección de control de la caída, calcular el tirante crítico y por la ecuación de la energía calcular el tirante al inicio de la transición. Existen fórmulas empíricas para el cálculo del ancho de la rápida, las cuales son: • De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse:
Otra fórmula empírica:
b=
18.78 Q 10.11 + Q
(Ancho de la rápida)
3. Diseño de la transición de entrada Para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es:
L=
T1 − T2 2tg 22.5º
Donde: T1 = espejo de agua en el canal. T2 = b = ancho de solera en la rápida. 4. Cálculo de la transición de salida Se realiza de la misma forma que la transición de entrada 5. Verificar velocidades. 6. Verificar borde libre 7. Comprobar o verificar supresiones en fondo del canal. 8. Calcular el tirante al final de la rápida.
PUENTE CANAL O CANOA
Definición El puente canal o acueducto, es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresión. La depresión puede ser otro canal, un camino, una vía de ferrocarril o un dren. El puente canal es un conjunto formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, hierro, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad. Son las obras mediante las cuales es posible cruzar un canal con cualquier obstáculo que se encuentra a su paso. • una depresión o sobre elevación natural o artificial del terreno Para salvar el obstáculo, se debe recurrir a una estructura de cruce que puede ser: • puente canal • sifón invertido • alcantarilla • túnel
Elección del tipo de estructura En cada caso se debe escoger la solución más conveniente para tener un funcionamiento hidráulico correcto, la menor pérdida de carga posible y la mayor economía factible. 1. Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar una alcantarilla, y si el obstáculo es muy grande se puede usar un túnel. 2. Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar como estructura de cruce un puente canal o un sifón invertido. 2.1 El puente canal se puede utilizar cuando la diferencia de niveles entre la rasante del canal y la rasante del obstáculo, permite un espacio libre suficiente para lograr el paso de vehículos en el caso de caminos o ferrocarriles; ó el paso del agua en el caso de canales, drenes, arroyos ó ríos. 2.2 El sifón invertido se puede utilizar si el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo, y no se tiene el espacio libre suficiente para lograr el paso de vehículos ó del agua.
Elementos hidráulicos de un puente canal En el diseño hidráulico, como se muestra en la figura 7.2, se pueden distinguir los siguientes componentes: 1. Transición de entrada, une por un estrechamiento progresivo el canal con el puente canal, lo cual provoca un cambio gradual de la velocidad del agua en el canal. 2. Conducto elevado, generalmente tiene una sección hidráulica más pequeña que la del canal. La pendiente de este conducto, debe ajustarse lo más posible a la pendiente del canal, a fin de evitar cambios en la rasante de fondo del mismo. Debe procurarse que en el conducto el flujo sea subcrítico, 3. Transición de salida, une el puente canal con el canal.
CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO
1. Material El material utilizado para la construcción del puente canal puede ser: concreto, madera, hierro, u otro material duro, lo cual nos permite elegir el coeficiente de rugosidad.
2. Forma de la sección transversal Por facilidades de construcción se adopta una sección rectangular, aunque puede ser semicircular o cualquier otra forma. 3.
Ubicación de la sección de control Por lo general, un puente canal cuya vista en planta se diseña para las condiciones del flujo subcrítico (aunque también se puede diseñar para flujo supercrítico), por lo que el puente canal representa una singularidad en el perfil longitudinal del canal, que crea efectos hacia aguas arriba. 4. Diseño del conducto elevado Por condiciones económicas el ancho debe ser lo menor posible, pero manteniendo siempre el mismo tipo de flujo, en este caso flujo subcrítico. A fin de que las dimensiones sean las mínimas posibles se diseña para condiciones cercanas a las críticas. Para una sección rectangular, en condiciones críticas se cumplen las siguientes ecuaciones:
yc =
yc =
b=
3
2 E min 3
q2 = g
3
Q2 b2 g
27Q 2 8 E 3 min g
5. Cálculo de la transición de salida Para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es:
L=
T1 − T2 2tg 22.5º
Donde: T1 = ancho de solera el conducto. T2 = b = = espejo de agua en el canal.
La transición de entrada se diseña en forma similar, siendo:
T1 = espejo de agua en el canal. T2 = b = ancho de solera el conducto.
6. Cálculo de las pérdidas en las transiciones Las pérdidas predominantes en las transiciones (por su corta longitud) corresponden a las pérdidas por cambio de dirección, siendo su ecuación:
h1− 2 = K∆ hv
Donde: h1− 2 = pérdidas por transición entre 1 y 2 K = coeficiente de pérdidas en la transición, puede ser: Ke = coeficiente de pérdidas en la transición de entrada Ks = coeficiente de pérdidas en la transición de salida ∆ hv = diferencia de cargas de velocidad, valor siempre positivo
Tipo de transición
Curvado Cuadrante cilíndrico Simplificado en línea recta Línea recta Extremos cuadrados
Ke
Ks
0.10
0.20
015 0.20
0.25 0.30
0.30 0.50 0.3 O
0.75
SIFONES Los sifones son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para conducir el agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica en la que está ubicado un camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso otro canal. Con el fin de que el sifón funcione adecuadamente, es necesario que la tubería de salida del sifón este ubicado a un acota mas baja que de la tubería de entrada, con una caida por lo menos igual a las perdidas de energía por fricción y accesorios a través del sifón.
Partes de un sifón: 1. Compuerta de emergencia y rejilla de entrada Desarenador 2. . Conducto o barril 3. Desarenador 4. Transición de entrada 5. Desagüe de excedencias 6. Registros para limpieza y válvulas de purga 7. Transición de salida No siempre son necesarias todas las partes indicadas pudiendo suprimirse algunas de ellas. 1. Compuerta de emergencia y rejilla de entrada Por facilidad de construcción se localizan a la entrada del conducto, o sea al finalizar la transición de entrada. La compuerta de emergencia consiste en una o varias compuertas deslizantes o agujas de madera que corren sobre ranuras hechas en las paredes laterales o en viguetas de hierro y que en un momento determinado puedan cerrar la entrada al conducto para poder hacer limpieza o reparaciones al mismo. La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8” de diámetro o varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 (3/8” x 3/8”) colocados a cada 10 cm., y soldadas a un marco de 2.54 x 1.27 (1” x 1/2”). Su objeto es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y objetos extraños que impidan el funcionamiento correcto del conducto. La rejilla permite también proteger a las personas que por una u otra razón están usando el canal. 2. Conducto o barril
Forma la parte más importante y necesaria de los sifones. Se recomienda profundizar el conducto, dejando un colchón mínimo de 1 m en las laderas y de 1.5 m en el cruce del cauce para evitar probables fracturas que pudieran presentarse debido a cargas excesivas como el paso de camiones y tractores.
Sección transversal Por cuestiones de construcción pueden ser: 1. Cuadradas 2. Rectangulares
H/B = 1.5
3. Circulares Velocidades en el conducto
Las velocidades de diseño en sifones grandes es de 2 a 3m/seg, mientras que en sifones pequeños es de 1.6 m/s. Un sifón se considera largo, cuando su longitud es mayor a 500 veces el diámetro. Funcionamiento El sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida.
Ahogamiento > 10 % , puede tenerse ahogamiento <50 % Ahogamiento = (H-h)//hx100
El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas en el sifón. La diferencia de carga AZ debe ser > las perdidas totales. 3. Desarenador Consiste en una o varias compuertas deslizantes colocadas en una de las partes laterales, que descargan a un canal con pendiente superior a la del propio canal. Sirven a la vez para desalojar el agua del sifón, cuando por reparaciones en éste sean cerradas las compuertas o agujas de emergencia, se recomienda hacerlos de las dimensiones convenientes para que pase el caudal por desalojar y unirlos al canal colector de la obra de excedencias. Conviene localizarlo antes de la transición de entrada. 4. Transiciones de entrada y salida Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es diferente a la adoptada en el conducto o barril, es necesario construir una transición de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda. L=
T1 − T2 2tg 22.5º
En el diseño de una transición de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifón un poco más abajo de la superficie normal del agua. Esta práctica hace mínima la posible reducción de la capacidad del sifón causada por la introducción del aire. La profundidad de sumergencia de la abertura superior del sifón se recomienda que esté comprendida entre un mínimo de 1.1 h y un máximo de 1.5 h. donde: Hv = carga de velocidad 5. Desagüe de excedencias Es una estructura que evita que el nivel del agua suba más de lo tolerable en el canal de llegada, evacuando el caudal que no pueda pasar por el sifón. Generalmente consiste en un vertedor lateral construido en una de las paredes del canal. Para el caudal normal, la cresta del vertedor estará al nivel de la superficie libre del agua. 6. Registro para limpieza y válvula de purga Se coloca en la parte más baja del barril, permite evacuar el agua que quede almacenada en el conducto cuando se deja de usar el sifón, con fines de limpieza o reparación, y consistirá
en válvulas de compuerta deslizante, de las dimensiones que se estime conveniente de acuerdo con el caudal a desalojar. Se pueden usar para desalojar lodos. Algunas veces estas válvulas no se pueden colocar en la parte más baja del sifón por tratarse del fondo del cauce del río por salvar, habiendo necesidad cuando se presente el caso, de alguna bomba que succione el agua restante. Estas válvulas se protegen por medio de un registro de tabique o concreto que llega hasta la parte superior del terreno. Deben abrirse gradualmente para evitar aumentos de velocidades fuertes en las tuberías.
Cálculo hidráulico de un sifón Pérdidas de carga por transición de entrada y salida Con el plano a curvas de nivel y el perfil del terreno en el sitio de la obra, se traza el sifón y se procede a diseñar la forma y dimensiones de la sección del conducto más económica y conveniente, esto se obtiene después de hacer varios tanteos, tomando en cuenta las pérdidas de carga que han de presentarse. Las dimensiones de la sección transversal del conducto dependen del caudal que deba pasar y de la velocidad que se pueda dar. En sifones grandes se considera una velocidad conveniente de agua en el barril de 2 a 3 mIs que evita el depósito de azolve en el fondo del conducto y que no es tan grande que pueda producir la erosión del material de los barriles. Cuando por las condiciones del problema, no sea posible dar el desnivel que por éstas limitaciones resulten, se pueden reducir las pérdidas, disminuyendo prudentemente la velocidad del agua, teniendo en cuenta que con esto se aumenta el peligro de asolvamiento del sifón, por lo que habrá necesidad de mejorar las facilidades para limpiar el interior del barril. El sifón funciona por diferencia de cargas, ésta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas en el sifón. La diferencia de cargas AZ debe ser mayor o igual que las pérdidas totales.
Pérdidas en el sifón Las principales pérdidas de carga que se presentan son: 1. Pérdidas por transición de entrada y salida 2. Pérdidas en la rejilla 3. Pérdidas de entrada 4. Pérdidas por fricción en el conducto o barril 5. Pérdidas por cambio de dirección o codos 6. Pérdidas por válvulas de limpieza 7. Pérdidas por ampliación Perdidas de carga por transición de entrada y salida. hle = 0.1
hls = 0.2
(v
2
2
(v
3
2
− v1 2g
2
− v4 2g
)
2
)
Donde: hie = pérdida por transición de entrada h1 = pérdida por transición de salida V1 = velocidad en sección 1 de la transición, de entrada. v2 = velocidad en sección 2 de la transición, de entrada. V3 = velocidad en sección 3 de transición de salida. v4 = velocidad en sección 4 de transición de salida.
Pérdidas por rejillas Cuando la estructura consta de bastidores de barrotes y rejillas para el paso del agua, las pérdidas originadas se calculan con la ecuación:
2
v h2 = K n 2g Donde: K = coeficiente de pérdidas en la rejilla A = área neta de paso entre rejillas Ag = área bruta de la estructura y su soporte, que quede dentro del área hidráulica v = velocidad a través del área neta de la rejilla dentro del
Pérdidas de carga por entrada al conducto h3 = Ke
v
2
2g
Donde: h3
= pérdida de carga por entrada al conducto y = velocidad del agua en el barril Ke - coeficiente que depende de la forma de entrada
V - Velocidad del agua en el barril.
Valores de Ke
Compuerta en pared delgada — contracción suprimida en los lados y en el fondo
1 .00
Para entrada con arista en ángulo recto
0.5
Para entrada con arista ligeramente redondeada
0.23
Para entrada con arista completamente redondeada R/D =0.15
0.10
Para entrada abocinada circular
0.004
4. Pérdidas por fricción en el conducto Una fórmula muy empleada para determinar las pérdidas por fricción es la de Manning: v=
1 23 12 R S n 2
vn hf = SL 2 L R3 Donde: hf = n = S = y = R =
pérdidas por fricción coeficiente de rugosidad pendiente de la línea de energía velocidad del agua en el conducto radio hidráulico
L = longitud total del conducto
Pérdidas de carga por cambio de dirección o codos
∆ v2 h5 = kc 90º 2 g Donde: h5 = pérdida de carga por cambio de dirección ∆ = ángulo de deflexión kc = coeficiente para codos comunes = 0.25
Pérdidas por válvulas de limpieza
Las pérdidas de carga que se originan en los sifones por el hecho de insertar lateralmente una tubería en la que se coloca una válvula para desagüe y limpieza se deben considerar como pérdidas por bifurcación de tuberías. Esta pérdida existe aún cuando una de las partes esté cerrada por la válvula, ya que se forman turbulencias dentro de la tubería, pero en vista de que se considera muy pequeña y no se ha podido evaluar se olvida.
Perdidas por ampliación
(pérdidas por salida)
Algunas veces por exigencias topográficas no es posible localizar una transición a la salida del sifón para el cambio de sección, haciéndolo en una caja, de la cual saldrá el agua al canal. La pérdida de carga será motivada por ampliación brusca en la sección y se aplica la fórmula de Borda.
h7 =
(v
2 1
− v2 2g
2
)
Donde: h7
= pérdida de carga por ampliación brusca
v1 v2
= velocidad en el sifón = velocidad aproximada en la caja
ALCANTARILLAS
A. Consideraciones hidráulicas El escurrimiento a través de una alcantarilla generalmente queda regulado por los siguientes factores: • Pendiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo del lugar • Pendiente del fondo de la alcantarilla • Altura de ahogamiento permitido a la entrada • Tipo de entrada • Rugosidad de las paredes de la alcantarilla • Altura del remanso de salida Todos los factores se combinan para determinar las características del flujo a través de la alcantarilla. Para el diseño de una alcantarilla el proyectista deberá considerar: • El caudal de diseño • La altura de agua permisible a la entrada La altura de agua a la salida • La pendiente con que se colocará el conducto • Su longitud • El tipo de entrada • Longitud y tipo de transiciones • La velocidad del flujo permisible a la salida B. Consideraciones de diseño Las siguientes consideraciones para el diseño de una alcantarilla son proporcionadas por el Bureau of Reclamation:
Las alcantarillas son diseñadas para una presión hidrostática interna mínima, es decir, el gradiente hidráulico está un poco por encima de la parte superior del tubo y a veces dentro del tubo mismo. La elección del diámetro de la alcantarilla, se hace en función del caudal de tal forma que no sobrepase la velocidad admisible, Con la tabla se puede definir el diámetro para: - Una velocidad máxima admisible de 1.06 mIs (3.5 pies /s), para una alcantarilla con transición en tierra, tanto a la entrada como para la salida. - Una velocidad máxima admisible de 1.5 mis (5 pies/s), para una alcantarilla con transición de concreto, tanto para la entrada como para la salida. Datos para la selección del diámetro de tuberías
La máxima elevación del nivel del agua en la entrada de la alcantarilla es igual al diámetro de la tubería más 1.5 la carga de velocidad en la alcantarilla es decir: D + 1.5hv.
Donde:
La pendiente mínima de la alcantarilla es de 0.005 (S0 = 5%).
Cobertura de tierra mínima entre la corona del camino y el tubo: - En carreteras principales y ferrocarriles coberturas mínimas de 0.90 m. (3 pies). - En carreteras con parcelas, coberturas mínimas de 0.60 m (2 pies).
Talud a la orilla del camino: 1.5:1
Las transiciones reducen las pérdidas de carga y previenen la erosión disminuyendo los cambios de velocidad. Las transiciones pueden hacerse de concreto, tierra y suelo - cemento. Las transiciones de Concreto son necesarias en los siguientes casos: - En los cruces de ferrocarriles y carreteras principales. - En las alcantarillas con diámetro mayor de 36 pulg. (9 1.44 cm). - En las alcantarillas con velocidades mayores de 1.06 mIs (3.5 pies/s). La pendiente máxima de la transición admite un talud de 4:1
Collares que incrementan la longitud del movimiento del agua a través del exterior del tubo.
Las pérdidas asumidas son de 1.5 veces la carga de velocidad en la tubería más las pérdidas por fricción. hT1 = 1.5hV+hfE
Para el cálculo de las pérdidas en las alcantarilla funcionando llena, se puede usar la siguiente fórmula, en el sistema métrico decimal:
Donde: hT2
= carga, en m
Ke
=coeficiente de pérdidas a la entrada
D
= diámetro de la tubería, en m
n
= coeficiente de rugosidad
L
= longitud de la alcantarilla, en m
Q
= caudal, en m3/s
Se han determinado valores experimentales de Kc para las diferentes condiciones de la entrada.
C. PROCEDIMIENTO DE CALCULO
a. Calcular las dimensiones del canal, es decir, definir sus dimensiones y parámetros hidráulicos. b. Calcular las dimensiones de la alcantarilla, para esto, con el caudal conocido, usando la tabla de datos para selección de la tubería, determinar el diámetro de la alcantarilla, recordar que para una transición de tierra elegir v = 1.06 m/s y para una transición de concreto elegir v = 1.52 m/s. c. Calcular el área A con el diámetro elegido:
d. Calcular la velocidad en el conducto, para esto, con el caudal dado y el área calculada, usar la ecuación de continuidad:
e. Calcular la carga de velocidad en la alcantarilla:
f. Calcular la elevación del nivel de agua a la entrada de la alcantarilla: NAEA= CotaA +y Donde: NAEA
= elevación del nivel de agua en el canal, a la entrada de la alcantarilla
Cota A
= cota de fondo del canal antes de la transición
y
= tirante en el canal
g. Calcular cotas: CotaB
= NAEA-l.5hv-D
Cota F
= Cota B + D + cobertura
Cota E
= Cota A + H
Donde: Cota B
= elevación del fondo de la tubería al inicio de la alcantarilla
Cota F
= elevación de la carretera, o fondo del canal a atravesar
Cota E
= elevación del ancho de corona del canal
H
= profundidad del canal (incluye bordo libre)
Cobertura = profundidad de cobertura de la alcantarilla h. Calcular la longitud total de la alcantarilla: L = 2xZx (Cota F - Cota E) + ancho del camino Donde: Z: talud del camino Esta longitud se redondea de acuerdo a un múltiplo de la longitud de tuberías que existen en el mercado. i. Calcular caída en la tubería: ∆Z = LS0 Donde: ∆Z
= diferencia de cotas, al inicio y al final de la alcantarilla
L
= longitud de la tubería
So
= pendiente de la tubería
Somin
= 0.005
j. Calcular Cota C:
Donde: Cota C = elevación del fondo al final de la alcantarilla k. Calcular la pendiente de la línea de energía:
l. Calcular hfE: HfE = LSE m. Calcular las pérdidas asumidas hTl,
n. Calcular el nivel del agua a la salida de la alcantarilla, NASA: NASA— NAEA— hTI o. Calcular cota en D: CotaD = NA SA- y Donde: Cota D
= elevación del fondo del canal después de la alcantarilla
Y
= tirante en el canal
p. Calcular las longitudes de las transiciones: L1 = 3D 05’ mín L2 = 4D 05’ mín
Ó
L=
T− t 2tg 12.5º
q. Calcular el talud de transición Z=
L Elev. A − Elev.B
Verificar que el talud 4:1 es decir Z ≥ 4 r. Calcular las pérdidas reales hT2
Donde: hT2
= carga, en m
Ke
=coeficiente de pérdidas a la entrada
D
= diámetro de la tubería, en m
n
= coeficiente de rugosidad
L
= longitud de la alcantarilla, en m
Q
= caudal, en m3/s
s. Verificar que hT2 ≤ hT1
PROCESO CONSTRUCTIVO DE OBRAS DE ARTE Una vez concluido el diseño hidráulico se procederá a realizar el análisis y diseño estructural donde determinaremos el peraltamiento, dimensiones y refuerzo de cada estructura así como la resistencia del concreto a emplear. Su proceso constructivo comprende de la ejecución de diferentes partidas entre las más usuales tenemos: A. OBRAS PROVISIONALES A.1 Instalación y desmontaje de campamento A.2 Transporte y retiro de equipos y/o maquinaria A.3 Mantenimiento de camino de acceso
B. TRABAJOS PRELIMINARES B.1. Trazos y replanteos topográficos B.2. Limpieza y desbroce de terreno – manual
C. MOVIMIENTO DE TIERRAS C.1
Excavación de canal en terreno natural
C.2Excavación y perfilado caja de canal C.3Excavación para estructuras en material suelto C.4Compactación de superficie C.5Relleno compactado con material para base C.6Relleno compactado con material para sub base C.7Relleno compactado con material propio C.8Relleno compactado para estructuras C.9Relleno compactado para camino de servicio C.10
Carguias y transporte de material para base
C.11
Carguias y transporte de material para sub base,
D. CONCRETO EN SUPERFICIE D.1.
Concreto simple F’c=100 Kg./cm2, para solado e=0.10m
D.2.
Concreto simple f’c=100 kg/cm2+30% la P.G., para falsa zapara
D.3.
Revestimiento de concreto f’c= 175 kg/cm2 e=0.075
D.4.
Concreto reforzado f’c= 210 kg/cm2, con acelerarte
D.5.
Encofrado y desencofrado plano
D.6.
Acero de refuerzo f’c = 4200 kg/cm2
E. MISCELÁNEOS E.1
Tubería de concreto simple normalizado
E.2
Juntas water stop de 9”
E.3
Sellado de juntas con material elastomerito
E.4
Planchas de neopreno y accesorios para puente
E.5
Escalones de fierro D = ¾”
E.6
Compuerta plana deslizante tipo ARMCO
PANEL FOTOGRÁFICO
PROCESO CONSTRUCTIVO DE DIFERENTES OBRAS DE ARTE
VERTEDERO LATERAL
SIFÓN INVERTIDO
TOMA LATERAL
RÁPIDA
ACUEDUCTO DE CONCRETO ARMADO
