2
SIFONES INVERTIDOS Y ALCANTARILLAS ALCANTARILLAS 6.1
GENERALIDADES. Para el transporte y distribución del agua se utilizan diversas estructuras hidráulicas; cada una d e estas ubicadas adecuadamente.
6.2
SIFONES. Cuando un canal debe cruzar una depresión ya sea una quebrada, un río, un dren o un camino, etc. Se proyecta un sifón invertido que puede ser de sección circular, rectangular o cuadrado que trabajara a tubo lleno.
ELEMENTOS DE UN SIFON INVERTIDO
6.3
CRITERIOS DE DISEÑO. 1.
Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertur a, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida.
2.
En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes se requiere un mínim o de 1.20 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir es suficiente 0.80 m. Si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente una cobertura de 0.60 m.
3.
La pendiente de los tubos doblados no debe ser mayor de 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser de 5/1000. Se recomienda transición de concreto a la entrada y a la salida cuando el sifón cruce caminos principales en tuberías de ø mayor o igual a 36” y para velo cidades
en el tubo mayores a 1 m/seg. 4.
Con la finalidad de evitar desbordes aguas arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño; se recomienda aumentar en 50% o 0.30 m como máximo al bode libre del canal en una longitud mínima de 15 m a partir de la estructura.
2
CRUCE CON CAMINO DE TIPO V1(3 m) V2(3 m) V3(3 m)
ANCHO DEL CAMINO EN LA CORONA DE LA ALCANTARILLA O SIFON Cruce con sobreancho Cruce Simple (m) (m) 4.0 6.6 5.5 6.6 8.0 8.0 TABLA No 6.1
6.4
PARTES DE UN SIFON INVERTIDO: Los sifones invertidos constan de las siguientes partes: 1.
Desarenador.
2.
Desagüe de excedencias.
3.
Compuerta de emergencia o rejilla de entrada.
4.
Transición de entrada.
5.
Conducto o barril.
6.
Registros para limpieza y válvulas de purga.
7.
Transición de salida.
3
1.
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.
2.
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 puede 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.
3.
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 varías 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 separaciones al mismo. La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8” de diámetro o varillas cuadradas de 0.95x0.95 (3/8”x3/8”) colocados a cada 10 cm y soldadas a una marco de 2.54x1.27 (1”x1/2”).
Su objeto es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras u objetos extraños que impidan el funcionamiento correcto del conducto. La rejilla perm ite también proteger a las personas que por una u otra están usando el canal. 4.
Transición de entrada. Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es diferente a la adoptada en el conducto o carril, es necesario construir una transición de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda. Para el cálculo de la longitud de las transiciones que son simétricas se seguirá el criterio de la Comisión Nacional de Irrigación de México. L
T 1 T 2 2tg 22.5
(Ec. 6.1)
4
5.
Conducto o barril. Forma la parte más importante y necesaria de los sifones. Se recomienda profundizar el conducto, dejando un colchón como 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 cagas excesivas como el paso de camiones y tractores. Sección transversal: Por cuestiones de construcción pueden ser: 1.
Cuadradas.
2.
Rectangulares
H B
3.
1.5
Circulares.
Velocidades en el conducto: Las velocidades de diseño de sifones grandes es de 2-3 m/s, mientras que en sifones pequeños es de 1.6 m/s. Un sifón se considera largo, cuando su longitud es mayor que 500 veces el diámetro. Funcionamiento: El sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida.
FIG. No 6.2
Ahogamiento
10%
Puede tenerse ahogamiento 50% H h 100 Ahogamiento h
(Ec. 6.2)
El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las Pérdidas en el sifón. La diferencia de carga Z debe ser las pérdidas totales.
5
6.5
CÁLCULO HIDRÁULICO DE UN SIFÓN INVERTIDO. Con el plano a curvas a nivel y el perfil del terreno en el sitio de la obra, se traza el sifón y se procede a diseñar la forma y las dimensiones de la sección del conducto más económica y conveniente, esto se obtiene después de tanteos, tomando en cuenta las pérdidas de carga que se 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 m/s que evita el deposite 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 pérdidas, disminuyendo prudentemente la velocidad del agua, teniendo en cuenta que con esto se aumenta el peligro de azolvamiento del sifón, por lo que habrá la necesidad de m ejorar las facilidades para limpiar en interior del barril. El sifón funciona por diferencia de cargas, ésta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas del sifón. La diferencia de cargas Z debe ser mayor o igual que las pérdidas totales.
6.6
PERDIDAS DE CARGA EN EL SIFON INVERTIDO. Las principales pérdidas de carga 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
1.
Pérdidas por trans ici ón de entrada y salida:
h1e 0.1
h1 s 0.2
(v v ) 2
2
2
1
(Ec. 6.3)
2 g (v v ) 2
2
3
4
2 g
Donde: h1e= Pérdidas por transición de entrada
(Ec. 6.4)
6
h1s= Pérdidas 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 En un flujo subcrítico la sección (4) de la Fig. No 6.1 tiene el tirante real igual al tirante normal, esto es debido a que en un flujo subcrítico, toda la singularidad crea efectos hacia aguas arriba. Para encontrar las pérdidas por transición de salida es conveniente aplicar el teorema de Bernoulli entre los puntos (3) y (4). Para calcular las pérdidas por transición de entrada se aplica el mismo teorema pero entre los puntos (1) y (2) El tubo a la entrada y salida, conviene que quede ahogado de un 10% a un 50% de hv para evitar la entrada de aire que pueda producir el funcionamiento defectuoso. 2.
Pérdidas por rejillas :
Cuando la estructura consta de bastidores de barrote y rejillas para el paso del agua, las pérdidas originadas se calculan con la ecuación: v2 n h2 K 2 g
(Ec. 6.5)
Donde: h2= pérdidas por rejillas
An nA 2 K 1.45 0.45 A A g g
(Ec. 6.6)
K = Coeficientes de pérdidas en las rejillas An= Área neta de paso entre rejillas Ag= Área bruta de la estructura y su deporte, que quede den tropel área hidráulica vn= Velocidad a través del área neta de la rejilla dentro del área hidráulica 3.
Pérdidas de carg a por entrada del conducto:
h3 Ke
v2 2 g
(Ec. 6.7)
Donde: h3 = Pérdida de carga por entrada al conducto v = Velocidad del agua en el barril Ke = Coeficiente que depende de la forma de entrada.
7
DESCRIPCION Compuerta
en
pared
Ke
delgada-
contracción
1.00
suprimida en los lados y en el fondo. Para entrada con arista en ángulo recto
0.5
Para entrada con arista ligeramente redondeado
0.23
Para entrada con arista completamente redondeada R/D= 0.15
0.10
Para entrada bocinada circular
0.004
VALORES DE Ke
4.
Pérdidas de carg a por fric ción en el conducto:
Una fórmula muy empleada para determinar las pérdidas por fricción es la de Manning: 2 1
1 v R 3 S 2 n
2
vn L h SL
(Ec. 6.8)
2 R 3
f
Donde: hf = Pérdidas por fricción n = Coeficiente de rugosidad S = Pendiente de la línea de energía v = Velocidad del agua en el conducto R = Radio hidráulico L = Longitud total del acueducto Cuando de se trata de un conducto circular el radio hidráulico es: d R (Ec. 6.9) 4 Luego: 0.3969 v
3 1
d 2S2 n
h SL
vn
2
L 2
0.3969d 3 Donde, d es el diámetro del conducto.
(Ec. 6.10)
7
8
h5 kc
v2
(Ec. 6.11)
90 2 g
Donde: h5= Pérdida de carga de cambio de dirección
= Ángulo de deflexión kc= Coeficiente para codos comunes = 0.25
5.
Pérdidas de carg a por válvulas de limpieza:
Las pérdidas de carga que se originaron 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 la 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. 6.
Pérdidas de carg a por ampliación (perdidas por s alida):
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. 2 (v v ) 2 h7 1 2 g
(Ec. 10.12)
Donde: h7 = Pérdida de carga por ampliación brusca. v1 = Velocidad en el sifón. v2 = Velocidad aproximada en la caja. S eg ún Arc her: (v v )1.919
h s 0.997
1
2
2 g
1.919
0.0508(v1 v2 )
Forma práctica:
h s 2he Donde: hs = Pérdida por salida he = Pérdida por entrada
(Ec. 10.13)
8
9
Para el caso de un flujo subcrítico en el cana l, toda singularidad (en este caso el sifón invertido), c ausa efectos hacia arriba, por lo tanto en punto (1) de la Fig. No 6.3 se presenta el tirante real, siendo igual al tirante normal en el canal.
FIG. No 6.3 PERFIL LONGITUDINAL
El proceso de cálculo es como sigue: 1.
Calcular las dimensiones del canal. Para esto se debe conocer, el caudal, forma del canal, rugosidad y pendiente.
2.
Calcular las dimensiones de los conductos. Con el caudal conocido y suponiendo una velocidad, por ejemplo v = 2m/s, y utilizando la ecuación de continuidad calcular el área: A
Q
(Ec. 10.14)
v
Definir el tipo de sección transversal del conducto:
FIG. No 6.4 SECCIONES TIPICAS
Calcular las dimensiones: Por ejemplo para el caso de una sección circular A
D
D
4 A
(Ec. 6.15)
4
El diámetro que debe tomarse debe ser lo más cercano posible al calculado, pero que esté disponible en el mercado. Con el diámetro real elegido, recalcular el área A. Recalcular v Q v A
(Ec. 6.16)
Donde A es el área calculada con el diámetro real.
9
10
3.
Calcular las transiciones: Calcular la longitud de la transición exterior de trapezoidal a rectangular: Le
T t
(Ec. 6.17)
2tg 22.5
Donde: LE = Longitud transición exterior. T = Espejo de agua en el canal. t = D = Diámetro del conducto. Calcular la longitud de la transición interior de rectangular a circular (Ec. 6.18)
Li 1.5 D
Donde: Li = Longitud transición interior D = Diámetro del conducto 4.
Calcular la carga disponible: Calcular la diferencia de cotas Z Z cot a(6) cot a(1)
(Ec. 6.19)
Calcular las pérdidas totales aproximadas
ht 1.25h f
(Ec. 6.20)
Donde:
ht = sumatoria de las pérdidas totales
hf = SE . L
(Ec. 6.21) 2
v.n S E 2 R 3
(Ec. 6.22)
Para una tubería llena: R = D/4 Por lo cual: S E
v.n 2
(Ec. 6.23)
2
0.3969 D 3
Luego:
h f
2
10 2
(Ec. 6.24) L 0.3969 D 3 Si
ht Z , no hay problema para continuar con los cálculos
11
5.
Cálculos en el sifón Cálculo de y2 y hts:
FIG. No 6.5
Aplicar la ecuación de Bernoulli entre (2) y (1) v2 v2 Z 2 y2 2 Z 1 y1 1 hts 2 g
(Ec. 6.25)
2 g
Donde: y2 = Tirante a la salida del sifón y1 = Tirante en el canal, igual al yn
v22 v21 = Pérdidas por transición de salida hts K s 2 g Nota: verificar que esta pérdida sea positiva Resolver la Ec. 6.25 por tanteos y calcular y2, luego calcular hts. Cálculo del % de ahogamiento a la salida del sifón
20
21