CAPÍTULO IV: DISEÑO HIDRÁULICO DE OBRAS DE ARTE DE RIEGO 4.06.- Diseño hidráulico de Sifones. 4.07.- Generalidades Cuando un canal debe cruzar una depresión ya sea una quebrada, río o un camino, etc., se proyecta un sifón invertido que puede ser de secciona circular, rectangular o cuadrada que trabajara a tubo lleno. Un sifón consta de un conducto cuya longitud queda determinada por el perfil del terreno y dos transiciones de entrada y de salida, siendo generalmente de sección trapezoidal a rectangular en la cual se encuentran anclados los tubos. En el cruce de un canal con una salida quebrada, el sifón se proyecta para conducir el menor gasto y lo suficientemente profundo para no ser socavado, en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones. Un sifón se constituye en un peligro, principalmente cuando esta cerca de centros poblados, siendo necesario el uso de rejillas pero con la desventaja de que puedan obturarse las aberturas y causar remansos. Un canal en su trayectoria alcanzará en algunos casos depresiones abruptas o zonas con problemas de estabilidad de suelos, que no podrán ser superados con estructuras elevadas (acueductos), sea por razones técnicas como económicas, por lo que podrá considerarse como variante una estructura que cruce el desnivel por medio de un conducto que se desplace por debajo del accidente topográfico, lo cual dará lugar a la configuración de un sifón invertido.
Esquema de un sifón invertido superficial. El canal, por medio de los sifones, incorporará estructuras que trabajarán bajo presión. Los sifones pueden ser construidos superficiales o enterrados. Las estructuras superficiales se emplazarán sobre el suelo, en trincheras, túneles o galerías, los cuales permiten una mejor accesibilidad. Las estructuras enterradas son más simples y normalmente de menor costo, ya que no cuentan con soportes, sin embargo la desventaja está asociada al mantenimiento, por cuanto su accesibilidad resulta más complicada. El sifón contará además de estructuras de entrada y de salida para lograr condiciones de transición hidráulicamente eficientes, por lo que su diseño deberá lograr que el flujo se desarrolle en lo posible sin perturbaciones superficiales, choques bruscos contra las paredes y cambios de dirección pronunciados. Las estructuras de entrada y de salida contarán en ambos casos con rejillas y elementos de cierre rápido, que permitirán el control de flujo y los trabajos de mantenimiento.
Transiciones de entrada y salida El área de la sección transversal de un sifón viene determinado, de acuerdo a la ley de continuidad por el caudal de aducción y la velocidad de flujo. La magnitud de la velocidad media en el conducto que conforma el sifón, puede variar entre 2 a 4 m/s, para velocidades menores a 2 m/s, es probable la presencia de procesos de sedimentación. Sin embargo la velocidad de flujo está asociada también al tipo de material del conducto; Zurita considera los siguientes valores: - Conductos de fábrica 1.0 a 1.5 m/s - Tubos de hormigón 1.5 a 2.5 m/s En todos los casos se deberá incorporar elementos que permitan la limpieza periódica de los sedimentos que se acumulen en los sectores bajos a consecuencia de las reducidas velocidades de flujo que se presenten durante la operación del sistema.
El diseño hidráulico de un sifón tiene como base el cálculo de las pérdidas de carga, locales y por fricción en el conducto. Entre las pérdidas locales se considerarán principalmente pérdidas en la estructura de entrada, en los cambios de dirección o codos y en la estructura de salida. El cálculo se realizará para cada sección de conducto considerado hasta obtener niveles de
pérdidas que permitan por un lado el funcionamiento hidráulicamente eficientes del sifón y represente el menor costo posible 4.08.- Criterios de diseño: Las dimensiones del todo se determinan, satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencias de la entrada y salida. En aquellos sifones que cruzan caminos principales o de bajo de drenes , se requiere un mínimo de 0.90m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.06 m si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura. La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5 °/oo. Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con Þ mayor o igual a 36” y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/seg. Con la finalidad de evitar desbordes de agua arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un50% ó 0.30 m. como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15 m a partir de la estructura. Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierra, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una velocidad de 1 m3 / seg. en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/seg., y entre 3 m /seg., a 2.5 m/seg., en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada. Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo “Cubierta Partida”, se pueden calcular rápidamente con los valores 0-4 hv A fin de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales computadas se incrementan en 10%. En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón, esté ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de Agua y en el diseño se toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifón ó 1.1 como mínimo o también 3”. En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6. En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento.
En sifones largos bajo ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere al flujo parcial o a flujo lleno con un coeficiente de fricción menor que el sumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculan las pérdidas de energía. Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse. Con respeto a las pérdidas de cargas totales, se recomienda la condición de que éstas sean iguales o menores a 0.30 m. Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la creciente. Se recomienda los anchos de corona de la Tabla 4.3 en el cruce de sifones o alcantarillas según el tipo de camino. Tabla : Anchos de coronas según el tipo de camino Cruce con Caminos de Ancho del Camino en la Corona de Tipo la Alcantarilla o Sifón Cruce Simple V1 (3m)
Cruce con Sobre Ancho
V2 (4m)
4 m 5.50 m
4.6. m 6.6 m
V3 (6m)
5.80 m
8.0 m
4.09.- Cálculo del diseño hidráulico de un Sifón:
KM 3+600
18.00
KM 3+706
4.00
9.06
62.00
1.- Características Del Canal Principal:
9.06
4.00
10.50
Hidráulicas:
Geometría:
Q = 1.50 m3/s
B = 3.30m
Y = 0.987m
b = 0.80m
A = 1.764m2
H = 1.25m
P = 3.592m
Z = 1.00
R = 0.491m
e = 0.075m
V = 0.85m/s S = 0.0005 n = 0.016 2.- Tramo A Diseñar: El tramo a diseñar y ser calculado empieza de la progresiva KM 03 + 624 hasta KM 03 + 700. la longitud de tramo será de 76.00m PASO 1: DIMENSIONAMIENTO DE LA SECCIÓN DEL SIFÓN Asumimos velocidad de 2 m/s A=Q/V=1.5/2=0.75 m2 Luego: L2 =0.75, L= 0.85 m CÁLCULO DEL NUEVO ÁREA A = 0.852 = 0.723 m2 VELOCIDAD DE DISEÑO (Vel. Sifón) V =1.5/0.723 = 2.07 m/s, V2/(2g) = 2.072 = 0.218 2*9.81 PASO 2: CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICIÓN T1 = b +2YZ ,
0.8+2*0.987*1 = 2.774 m
T2 = 0.85 LT = 2.774 –0.85 = 4.34 m 2*Tag(120 30´) Tomamos :
LT =4.00 m. PASO 3: DETERMINACION DEL PUNTO DE INICIO
-
Km. 3+618
-
Km. 3+706
De la topografía del terreno optamos por un α = 250
PASO 4 : CÁLCULO DE LA COTA EN (1) Del plano topográfico del Km 3 +600 tenemos la cota 236.95 m.s.n.m Luego: Cota en (1) = 236.95 –0.0005*18 = 236.941 m.s.n.m PASO 5: COTA DE FONDO EN (2) 237.928 1.5 hv 0.987 236.941 HTE
25°
1.5hV = 1.5 V2D - V2C
,
1.5
2.072 – 0.852
2g the =
2*9.81 L Cos 25
= 0
0.85 = 0.937 Cos 250
COTA (2) = 237.928 – 0.27 –0.937 = 236.711 m.s.n.m. PASO 6:
= 0.27
COTA EN (3) H = L*Sen 250 H = 10*Sen 250 = 4.23 m. COTA EN (3) = COTA (2) - H =
236.711 – 4.23 = 236.481 m.s.n.m
PASO 7: COTA EN (4) COTA (4) = COTA (3) – 0.005*L L =61m. COTA (4) = 232.481 – 0.005*61 = 232.171 m.s.n.m. PASO 8: COTA DE FONDO EN (5) H = 10*Sen 250 = 4.23 m. COTA (5) = COTA (4) + H = 232.171+4.23 = 236.401 m.s.n.m PASO 9: DETERMINACIÓN DE P. DE SALIDA
236.401
P
PE : < 3/4*L = 3/4*(0.85) = 0.64 PS : < 1/2*L = 1/2*(0.85) = 0.43 COTA (6) = COTA (5) + PS = 236.401+0.43 = 236.831 m.s.n.m
PASO 10: INCLINACIÓN DE LOS TUBOS DOBLADOS
A la entrada:
9.10
= 2.15
4.23 2.15 : 1 es mas plano que
2:1 ----
OK
A la salida: IDEN PASO 11: CARGA HIDRÁULICA DISPONIBLE A la entrada: Cota (5)+ Tirante: 236.941+0.987 = 237.928 m.s.n.m. A la salida: Cota (6)+ Tirante: 236.831+ 0.987 = 237.818 m.s.n.m CARGA DISPONIBLE = 0.110 PASO 12: CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS DE GARGA A la entrada: hff = f*R*V2D
Donde : f = 0.025
L 2g
R = 82 L = 0.85
hff = 0.025 *82 * 0218 = 0525 0.85 PÉRDIDA DE CARGA POR CODOS hfc = 2*
0.25(25° )*2.07 2
= 0.057
90° PÉRDIDA TOTAL hFt = 1.10 ( 0.072+0.108+0.525+0.057) = 0838
PASO 13 : PÉRDIDA DE CARGA HIDRÁULICA DISPONIBLE
PCHD= CARGA DISPONIBLE – PERDIDAD TOTAL PCHD = 0.110 – 0.838 = - 0. 728 Lo que significa que el diseño no funcionara ya que tendrá problemas hidráulicos. NOTA: Debido a los problemas hidráulicos que presenta el diseño ocasionados por las perdidas de carga, se opta por variar la cota 6 lo cual conlleva a modificar las cotas de la razante aguas debajo del sifón. CONDICIÓN: CARAGA DISPONIBLE > PERDIDA TOTAL COTA 6 ≤ COTA 1 – PERDIDA TOTAL COTA 6 ≤ 236.941 – 0.838 COTA 6 ≤ 236.103 m.s.n.m. Optamos por : Cota 6 = 236.098 NUEVA CARGA HIDRÁULICA DISPONIBLE A LA ENTRADA = 237.928 A LA SALIDA = 236.098 + 0.987 = 237.085 CARGA DISPONIBLE = 837.98 – 237.085 = 0.895 NUEVA PÉRDIDA DE CARGA DISPONIBLE PCHD = 0.895 – 0.838 = 0.057 La pérdida de carga disponible es mayor que cero lo que significa que no habrá problemas hidráulicos.
PASO 14 CALCULO DE LA SUMERGENCÍA A LA SALIDA
ALTURA DE SUMERGENCIA = ( 0.897 + ( cota 1 – cota 2)) - HtE = 0.897 + ( 236.941 – 236.711) – 0.937 = 0.19 ALTURA DISPONBLE: HtE = 0.937 = 0.156 no cumple 6
6
PASO 15 LONGITUD DE PROTECCIÓN CON ENROCADO LP = 3 L = 3 * 0.85 = 2.55 ≈ 2.50 mt. a) SELECCIÓN DEL DIÁMETRO DEL TUBO Asumimos una velocidad de 1.5 m/seg A = Q/V = 150 m3 /seg. / 1.50m/seg. A = 1.00 m2 Luego: D = 4 A/ D = 4 *1/ D =1.128m D =44” diámetro comercial D = 48” b) CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DEL SIFÓN ( velocidad de diseño) V = Q/A = 150 m3 /seg. / (π*1.21922/4) V = 1.28 m/seg. c) CÁLCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICIÓN T1 = b +2*y*z T1 = 0.8+2*0.987*1 T1 = 2.774 m T2 = 1.2192 LT =
T2 – T1 2* Tg 25°
.
LT = 2.774 -1.2192 2 * tg (25°) LT = 1.67 m Por condición Lt ≥ 4*D Lt = 4*1.2192
Lt = 4.88 m Optamos por : LT = 5.00 m /2 = arctg (2.774-1.2192)/2*50 = 8° 50’ /2 = 8° 50’ i. NIVEL DE LA COTA EN 1 Según la fiura del Km 3 +600 al punto 1 hay 17.0 m Cota 1 = 236.95 -0.0005*17 = 236.94 msnm ii. COTA DE FONDO EN 2
1.5hv = 1.5 ( V22 – V12)/2g 1.5hv = 1.5 ( 1.282 – 0.852)/19.6 hv = 0.07 m Hd = D/cos 20° Hd = 1.2192/cos 20° Hd = 1.297 Luego: Cota 2 = 237.927 -0.07 -1.297 Cota 2 = 236.56 msnm iii. COTA DE FONDO EN 3 H = 236.56 – (234.21 -0.9-1.2192) =4.47m Cota 3 = cota 2 –H Cota 3 = 236.56 -4.47 = 232.09 msnm iv. COTA DE FONDO EN 4 Cota 4 = cota 3 – L *0.005 Cota 4 = 232.09 -58*0.005 = 231.80 msnm
v. COTA DE FONDO EN 5
=20° sen 20° = h/14 h = 4.78 cota 5 = 231.80 – 4.78 = 236.58 msnm
vi. CÁLCULO DEL VALOR P EN LA SALIDA
Pe 3D/4 Pe =3 * 1.2192/4 Pe = 0.9144 m Ps D/2 Ps = 1.21.92/2 Ps = 0.6096 m Por otro lado Cota 6 = 236.89 + 0.005*10.50 Cota 6 = 236.895 msnm P= cota 6 –cota 5 P = 236.95 – 236.58 = 0.345 P < Ps ok!! vii. INCLINACIÓN DE LOS TUBOS DOBLADOS A la entrada 12.28/4.47 = 2.75 2.75: 1 es mas plano que 2:1 OK A la salida 12.22/4.48 = 2.56 2.56: 1 es mas plano que 2:1 OK viii. CARGA HIDRÁULICA DISPONIBLE A la entrada cota 1 + tirante = 236.94 + 0.987 =237.927 A la salida cota 6 + tirante = 23.895 +0.987 = 237.882 Carga disponible = 0.045
ix. CÁLCULO DE LAS CARGAS DISPONIBLES A la entrada hf = 0.4 ( Vs2 – Vc2)/2g hv = 0.4 ( 1.282 – 0.852)/19.6 hv = 0.018 m A la salida hf = 0.65 ( Vs2 – Vc2)/2g hv = 0.65 ( 1.282 – 0.852)/19.6 hv = 0.030 m perdida de carga por fricción f L*V12/(D*2*g) = 0.145 f = 0.025 L = 85 m D = 1.2192 Perdida de carga por codos Pcd = 2* (0.25*(20°/90°) * 1.282/2*9.81) =0.019 Perdida total = 1.10 ( 0.018+0.030+0.145 +0.019) = 0.233 Perdida de carga hidráulica disponible Pchd = 0.045 – 0.233 = -0.188 Lo que significa que el diseño tendrá problemas hidráulicos. NOTA: en visto de ello se opto por variar la cota 6, para tener mas carga disponible; lo cual conlleva a variar las cotas de la rasante del canal aguas abajo del sifón. Carga disponible > perdida total Cota 1 + tirante – ( cota 6 + tirante) > 0.233 Cota 1– cota 6 > 0.233 Como la cota 1 se mantiene constante Cota 1 – 0.2333 = cota 6 236.94 – 0.233 = cota 6 cota 6 = 236.707 obtenemos por cota 6 = 236.610 para mayor seguridad en el funcionamiento
Nueva carga hidráulica disponible a la entrada = 237.927 a la salida = 236.610 +0.987 = 237.597 carga disponible = 237.927 – 237.597 = 0.33
Pérdida de carga hidráulica disponible Pchd = 0.33-0.233 = 0.097 > 0 ok Lo que significa que no habrá problema hidráulico x. CÁLCULO DE LA SUMERGENCIA A LA SALIDA Altura de sumergencia = (0.987 +(cota 1 – cota 2) –HD) Altura de sumergencia = (0.987 +(0.38) –1.297) = 0.07 Altura permisible HD/6 = 1.297/6 = 0.216 m Altura de sumergencia < HD/6 OK xi. LONGITUD DE PROTECCIÓN CON ENROCADO Lp = 3D = 9* 12192 = 3.65 = 3.70 m 237.927 237.597
236.94
236.61
236.10
232.09
5.0
12.28
231.80
5.80
12.22
5.0
4.10.- Diseño hidráulico de acueductos 4.11.- Generalidades Vienen a ser la misma obra de arte, son generalmente proyectadas en el cruce de canales o cruce de canales con quebradas y pueden ser aéreos o enterrados cuando el cruce es por encima o por debajo de la quebrada o del otro canal, su diseño hidráulico se asemeja al de una alcantarilla que fluye a pelo libre. A veces se proyecta con una tapa en la parte superior y en este caso sirve también como pasarela o losa peatonal. Los acueductos son obras de arte que tiene la función de superar depresiones que se encuentren en el terreno, formados normalmente por quebradas, ríos y cárcavas originadas por la erosión. Un acueducto, es virtualmente un puente que sostiene un canal de corta longitud, el cual contiene agua en movimiento. Desde el punto de vista de la estructura civil, los acueductos pueden ser de dos tipos: Acueducto sobre una estructura de soporte (puente), y canal cuyas paredes y base forman parte estructural del puente.
Los materiales de construcción de los acueductos dependerán de las condiciones de estabilidad, definida normalmente por las dimensiones del canal y la longitud del acueducto, así como del análisis económico de las variantes consideradas. El acueducto servirá entonces para vencer algún accidente topográfico y acortar la longitud del canal en el tramo considerado. Este puente-canal servirá así mismo para el paso de peatones, por lo que se deberá prever en la estructura estas formas de utilización. Eventualmente se dispondrá para el uso peatonal una cubierta superior o veredas laterales. Esquemas un acueducto.- Es importante considerar también las necesidades de mantenimiento del acueducto, incorporando obras de limpieza y evacuación, como compuertas, que permitan aislar y desviar las aguas en una sección anterior al puente, principalmente en situaciones de emergencia. Por lo tanto, algunas obras de limpieza del canal podrán coincidir con las secciones indicadas.
Transiciones.- Entre las transiciones que con mayor frecuencia se presentan en canales de montaña se pueden mencionar a las caídas y las rápidas. Estas estructuras pueden utilizarse en los casos de desniveles originados por las características topográficas. De igual modo las transiciones se aplican en entradas o salidas de estructuras específicas de un sistema hidráulico y alcantarillas en carreteras. Algunos tipos de transiciones:
4.12.- Criterios de diseño: 1.- Estas obras constan de transición de entrada y transición de salida, siendo siempre rectangular la sección de la canoa. 2.- La energía de la canoa debe ser en lo posible igual a la energía del canal, para lo cual se trata de dar velocidad en la canoa igual a la del canal, despreciándose las pérdidas de carga en este caso, normalmente suele dársele a las transiciones, ángulos de 12°30’. 3.- La pendiente en la sección de la canoa, debe ajustarse lo más posible a la pendiente del canal a fin de evitar cambios en la rasante de fondo del mismo. 4.- Normalmente se aconseja diseñar considerando un tirante en la canoa igual al del canal, si el caso lo permite. 5.- La condición de flujo en la canoa debe ser subcrítico. 4.13.- Desarrollo de problemas aplicados Calculo del diseño hidráulico de un acueducto: 1.-Características del canal principal: Hidráulicas:
Geométricas:
Q = 1.50 m3/s
B = 3.30m
Y = 0.987m
b = 0.80m
A = 1.764m2
H = 1.25m
P = 3.592m
Z = 1.00
R = 0.491m
e = 0.075m
V = 0.85m/s S = 0.0005 n = 0.016
2.- Tramo A Diseñar: El tramo a diseñar y ser calculado empieza de la progresiva KM 03 + 624 hasta KM 03 + 700. la longitud de tramo será de 76.00m. 3.- Cálculo Del Acueducto: 3.1.- Cálculo de la sección del flujo en el acueducto: V = 1.00m/s; Q = 1.50m3/s A = Q / V A = 1.50 / 1.00 = 1.50m2 A = b*y
b (asumido) = 1.20m
=
y = 1.25m
3.2.- Cálculo del tipo de flujo en el acueducto: -Caudal unitario (q ):
q=Q/b
q = 1.50 /1.20 = 1.25m3/s/m -Tirante critico (Yc) Yc =
3
Yc =
3
q2/g
1.252 / 9.8 = 0.54m
-Velocidad critica (Vc)
V = Q / Ac ; Ac = b*Yc
V = 1.50 / 0.65 = 2.31m/s si
Yc < Yn
y
Vc > Vn
tipo de flujo subcrítico
3.3.- Cálculo De La Longitud De Transición: Lt = (T1 – T2) / 2tg 12° 31’ T1 = 2.77m ; T2 = 1.20m Lt = (2.77 – 1.20) / 2tg 12° 31’ = 3.54m
Lt = 4.00m
-Nueva progresiva (KM) Progresiva inicial = KM 03 + 620 Progresiva final
= KM 03 + 704
3.4.- Cálculo del dimensionamiento longitudinal del Acueducto: Determinación de cotas: Cota inicial = 238.51 en la progresiva KM 03 + 620 Cota final asumida = 238.41 en la progresiva Km. 03 + 624 (cota de inicio del acueducto).
3.5.- Análisis Hidráulico Según Bernoulli Y1 1
Y2 2
3.6.- Balance De Energía Entre 1 Y 2 E1 = E2 + perdidas de carga E1 = Cf1 + y1 + V12/2g E1 = 238.51 + 0.987 + 0.852/19.6 E1 = 239.53 Perdida de carga = 0.20*(V22 – V12) /2g Pc = 0.20xV22 /2g – 0.007 E2 = Cf2 + y2 + V22/2g = 238.41 + y2 + V22/2g Reemplazando en Bernoulli 239.93 = 238.41 + y2 + V22/2g + 0.20*(V22 – 0.007) 1.127 = y2 + 1.502/1.2*y22*19.6 Por tanteos: y2 = 1.038m A2 = 1.20*1.038 = 1.25m2 V2 = 1.50 / 1.25 = 1.20m/s E2 = 239.521 3.7.- Determinación de la pendiente del acueducto (S) S = (Vn/R2/3 )2 S = (1.20*0.016/0.3822/3)2 = 0.0013 A2 =1.25 P2 = 3.276 R2 = 0.382 S = 0.0013
Y3 3
Y4 4
3.8.- Cota de la plantilla en 3: Cf3 = Cf2 – S*L Cf3 = 238.41 – 0.0013*76 Cf3 = 238.311 3.9.- Balance de energía entre 2 y 3: E2 = E3 + perdidas por fricción E2 = 239.521 E3 = Cf3 + y3 + V32/2g E3 = 238.311 + y3 + V32/2g pf = 0.0013*76 = 0.0988 239.521 = 238.311 + y3 + V32/2g + 0.0988 1.1112 = y3 + V32/2g Resolviendo por tanteo A3 = 1.25m2 V3 = 1.20m/s Y3 = 1.038m E = 239.521 3.10.- Balance de energía entre 3 Y 4: E3 = E4 + perdidas por transición de salida E3 = 239.521 E4 = Cf4 + y4 + V42/2g Cf4 = E4 - y4 - V42/2g = 239.521 – 0.036 – 0.987 Cf4 = 238.498 Perdida total Ptotal1-4 = 238.31 – 238.498 = 0.012 3.11.- Cálculo de la cota de rasante de la siguiente progresiva: Progresiva de salida KM 03 +704 hasta Km. 03 +720 existe 16m Entonces la cota será de 238.498 con una pendiente de S = 0.0005.
4.14.- Saltos de agua: Caídas y rápidas Las caídas y rápidas son estructuras que se usan para unir dos tramos de canal que están a diferente nivel topográfico. Se denomina caída inclinada cuando la caída en el gradiente de energía en una estructura no es mayor de 4.50m. Cuando la caída en el gradiente de energía que tiene que ser disipada por la estructura es mayor de 4.50m la estructura se denomina rápida. Las rápidas pueden tener secciones rectangulares o trapezoidales de acuerdo con las condiciones del terreno a lo largo de su localización. Las caídas y rápidas son estructuras disipadoras de energía que se construyen en lugares donde la topografía lo exige. A.- Caídas Usadas para regular la velocidad del agua, bajando bruscamente al nivel de la plantilla del canal. De acuerdo con la magnitud de la estructura, la caída se construye de concreto reforzado, bloques de concreto, mampostería y madera resistente a la putrefacción con altura mayor de 4m. A.1.- Genera1idades. Son obras proyectadas en canales o zanjas, para salvar desniveles bruscos en la rasante de fondo, Gómez Navarro, hace una diferenciación de estas obras y conviene en llamar las caídas cuando los desniveles son iguales o menores a 4 m., estas a su vez pueden ser verticales o inclinadas. Para desniveles mayores a 4.0 m. la estructura toma el nombre de rápida y en estos casos es conveniente un estudio económico entre la rápida o una serie de caídas que Domínguez, denomina gradas. En el presente ítem, se estudia el diseño hidráulico de caídas verticales e inclinadas, rápidas y gradas, no se trata el caso de caídas entubadas puesto que su diseño se basa en los mismos principios que los sifones. A.2.- Caídas verticales A.2.1.- Criterios de Diseño hidráulico 1.- Son construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1 m como máximo, solo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores. 2.- El SINAMOS, recomienda que para caudales unitarios mayores a 300 L/seg. x m de ancho, siempre se debe construir caídas inclinadas, además manifiesta que la ejecución de estas obras debe limitarse a caídas y caudales, pequeños, principalmente en canales secundarios
construidos en mampostería de piedra donde no se necesita i obras de sostenimiento ni drenaje. 3.- Cuando el desnivel es ≤: 0.30 m y el caudal ≤ 300 L/seg.x m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación. 4.- El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la formula para caudal unitario "q": q =1.48 H 3/2 Siendo el caudal total; Q=
2 µB 3
2g Lh3/2
B = ancho de caída 5.- La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado. 6.- Por debajo de la lámina vertiente en la caída se produce un depósito de agua de altura Yp que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo. 7.- Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara indicada en la Fig., el cual se debe reemplazar para evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura. 8.- Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes: a) Contracción lateral completa en cresta vertiente, disponiéndose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lámina vertiente. b) Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/sxm.de ancho de cresta de la caída. A.2.2.- 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 a bajo, a tal punto que puede considerarse independiente del salto. A.3.- Caídas Inclinadas. A.3.1.- Generalidades Estas estructuras se proyectan en tramos cortos de canal con pendientes fuertes, siendo la velocidad del flujo en la" caída siempre mayor que la- del propio canal, causando serios; daños por erosión si no se pone un revestimiento apropiado; mediante el análisis hidráulico se verifican los fenómenos del flujo, que a su vez serán el fundamento para la determinación de la clase de revestimiento y de su extensión. Una caída inclinada se divide desde arriba hacia abajo en las siguientes partes: - Transición de entrada con sección de control - Caída propiamente dicha - Colchón - Transición de salida. En algunos casos la caída propiamente dicha y el colchón, pueden ser de sección rectangular o trapezoidal, la selección depende de las condiciones locales y en todo caso del criterio del diseñador.
Sección de Control
La sección de control tiene por finalidad, mantener el flujo aguas arriba en régimen tranquilo, de manera que es en la misma sección de control donde ocurre el cambio de régimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad crítica. La sección de control consiste en una variación de la sección del canal en el punto donde, se inicia la caída o en una rampa en contra pendiente, de manera que la energía en el canal aguas arriba sea igual a la energía en el punto donde se inicia la caída. A.3.2.- Criterios de Diseño en Caídas Inclinadas: Sección rectangular 1.- La rampa inclinada en sentido longitudinal de la caída en sí se recomienda en un valor de 1.5:1 a 2:1, su inclinación no debe ser menor a la del ángulo de reposo del material confinado.
2.- El ancho de la caída B es igual a; B = Q/q Donde: q = .171 H2/3 Q =valor conocido =Q =
2 µB 3
2g H3/2
µ = 0.58 (valor promedio aceptado en este caso) Finalmente el valor B, debe ser tal que, al pie de la caída el Número de Froude nos permita seleccionar la poza de disipación que más se ajuste a nuestro criterio. 3.- Es muy importante tener en cuenta la supresión, por lo que se recomienda seguir las indicaciones para calcular el número de lloradores. 4.- Estructuralmente la caída estará dispuesta con las precauciones del caso, para evitar su falla por deslizamiento. B.- Rápidas Generalidades: Las rápidas son estructuras que sirven para conectar dos tramos de un canal, cuyo desnivel es bastante grande en una longitud relativamente corta. Sólo un estudio económico comparativo ayudará a decidir en la utilización de una rápida o una serie de caídas escalonadas, conocidas también como gradas. Definición Son canales abiertos, pavimentados o revestidos, en los que el agua corre con gran velocidad. Pueden establecerse como secciones de canal de poca longitud en tramos e mucha pendiente. Para el diseño es necesario conocer las propiedades hidráulicas, las elevaciones de las rasantes y de las secciones del canal aguas arriba y aguas a bajo de la rápida, así mismo un perfil longitudinal del tramo donde se ubica la estructura. Una rápida constante de las siguientes partes: - Transición de entrada.
- Sección de control, es la sección correspondiente al punto donde comienza la pendiente fuerte de la rápida. - 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, pudiendo ser de sección trapezoidal o rectangular, es necesario poner atención en el aumento del volumen de la corriente por acción del aire incorporado cuando las velocidades halladas exceden 10 m/seg. - Trayectoria, es una curva parabólica vertical, que une la pendiente última de la rápida con el plano inclinado del principio del colchón amortiguador, de tal manera que 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 de agua sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentará, limitándose así la capacidad del canal. Por tal razón es conveniente 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 o colchón amortiguador. - Transición de salida. 4.15.- El aforador Parshall Generalidades La necesidad de contar con un dispositivo cuya precisión fuese la de un vertedero donde no se presentara el problema azolve o avenamiento, fue resuelto por el ing. Ralph L. Parshall de la estación agrícola Experimental de colorado U:S:A en 1922 y lo llamo inicialmente “medidor de ventura mejorado”, nombre que fue cambiado posteriormente por el de “conducto medidor parshall”. Definición. Es una estructura que sirve para medir caudales en un rango muy amplio. Debido a que la velocidad del agua es muy grande en la estructura no se deposita sedimentos y la precisión del aforo queda dentro del 5% de error. El medidor consta de las siguientes partes: - Entrada - Garganta - Salida 4.16.- Ventajas Entre las principales ventajas como estructura de aforo podemos enumerar. 1.- El diseño es simple y su construcción suele resultar barata si se ubica en lugares que deben revestirse o si se combina entre caidas y sifones, etc.
2.- La estructura trabajada aun teniendo gran variación en el gasto y este se puede determinar con bastante precisión pues cuando el medidor trabaja con descarga libre de error es menor de 3% y cuando trabaja ahogado el error es de 5%. 3.- No se produce el problema de avenamiento en la estructura ni aguas arriba de ella conservando siempre su misma presión. 4.- Su conservación es casi nula y su fácil lectura permite un control a nivel de usuario y sectorista de riego, sin mayor experiencia. 5.- Hidráulicamente funciona bien por su baja perdida de carga con relación a otros tipos de medidores. 4.17.- Funcionamiento Hidráulico El medidor Parshall funciona en dos caos bien diferenciados. 0 Con descarga libre. 1 Con descarga sumergida y ahogada. 4.17.1. Descarga libre. Cuando el escurrimiento es libre, el caudal aguas debajo de la estructura no obstaculiza a la descarga por la garganta y en este caso la descarga Ha, la descarga libre puede acontecer de 2 maneras: 0 Sin salto hidráulico: este caso se presenta cuando el tirante aguas abajo del medidor es muy pequeño en relación al nivel de la cresta del medidor y físicamente se manifiesta con una circulación libre del agua en el medidor, sin producir ninguna turbulencia o cambio brusco del Tirante de agua. 1 2 Con salto hidráulico: este caso se presenta, cuando el tirante aguas abajo del medidor es suficientemente grande con respecto al nivel de la cresta y por lo tanto el agua trata de recuperar el nivel de aguas abajo, lo cual se hace bruscamente, produciéndose el salto hidráulico, siempre y cuando el salto hidráulico se produzca fuera de la garganta el escurrimiento será libre. 4.17.2. Descarga sumergida. Cuando el caudal aguas debajo de la estructura obstaculizaba la descarga por la garganta, se tiene escurrimiento sumergido, y en este caso la carga Hb difiere poco de la carga Ha siendo el caudal función de dos cargas: Ha y Hb ; es decir , cuando la mira en “b” marca una altura de agua (Hb) se dice que el medidor funciona con cierto grado de sumergencia.
CONCLUSIONES
Los sifones son muy útiles en el caso de existir depresiones abruptas o zonas con suelos inestables, puesto que por diferentes razones un acueducto no sería muy recomendable, mientras que el sifón podrá atravesar el accidente topográfico por debajo de éste.
Es casi un hecho que si el sifón trabaja a velocidades menores de 2 m/s se provocarán sedimentaciones.
Los acueductos a diseñar deberán tener la función de servir como puentes para el tránsito e peatones, hecho que se deberá prever en su diseño.
Los saltos de agua se utilizarán para salvar desniveles bruscos de la razante de fondo que girarán en torno a los 4m.
El aforador Parshall e muy utilizado debido a la gran precisión semejante a la de un vertedero, que ofrece seguridad en los resultados.
RECOMENDACIONES
Es necesario tener muy presente las dimensiones del sifón para que la velocidad no provoque daños en la estructura.
Cada vez que se realice una construcción es imprescindible la colocación de las estructuras adecuadas para realizar limpiezas periódicas de las estructuras hidráulicas respectivas si se desea su duración para el tiempo programado.
Para construir un aforador Parshall se debe tomar en cuenta que se debe ubicar en lugares donde el canal necesita revestimiento o combinado entre caídas y sifones.
BIBLIOGRAFÍA PALACIOS VELEZ VEN TE CHOW CONCYTEC Apuntes de clase
Distritos de riego. Hidráulica de canales abiertos. Manual de diseño de estructuras hidráulicas y obras de arte
