SIFONES

*0136x

SIFONES Y ACUEDUCTO ACUEDUCTOS S

CURSO

:

DISEÑO DE OBRAS HIDRAÚLICAS

DOCENTE

:

MSc. Ing. JOSE ARBULU RAMOS

ALUMNOS

:

BAZAN BUSTAMANTE IRIN !URI NEIL NA"ARRO NA" ARRO BUSTAMANTE JHIM!

L#$%#&'()' M#+,- '/ 01

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y SUS AGREGADOS ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

SIFONES I. INTR INTROD ODUC UCCI CION ON En el recorrido de un canal, pueden presentarse diversos accidentes y obstáculos como son: Depresiones del terreno, Quebradas secas, Fallas, Cursos del agua, necesidad de cruzar vías de comunicación (carreteras, vías !rreas u otro canal"# $a solución mediante estructuras %idráulicas es: &cueductos, 'ión, Diues# En el caso del cruce de un canal con una vía de comunicación dependerá de la importancia de la vía de comunicación como del tama)o del canal, para elegir si es preerible pasar el canal encima de la vía o por deba*o de ella, en el primer caso la solución será un acueducto, en el segundo s egundo caso se optara por un sión invertido o un conducto cubierto# +gualmente en el caso de depresiones naturales será necesario analizar las dierentes alternativas enunciadas y decidir por la estructura más conveniente# 'i la depresión uera anc%a y prounda y no se angostase %acia aguas arriba, podría no ser actible un acueducto, pero si un sión invertido# En algunos será necesario analizar alternativas de conducto cubierto alcantarilla o sión# $os canales ue se dise)an en tramos de pendiente uerte resultan con velocidades de lu*o muy altas ue superan muc%as veces las máimas admisibles para los materiales ue se utilizan recuentemente en su construcción# -ara -ara contro controlar lar las velocid velocidade adess en tramos tramos de alta alta pendie pendiente nte se pueden pueden utiliza utilizar r combinaciones de rampas y escalones, siguiendo las variaciones del terreno#

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II.

GENERALIDADES II.1

DEFINICIÓN

Es una estructura utilizada para atravesar depresiones o vías de comunicación cuando cuando el nivel de la supericie libre de agua del canal es mayor ue la rasante del cruce y no %ay espacio para lograr el paso de ve%ículos o del agua# $os siones se dierencian de acueductos en ue la sección del sión se apoya directamente en las laderas de la depresión, siguen el peril del terreno y sólo aprovec%an la carga de agua para el movimiento del lu*o# .eneralmente .eneralmente %ay cambio de sección con respecto a los canales, por lo cual es necesario proyectar transiciones aguas arriba y aba*o# /anto en el ingreso y a la salida se instalan re*as para evitar el ingreso de troncos, malezas y otros# $os siones son estructuras %idráulicas ue se utilizan en canales para conducir el agua a trav!s de obstáculos tales como un río, una depresión del terreno u otro canal# -ode -odemo moss die diere renc ncia iarr dos dos tipo tiposs de sio sione ness en cuan cuanto to al prin princi cipi pio o de su uncionamiento: 'ión (normal" y 'ión invertido#

a" '+F01 (1023&$"

II.2

b" '+F01 +14E2/+D0

EL SIFÓN (NORMAL): $lamado simplemente sión por la mayoría de los autores conduce !l agua pasando sobre el obstáculo y su uncionamiento se debe a la presión atmos!rica ue act5a en la supericie del agua a la entrada6 para iniciar su uncionamiento es necesario producir el vacío en el interior del conducto, entonces la dierencia de presión entre la entrada (-resión atmos!rica" y en el interior del conducto (-resión cero a próima a cero" %ace ue el

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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y SUS AGREGADOS ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL agua luya en sentido ascendente al llegar a la cresta &, el agua cae por gravedad %acia la rama derec%a de*ando un vacío en la cresta lo ue %ace ue el lu*o sea continuo mientras no se introduzca aire en 7el conducto, por esta razón la entrada al sión debe estar siempre a%ogada#

II.

EL SIFÓN INVERTIDO: $os siones invertidos invertidos son conductos conductos cerrados ue traba*an traba*an a presión presión y se utilizan para conducir aguas en el cruce de una tubería por una depresión topográica en la ue se ubica un canal, una vía, etc#

2.3.1 PARTES DE UN SIFÓN $os siones invertidos, constan de las siguientes partes: 1) Desarenador 2) Desag8e de ecedencias ) Compuerta de emergencia y re*illa de entrada !) /ransición de entrada ") Conducto o barril #) 2egistro para limpieza y válvulas de purga $) /ransición de salida 1o siempre son necesarias todas las partes indicadas pudiendo suprimirse algunas de ellas#

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%) D&'% D&'%& &% %*+ *+, , Consiste en una o varias compuertas deslizantes colocadas en una de las partes laterales, ue ue descargan a un canal con pendiente superior a la del propio canal# 'irven a la vez para desalo*ar el agua del sión cuando por reparaciones en este sean cerradas las compuertas o agu*as de emergencia, se recomienda %acerlos de las dimensiones convenientes para ue pase el caudal por desalo*ar y unirlos al canal colector de la obra de ecedencias# Conviene

-)

localizarlo antes de la transición de entrada# D&'% D&'%/& /& *& *& &0& &0&*& *&% %', ', Es una estructura ue evita ue el nivel del agua suba más de lo tolerable en el canal de llegada, evacuando el caudal ue no pueda pueda pasar por el sión# .eneralmente .eneralmente consiste en un vertedor vertedor lateral construido en una de las paredes del canal# -ara el caudal normal la cresta del vertedor estará a nivel de la supericie libre del agua#

) C+ C+345 345& &6% 6% *& &3&& &3&&% % 7 &899 &899%% *& &6%*%, &6%*%, -or acilidad de construcción se localizan a la entrada del conducto, o sea al inalizar la transición de entrada# $a compuerta compuerta de emergencia consiste en una o varias varias compuertas deslizantes o

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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y SUS AGREGADOS ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL agu*as de madera ue corren sobre ranuras %ec%as en las paredes laterales o en viguetas de %ierro y ue en un momento momento determinado pueden cerrar la entrada al conducto para poder %acer limpieza o reparaciones al mismo tiempo# $a re*illa de entrada se acostumbra %acerla con varillas de 9;< de diámetro o varillas cuadradas de =#>?  =#>? (9;<  9;<" colocados a cada @= cm# A soldadas a un marco marco de B#? B#?  @#B @#B (@<  @B<"# @B<"# 'u ob*eto es el impedir o disminuir disminuir la entrada al conducto conducto de basuras y ob*etos etra)os etra)os ue impidan impidan el

*)

uncionamiento correcto del conducto# T%' %'  *& &6% &6%*% *% 7 '%9*% '%9*%,, Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es dierente a la adoptada en el conducto, es necesario construir una transición de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la la prim primer eraa a la segu segund nda# a# En el dise)o de una transición generalmente es aconse*able tener la abertu abertura ra de la parte parte superio superiorr del sión sión un poco poco más deba*o deba*o de la supericie normal del agua# Esta práctica prác tica %ace mínima la posible reducción

&)

de la capacidad capacidad del sión causada causada

por

proundidad

de

sumergencia

la abertura

recomienda recomienda

ue

est!

de

comprendid comprendidaa

la

entre

introducció introducción n superior

del

aire#

$a

del

sión

se

un mínimo mínimo de de @#@ @#@ %v %v y un

máimo de @#? %v# (%v  carga de velocidad"# C+*56+, Forma la parte más importante y necesaria

de los siones# 'e

recomienda proundizar el conducto, de*ando un colc%ón mínimo de @ m en las laderas y de @#? m en el cruce del cauce c auce para evitar probables racturas r acturas ue pudieran pudieran presentarse presentarse debido debido a cargas cargas ecesivas ecesivas como el paso de camionetas o tractores#

;) S& S&   T T%'< %'<& &'% '%9, 9, por cuestiones de construcción, pueden ser:  Cuadradas  2ectangulares G  @#?  Circulares

LAS SECCIONES MÁS RECOMENDADAS SON: S& R&6%59%, con una relación G  @#B? y con una •

•

sección mínima de @#= m y G=#;= m# S& C59%, con un diámetro mínimo de 9=<6 pueden en algunos casos proyectarse baterías bater ías de conductos circulares#

) V&9+*% 9+*%*&' *&' & & &9 +*5 +*56+ 6+,, las velocidades de dise)o en siones grandes es de B H 9 ms, mientras ue en siones peue)os es de @#I ms#

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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y SUS AGREGADOS ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL Jn sión se considera largo, cuando su longitud es mayor ue ?== veces el diámetro#

=) F5 F5+ +% %3 3& &6+ 6+,, el sión siempre siempre unciona unciona a presión, presión, por lo tanto, debe estar a%ogado a la entrada y a la salida# El sión unciona por dierencia de cargas, esta dierencia de cargas debe absorber todas las p!rdidas en el sión

) R&'6 R&'6+ + 4%% 4%% 934& 934&>% >% 7
válvulas válvulas se protegen protegen por medio de un

regi regist stro ro de tabi tabiu uee o conc concre reto to ue ue lleg llegaa

%ast %astaa la par parte te sup super erio iorr del del terr terren eno# o#

Deben abrirse gradualmente para evitar aumentos de velocidades uertes en las tuberías#

2..2 TIPOS DE SIFONES INVERTIDOS: /ipos de siones invertidos: los principales son los ue se indican a continuación a" 2amas 2amas oblicua oblicuas#K s#K se emplea emplea para cruces cruces de obstácu obstáculos los,, para lo ue se cuent cuentaa con con sui suicie cient ntee desar desarrol rollo lo y en terre terreno noss ue ue no prese present nten en grandes diicultades de e*ecución#

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b" -ozo

vertical#Kcon una o

dos ramas verticales, son preeridos para emplazamientos de poco desarrollo en caso de grandes diicultades constructivas# Debido a sus características de ácil y reducido espacio, son muy aconse*ables#

c"

2amas

verticales#Klo

mismo

ue

pozos

verticales#

d" Con Con cámar cámaras as de limpiez limpieza# a#Kti Ktien enee su aplicac aplicació ión n en obras obras de cruce cruce de vías subterráneas#

2..

VENTA@AS

Y

DESVENTA@AS @# $os siones siones invertid invertidos os son económi económicos, cos, áciles áciles de dise)ar dise)ar y de de construir construir y %an demostrado tener una coniable capacidad de conducción# B# $os $os costos de dise)o, dise)o, constru construcció cción n y manten mantenimie imiento nto son actor actores es ue pueden %acer a un sión invertido más actible ue otra estructura# 9# 'in 'in emba embarg rgo o la p!rdid p!rdidaa de carga carga prod produc ucid idaa en un sión sión invert invertid ido o es mayor ue en los otros sistemas de cruce (acueductos, etc"# # El sión sión invertido invertido actual ue ue %emos %emos visitado visitado actualmen actualmente te no se encuentra encuentra uncionando#

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III PERFIL DEL SIFON $a acilidad de limpieza y las p!rdidas de carga son dos aspectos ue deben ser considerados para la deinición del peril del sión# El peril de mayor uso es el ue se aseme*a a un trapecio con la base menor para aba*o y sin la base mayor# &sí la elección del peril sea unción de las condiciones locales y del espacio para su implantación, es de importancia undamental ue se procure proyectar el sión con ángulos suaves ue permitan la utilización de euipo simples para la limpieza y desobstrucción#

IV CRITERIOS DE DISEO @# En el cruce cruce de un canal canal con una una uebrad uebrada, a, el sión sión se proyecta proyecta para para conduci conducirr el menor gasto y lo suicientemente proundo para no ser socavado, en ciertas ocasi casion ones es debid ebido o a sus sus dim dimensi ension ones es un sió sión n con constit stituy uyee un peli pelig gro, ro, principalmente cuando está cerca de centros poblados, siendo necesario el uso de re*illas pero con la desventa*a de ue puedan obturarse las aberturas y causar remansos#

B# $as $as dime dimens nsio ione ness del del tubo tubo se deter determi mina nan n satis satisaci acien endo do los los reue reuerim rimie ient ntos os de cobertu cobertura, ra, pendie pendiente nte en el suelo, suelo, ángulo ánguloss de doblad doblados os y sumerg sumergenc encia ia de la entrada y salida#

9# En siones siones relativamen relativamente te largos, largos, se proyecta proyectan n estructuras estructuras de de alivio para permitir permitir un drena*e del tubo para su inspección y mantenimiento# # Con la la inalidad inalidad de evitar evitar la cavitació cavitación n a veces veces se ubica ubica ventanas ventanas de aireación aireación en lugares donde el aire podría acumularse#

?# Cuando Cuando el sión sión cruza deba*o deba*o de una uebra uebrada, da, es necesari necesario o conocer conocer el gasto máimo de la creciente#

V CÁLCULO HIDRÁULICO DE UN SIFÓN.

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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y SUS AGREGADOS ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL -ara ue cumpla su unción el dise)o del sión, se debe de proceder como sigue:

&nalizaremos en las posiciones @ y B, para lo cual aplicamos la ecuación de la energía especíica: 2

2

P1 V 1 P V + + Z 1= 2 + 2 + Z 2+ htotales γ 2 g γ 2 g

2

2

P1 V 1 P V + Z 1−( 2 + 2 2 + Z 2 ) ∆ h= + γ 2 g γ 2 g

5.1 Partes de un Sifón Invertido Invertido

$os siones invertidos, constan de las siguientes partes: Transiciones de entrada y salida

Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es diferente a la adoptada en el conducto, es necesario construir una transición de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda.

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En el diseño dise ño de una transición de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifón un poco más debajo 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 s uperior del sifón se recomienda que se est comprendida entre un mínimo de

1.1 hv y

unmaxi unmaximode mode 1.5 hv

.

2

Carga de !elocidad"

V h v= 2g

Rejilla en entrada y salida $a re*illa de entrada se acostumbra %acerla con varillas de 9;L de diámetro o varillas cuadradas de =#>?  =#>? cmB (9;L  9;L" colocados a cada @= cm, y soldadas a un marco de B#?  @#B cmB (@L  @BL"# 'u ob*eto de la re*illa es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y ob*etos etra)os ue impidan el uncionamiento correcto del conducto y la re*illa de salida para evitar el ingreso de ob*etos etra)os o personas# Tuberías de presión

#on #on tube tuberí rías as que que tran transp spor orta tann agua agua bajo bajo pres presió ión, n, para para que que los los costo costoss de mantenimiento sean bajos hay que colocar soportes y los anclajes de la tubería en pend pendientes ientes estables y encontrar encontrar buenos cimientos. $o deberá deberá habe haberr peligro peligro de erosión por desprendimiento de laderas, pero se acceso seguro para hacer mantenimiento y reparación.

5.2 Material Usado Para Tubería De Presión

El acero comercial ue abricado con planc%as de acero roladas y soldadas# En general las tuberías de acero ue están protegidas por una capa de pintura u otra capa capa de prot protecc ecció ión n pued pueden en dura durarr %ast %astaa B= a)os a)os## &demá demás, s, son son eecti eectiva vass en resistencia a impactos pero son pesadas, se unen mediante bridas, soldadura o *untas metálicas# Evitar enterrar las tuberías de presión debido a ue corren el riesgo de corroerse#

 !elocidades en el conducto

Las !elocidades de diseño en sifones grandes es de %.& ' (.& m)s, mientras que en sifones pequeños es de *.+ m)s. un sifón se considera largo, cuando su longitud es mayor que & !eces el diámetro.

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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y SUS AGREGADOS ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL "unciona#iento del sifón

El sión siempre unciona a presión, por lo tanto, debe estar a%ogado a la entrada y a la salida# &plicamos Ec# De la Energía en @ y B: 2

2

P1 V 1 P V + + Z 1= 2 + 2 + Z 2+ hf γ 2 g γ 2 g

2

2

P1 P V V + H min = 2 + 2 + 0.5 2 2g γ γ 2 g 2

H min =

3 V 2 4g

-tras fórmulas usadas son" H min =0.3 V t √ D D

oli/ous/i y erelman" H min =0.5 D (

V t D √ D

)

Dónde:

V t

: 4elocidad 4elocidad media en la tubería (ms"# ( ms"#

D: diámetro de la tubería de acero (m"

Este sión unciona por dierencia de cargas, esta dierencia de cargas debe absorber todas las perdidas en el sión# $a dierencia de carga MN de be ser mayor a las p!rdidas totales#

!$lvula de pur%a de a%ua y lodos

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#e coloca en la parte más baja de los barriles, permite e!acuar al agua que se quede almacenada en el conducto cuando se para el sifón o para desalojar lodos. ara su limpie0a o reparación, y consistirá en !ál!ulas de compuerta desli0ante de las dimensiones que se estime con!eniente de acuerdo con el caudal a desalojar. desalojar.

VI. DISEO HIDRÁULICO DEL SIFÓN INVERTIDO INVERTIDO Con la visita de campo y los datos tomados, se traza el sión y se procede a dise)ar la orma y dimensiones de la sección del conducto más conveniente, esto se obtiene despu!s de %acer varios tanteos, tomando en cuenta las p!rdidas de carga ue %an de presentarse.

Las dimensiones de la sección trans!ersal del conducto dependen del caudal que debe pasar y de la !elocidad. En sifones grandes se considera una !elocidad con!eniente de agua en el conducto de %.& ' (.& m)s que e!ita el depósito de a0ol!es en el fondo del conducto y que no sea tan grande que pueda producir erosión del material en los conductos. Cuando por las condiciones del problema, no sea posible dar el desni!el que por estas limitaciones resulten, se puede reducir las prdidas, disminuyendo prudentemente la !elocidad del agua, teniendo en cuenta que con esto se aumenta el peligro de a0ol!amiento del sifón, por lo que habrá de mejorar las facilidades de limpiar el interior del conducto. El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas cargas debe absorber todas las perdidas en el sifón. La diferencia de cargas 12 debe ser mayor que las prdidas totales. ara el sifón particularmente que anali0amos, las secciones del canal a la entrada y salida son rectangulares y de las mismas dimensiones, además de la misma pendiente .%, en consecuencia tendrá el mismo tirante y !elocidad. ∆ h = E1− E 2=Z 1− Z 2=0.6 m

&.1 '$lculo del caudal

El caudal lo obtenemos aorando el canal para este cálculo se obtuvieron los siguientes datos#

24#nc2#



$'4+-

t 1

50.

'g)n-

t 2

51.6

'g)n-

t prom

50.7

'g)n-

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Velocidad =

Area=

distancia m 25 = =0.6102 t prom s 40.97

( + )∗ =( B b

h

2

+

1.5 1.3 2

)∗

0.44

=0.616 m

audal =!=V ∗ A =0.6102 ∗0.616 =0.376

2

m s

Consideremos una velocidad de B ms ue se emplea para siones peue)os, ue nos evita el depósito de lodo y basura en el ondo del conducto y ue no sea tan grande ue pueda producir erosión en la tubería, con este valor conseguiremos el caudal, y despe*ando de la ecuación de la continuidad: El diámetro ue vamos a emplear es:

D =

√

4!

V ∗"

=

√

4

∗0.376 =0.489 m 2∗"

D=0.489 m =19.25 19.25

~ 20

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3rea hidráulica" 0.489

A =

2

∗"

4

2

= 0.1878 m

erímetro mojado" mojado" P=D*π = 0.489*π = 1.536 m

4adio hidráulico" #=

#=

A P

0.1878 1.536

=0.122 m

La !elocidad dentro de la tubería es" ! 0.376 = A 0.1878

Vt =

2.002 m

Vt =

seg

#u n5mero de 4eynolds" #e =

ℜ=

V t ∗ D γ agua

2.002

∗0.489

−6 10

5

=9.79∗10

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&.2 '$lculo de las p(rdidas p(rdidas )idr$ulicas

$as principales perdidas de carga ue se presentan son: -!rdidas en la re*illa# -!rdidas por ricción en el conducto# -!rdidas en los codos (cambio de dirección"# -!rdida por válvula de limpieza#

&.2.1 P(rdidas en la re*illa

Cuando la estructura consta de bastidores de barrotes y re*illas para el paso del agua, las p!rdidas originadas se calculan con la ecuación: 2

V n hr = $ 2g

$as soleras de la re*illa son de > y tiene dimensiones de BL  @m  @< (=#=?@m@m=#==Im" (=#=?@m@m=#==Im" separadas cada c ada =#m#

El área neta por metro cuadrado será:

A n= 0.942 m

2

Como el área %idráulica (área bruta" de la tubería es de =#@@ mB entonces el área neta será:

2

A n= 0.107 m

Entonces" A n

0.107 m

2

A

0.114 m

2

=

=0.942

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$ =1.45 −0.45

( )∗( ) = A n A

2

A n A

0.139

! m V n= = 1.7 A n s V n

2

8 !elocidad a tra!s del área neta de la rejilla dentro del área

hidráulica.

6inalmente las prdidas prdidas por entrada y por salida serán" 2 H =0.041 m

6.2.2 P(rdidas por fricción.

7tili0ando la fórmula de 8a0en 9illiams para una longitud de tubería de &:.:& m resulta" h f =

(

∗ ∗ #

0.8508

)

1.8518

V t 0.63

(

∗ % =

0.8508

)

1.8518

1.6 0.63

∗115∗0.095

∗54.45= 0.416

&.2.+ P(rdidas de car%a por ca#bio codos o ca#bio de dirección

7na fórmula empleada es"

∑ √ 90∆ & ∗V n

2

hcd = $ c

1

2g

;ónde" 1 < ángulo ángulo de defle=ión >c < coeficiente para codos comunes = 0.25 ∆ ( x & y )

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∆

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√

∆ 90 &

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36 &

36

0.632

2

49 &

49

0.738

Suma=

1.37

hcd =0.06997

∑ p'rdidas=0.526

p'rdidas= ¿ 0. ∆ H −∑ ¿

154 m

VII. CONCLUSIÓN El dise)o del sión invertido uncionara bien ya ue la sumatoria de perdidas es menor ue la dierencia de cargas#

VIII. RECOMENDACIONES @#

#e recomienda a los sectores de riego reali0ar trabajos de limpie0a del canal a fin de e!itar el acumulamiento de sedimentos rocas y male0as de arbustos que podrían afectar el funcionamiento del sifón.

B#

4eali0ar trabajos de mantenimiento de las tuberías de acero con pintura anticorrosi!a e=pósita con el fin de e!itar la corrosión.

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3. Como está está diseñad diseñado o con tubería tubería de PVC, PVC, este este debe ir necesariamente enterrado, para evitar que falle por efectos de la radiación solar. 4. Las formulas formulas  cálculos cálculos obtenidos obtenidos !an !an sido proporcion proporcionados ados por por los criterios de diseños de obras de la autoridad nacional del a"ua. #. Para un diseño diseño e$ca% e$ca%  re"lamentar re"lamentario io se debe se"uir se"uir los pasos pasos indicados en las normas de la autoridad nacional del a"ua. &. Para el diseño diseño de este este tipo de sifones sifones de debe debe tener en cuenta cuenta la presión de vapor del a"ua a una temperatura critica

I. ANEOS III.

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