SIFONES INVERTIDOS Msc.Ing. Isidro Isidro Alberto Pilares Pilares Hualpa
A.ASPETOS A. ASPETOS !ENERA"ES !ENERA"ES La topografía en un proyecto, puede exigir la ejecución de obras especiales como si#ones in$ertidos , dada la necesidad de superar obstáculos como, quebradas, ríos, canalizaciones de aguas pluviales, aductoras, cruce de túneles subterráneos metros), etc !iempre que sea posible se debe evit ev ita ar el uso de si sifo fone nes s in inve vert rti ido dos s por lo los s gra rand nde es inconvenientes que representa su conservación y mant ma nten enim imie ient nto, o, si sin n em emba barg rgo o mu muc" c"as as ve vece ces s no es po posi sibl ble e resolver de otra manera el problema de paso de depresiones
#l si sifó fón n in inve vert rtid ido o es un una a ob obra ra de co cost sto o re rela lati tiva vame ment nte e elevado y presenta dificultades de limpieza y deso de sobs bstr truc ucci ción ón, , ra razó zón n po por r la cu cual al de debe be se ser r ut util iliz izad ado o sola so lame ment nte e de desp spu$ u$s s de un es estu tudi dio o co comp mpar arat ativ ivo o co con n ot otra ras s alternativas
%.TIPOS DE SIFONES Los principales tipos de sifones invertidos son los que se indican a continuación% a) &a &ama mas s ob obli licu cuas as
#l si sif fón in inve vert rtid ido o ti tipo po a) se em empl plea ea pa par ra cr cru uce ces s de obstáculos, para lo que se cuenta con suficiente desarrollo y en te terr rren enos os qu que e no pr pres esen ente ten n gr gran ande des s di difi ficu cult ltad ades es de ejecución Los sifones invertidos tipos b) y c) con una o dos ramas vertic ver ticale ales, s, son pre prefer ferido idos s par para a emp emplaz lazami amient entos os de poc poco o desarrollo o en caso de grandes dificultades constructivas constructivas 'ebido a sus características de fácil limpieza y reducido espacio, son muy aconsejables #l sifón tipo d) con cámaras de limpieza, tiene aplicación en obras de cruce de vías subterráneas subterráneas
su
%.TIPOS DE SIFONES Los principales tipos de sifones invertidos son los que se indican a continuación% a) &a &ama mas s ob obli licu cuas as
#l si sif fón in inve vert rtid ido o ti tipo po a) se em empl plea ea pa par ra cr cru uce ces s de obstáculos, para lo que se cuenta con suficiente desarrollo y en te terr rren enos os qu que e no pr pres esen ente ten n gr gran ande des s di difi ficu cult ltad ades es de ejecución Los sifones invertidos tipos b) y c) con una o dos ramas vertic ver ticale ales, s, son pre prefer ferido idos s par para a emp emplaz lazami amient entos os de poc poco o desarrollo o en caso de grandes dificultades constructivas constructivas 'ebido a sus características de fácil limpieza y reducido espacio, son muy aconsejables #l sifón tipo d) con cámaras de limpieza, tiene aplicación en obras de cruce de vías subterráneas subterráneas
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.PROP&SITO ' DESRIPI&N Los sifones invertidos (algunas veces conocidos como tubo cambiado) son usados para conducir aguas de canales por graved gra vedad ad deb debajo ajo de cam camino inos, s, lín líneas eas fer ferrov roviar iarias ias, , otr otras as estructuras, varios tipos de canales de drenaje y depresiones n sif sifón ón es un con conduc ducto to cer cerrad rado o des destin tinado ado par para a cir circul cular ar aguas y bajo presión La estructura puede operar sin exceso de carga cuando fluye a la capacidad de dise*o
D.AP"IAIONES Las co Las cons nsid ider erac acio ione nes s ec econ onóm ómic icas as y ot otra ras s de dete term rmin inan an la factibilidad de usar sifones u otros tipos de estructuras para pa ra co cons nseg egui uir r lo los s ob obje jeti tivo vos s pr prev evis isto tos s #l us uso o de un conducto conducto elevad elevado o puede puede ser la la alterna alternativa tiva a un sifón sifón que que cruza una depresión, dren u otro canal "ec"o por el "ombre #l uso de un puente sobre un canal puede ser una alte al tern rnat ativ iva a a un si sifó fón n ba bajo jo un una a ca carr rret eter era a o un una a lí líne nea a ferr fe rrov ovia iari ria a +i +ina nalm lmen ente te pa para ra ca capa paci cida dade des s de "a "ast sta a m./s /seg eg, , es má más s eco conó nómi mic co us usar ar un sif ifón ón en vez de un puente
E. VENTA(AS ' DESVENTA(AS DESVENTA(AS Los sifones invertidos son económicos, fácilmente dise*ados y co cons nstr trui uido dos, s, y "a "an n pr prob obad ado o se ser r me medi dios os co conf nfia iabl bles es de conducir agua 0ormalmente la erosión de los canales en los extremos del sifón es imperceptible si la estructura sobre los canales de tierras "a sido dise*ada adecuadamente y se "an construido transiciones y protecciones de erosiones Los costos del dise*o, construcción y mantenimientos son factores que puede "acer a un sifón invertido más factible que otras estructuras que pueden ser usadas para los mismos propósitos 1ueden existir de algún modo situaciones donde el valor de la ca carg rga a de ag agua ua re requ quer erid ida a pa para ra op oper erar ar en si sifó fón n pu pued eda a justificar el uso de otra estructura tales como un puente n sifón invertido puede presentar un riesgo para la vida en áreas con alta densidad de población
F) E"EMENTOS DE *N SIFON Los sifones invertidos constan de las siguientes partes%
+) TRANSIIONES DE ENTRADA ' SA"IDA Las transiciones son casi siempre usadas a la entrada y salida de los sifones para reducir las p$rdidas de cargas y prevenir prevenir la erosión erosión del del canal canal en el caso de de que $ste $ste no sea se a re reve vest stid ido, o, la cu cual al pr prov ovie iene ne de ca camb mbio ios s ab abru rupt ptos os de velocidades #n el di dise se*o *o de un una a tr tran ansi sici ción ón de en entr trad ada a y sa sali lida da es acon ac onse seja jabl ble e te tene ner r la ab aber ertu tura ra de la pa part rte e su supe peri rior or de del l sifón un poco más debajo de la superficie normal del agua #sto "ace mínima la posibilidad de reducir la capacidad del sifó si fón n ca caus usad ada a po por r la in intr trod oduc ucci ción ón de ai aire re a es este te La prof pr ofun undi dida dad d de su sume merg rgen enci cia a de la ab aber ertu tura ra su supe peri rior or de del l sifón se recomienda que este comprendida entre un mínimo de 22 hv y un máximo de 23 hv (hv = carga de velocidad) 1ara estos propósitos se verá transiciones de concreto, de tier ti erra ra o co comb mbin inac acio ione nes s de tr tran ansi sici cion ones es de concr concret eto o y tier ti err ra Lo Los s si sigu guie ient nte es si sifo fon nes req equi uie ere ren n ya se sea a un una a transición de concreto a la entrada o alguna estructura de
control de concreto a la entrada y una transición de canal a la salida 4 5odos los autopistas
sifones
que
cruzan
líneas
ferroviarias
y
4 5odos los diámetros de sifones mayores o iguales a .67 que cruzan carreteras 4 5odos los sifones en canales sin revestir con velocidad del fluido en el tubo, mayores que 2 m/s La estandarización de transiciones de concreto es un medio de reducir costos #sto se consigue teniendo una sola transición que cubra un rango de caudal y condiciones de la estructura #l anc"o de la base y de la plantilla las transiciones estandarizadas raras veces ensamblarán con las del canal 1or lo tanto esto se conseguirá con una transición de tierra cuando se trata de una canal de tierra y con transiciones revestidas de concreto cuando se trate de canales revestidos de concreto 1ara estructuras relativamente cortas tales como cuando los sifones cruzan caminos, es más económico omitir transiciones de concreto a pasar que la longitud de tubo será incrementada y la dimensión del tubo y protección pueda tambi$n incrementarse !i "ubiera la necesidad de controlar el nivel de agua aguas arriba del sifón se puede usar una retención (8"ec9) y/o un control de entrada al tubo
,) RE(I""A DE ENTRADA #l objetivo de la rejilla es el impedir o disminuir la entrada de basuras u objetos extra*os al sifón que impidan el funcionamiento correcto del ducto !i se instala una rejilla en este punto, entonces se debe considerar las p$rdidas de carga producto de la disminución de área para el paso del flujo #sta rejilla puede ubicarse inmediatamente antes de la entrada del líquido al sifón o se puede reemplazar por una cámara de rejas emplazada antes de la cámara de entrada al sifón #n este caso, las p$rdidas de carga que se producen
no afectan a la "idráulica del sifón puesto que el flujo llega a la cámara de entrada con la velocidad y altura de escurrimiento normales #sta cámara de rejas, debe tener una -antencin diaria.
/) T*%ERIAS DE PRESION !on tuberías que transportan agua bajo presión 1ara que los costos de mantenimiento sean bajos se deben colocar mac"ones de anclaje, para evitar que frente a peligros de erosión, las tuberías no se desplacen y continúen funcionando Los conductos cerrados discutidos en este caso generalmente son tubos 5odos los tubos sometidos a presión interna pueden tener juntas a prueba de agua para asegurar el sello del tubo al agua se usan tubos de concreto a presión reforzado (581&), tubos de asbesto cemento (:8) o tubo de mortero a presión plástica (5;1) y todos ellos con casquetes de jebe para impermeabilizar 1ara cargas "asta <3 metros se usan tubos de concreto reforzado a presión pero generalmente se pueden usar cualquiera de otros tubos arriba mencionados, difundiendo solo de la disponibilidad y consideraciones de costos #stos tubos a presión son clasificados acorde a su capacidad para soportar presiones externas de coberturas y de juntas coberturas equivalentes de tierra y carga de presiones "idrostáticas 5omar medidas al centro del tubo, las designaciones de :, =, 8, y ' representan 23, .>2, <36, y 62> de cobertura respectivamente, mientras números asociados tales como 3, 3>, ?3, 2>>, 23 y 23> representan pues la carga "idrostática 1or ejemplo% 83> puede ser un tubo de presión de <36 m de cobertura máxima y 3> pies de carga máxima
0) RE1*ERIMIENTOS DE O%ERT*RA DE" T*%O Los perfiles del tubo son determinados en tal sentido como para satisfacer requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida, los requerimientos de cobertura del tubo son%
2) En todos los si#ones cru2ando ba3o carreteras excepto aquellos caminos parcelarios y sifones cruzando debajo de líneas ferroviarias, de deberá proveer un mínimo de >@>m (. pies), los caminos parcelarios requieren solamente >6>m ( pies) de cobertura de tierra y son proporcionados con una rampa elevando pendientes de 2> a 2 (2>A) cuando sea necesario prever requerimientos de cobertura mínima !i existiera cunetas de caminos y estos se extienden sobre el tubo, la distancia mínima de la zanja al tope o corona del tubo $ste deberá ser de >6>m ( pies) ) En si#ones 4ue cru2an deba3o de canales trans$ersales de drena3e5 se deberá proveer un mínimo de cobertura de tierra de >@>m a menos que los estudios indiquen un requerimiento de coberturas mayor como consecuencia de proyecciones futuras del canal en caso que este sean profundizados
.) En si#ones 4ue cru2an deba3o de canales de tierras , se deberá prever una cobertura mínima de >6>m ( pies) <) En si#ones 4ue cru2an deba3o de un canal re$estido , se deberá prever una cobertura de tierra mínima de >23m (2/< de pie) entre la plantilla de canal revestido y la corona del tubo anc"os de carreteras y los taludes laterales de un camino y el cruce de de vías ferroviarias que cruzan por encima de un sifón deberán ensamblar en el anc"o de carreteras existentes y los taludes laterales, o de lo contrario tales como indiquen especificaciones particulares Los taludes laterales no será más parados que 23 a 2 La pendiente del tubo no debe ser mayor que a 2 y no deberá ser más suave que >>>3 Los cambios en la pendiente de tubos 518& y los codos de alineamiento pueden ser "ec"os prefabricados
6) O""ARES EN E" T*%O Los collares para los tubos normalmente no se requieren en los sifones, pero estos pueden ser requeridos para reducir las velocidades del agua que se mueve prioritariamente a lo largo del tubo o a trav$s del suelo que rodea los
alrededores del tubo permitiendo la remoción de las partículas del suelo por tubificación en los puntos de salidas
7) ESTR*T*RAS DE A"IVIO Las estructuras de alivio son proveídos en/o cerca de los puntos bajos de sifones invertidos relativamente largos para permitir el drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento #sencialmente las estructuras de alivios consisten de una válvula de metal incrustado en el tubo del sifón Los aliviaderos tambi$n pueden ser usados en una emergencia en conjunción en desagBes para evacuar aguas de los canales Los sifones cortos son desaguados usualmente cuando es necesario mediante bombas de ambos extremos del sifón !i no se requiriera drenaje usual y se requiere solo drenaje de emergencia bastará con perforaciones del tubo cuando $ste sea menor de <7 de diámetro !e requerirá de un buzón para aliviadero en sifones largos de .6 pulgadas o mayor diámetro como medio de proveer un punto de acceso para mantenimiento e inspección
8) %ORDE "I%RE DE" ANA" ' PROTEI&N DE EROSI&N #l borde libre del banco del canal aguas arriba del sifón debe ser incrementado en un 3>A (como mínimo >.>m) para prevenir derrames en estos puntos como consecuencia de tormentas mayores de las previstas en la escorrentía de canal o por operaciones inadecuadas #ste incremento del borde libre debe ser incrementado a una distancia de la estructura 5al que el da*o causado por el sobre flujo del canal sea minimizado #n todo caso se considerará "asta una mínima distancia de 23 metros a partir de la estructura 1rotecciones de erosión se usan frecuentemente adyacentes a los sifones en canales de tierra
9) DESA!:ES +recuentemente se establecen desagBes, aguas arriba del sifón con el propósito de desviar el flujo del canal en caso de emergencia
!.
HIDR;*"IA DE" SIFON
#l sifón invertido, presenta aproximadamente una forma de C7 interconectada con dos cámaras #n su entrada existe una cámara cuya función es orientar el flujo "acia el sifón propiamente dic"o y a su salida otra cámara que permite guiar el flujo efluente "acia el colector aguas abajo #ntre estas cámaras, el escurrimiento se produce por gravedad, en conducto forzado (a presión "idráulica o sea a tubo lleno), siendo por lo tanto el nivel de agua en la cámara de entrada superior al de la cámara de salida La conexión entre las dos cámaras, sifón propiamente dic"o, puede ser a trav$s de dos () o más conductos Los conceptos "idráulicos aplicables, son por tanto, aquellos que corresponden a conductos forzados con p$rdida de carga igual a la diferencia de niveles entre la entrada y la salida. 1ara los cálculos de p$rdidas de carga distribuida, se recomienda el uso de la fórmula universal con el coeficiente de rugosidad uniforme equivalente D E mm !i se utiliza la formula de Fazen Gilliams se recomienda utilizar el coeficiente 8 E 2>> 1ara la fórmula de ;anning, se recomienda el valor de n E >,>2.
a) %ASES DE ;"*"O PARA *N SIFON 1ara que cumpla su función, un sifón debe dise*arse de la siguiente manera%
:nalizaremos en las posiciones 2 y , para lo cual aplicamos la ecuación de energía específica%
b) ONSIDERAIONES PARA E" DISE
c) Perdida de carga Para el cálculo de pérdidas de carga, localizadas o singulares, se utilizan las siguientes expresiones:
La carga "idráulica disponible, economía y velocidades de tubo permisibles en los que determinan del tama*o del tubo del sifón :sí, es necesario asumir las dimensiones internas del sifón y computar las p$rdidas de cargas debido a las entradas, fricciones del tubo, dóblese el tubo y debido a las condiciones de salidas La suma de todas las p$rdidas computadas debe aproximar la diferencia en la elevación de la gradiente de energía aguas arriba y aguas debajo de los extremos del sifón (carga disponible)
1ara el cálculo de p$rdidas de carga, localizadas singulares, deben ser considerados son las siguientes%
o
2) P=rdidas de con$ergencia en la transición de entrada ) P=rdida en estructura de retencin cuando se instale un Cc"ec97 a la entrada .) P=rdida en estructura de control cuando un control sea instalado en la entrada <) P=rdida por #riccin > ?ngulo en el tubo 3) P=rdidas de di$ergencias en las transiciones de salidas 6) P=rdidas por #ricciones en las transiciones se ignoran cuando el caudal sea menor de .m./s ("asta -m./s)
para el rango de caudal @asta ,.9 - /s ignoran las p=rdidas por con$ergencia > di$ergencias ?) Ta-bi=n
se
en transiciones de tierra, que sean requeridas entre el canal y las transiciones, por el de ser ellos muy peque*os
"a
p=rdida
total
de carga computada usualmente es incrementada en 2>A como factor de seguridad para asegurar contra la posibilidad de que el sifón cauce remanso aguas arriba del sifón La p$rdida de carga "idráulica en una transición es dependiente de la diferencia de la carga de velocidad en el canal y la normal el eje de la sección del conducto cerrado Los coeficientes de carga de velocidad considerados como adecuados (en el canal) para determinar las p$rdidas de carga en una transición tipo Ccubierta partida7 son de >< para la entrada y >@ para la salida, por lo tanto las p$rdidas pueden ser >< "v, para la entrada y >? "v para la salida de la transición Los coeficientes de carga de velocidad considerados adecuados para determinar las p$rdidas de cargas en transiciones de tierra desde el canal al tubo son de >3 para la entrada y 2> para la salidaH por lo tanto las p$rdidas serían >3 "v para la entrada y 2 "v para transiciones de salida 1ara mínimas p$rdidas cargas "idráulicas, es deseable prever un sello de 23 "v con . pulgadas como mínimo y en entrada de tubo y ninguna sumergencia a la salida del tubo #l sello es igual en altura a la caída vertical de la superficie normal del agua con relación a la corona de la abertura de sifónH !i el sifón tiene ambas transiciones (aguas arriba y abajo) de concreto, las p$rdidas de campo deben ser computadas en la base de un súbito alargamiento y las p$rdidas para ambas transiciones de salida, de concreto o tierra sería 2>"v Las p$rdidas por presiones del tubo son mediante uso de la fórmula de ;aning ("f)
hf
determinados
V 2 n 2 R 4 a
#n si#ones largos se deben dar consideraciones "idráulicas especiales, donde bajo ciertas condiciones la entrada puede
no llegar a sellarse #n sifones largos, tales situaciones pueden resultar cuando el canal es operado a flujo parcial (flujo menor que el flujo de dise*o) o a flujo de dise*o a tubo lleno cuando el coeficiente de fricción es menor que el asumido en el dise*o :nte tales condiciones puede ocurrir un salto "idráulico en el tubo y pueden causar condiciones de operaciones desagradables e insatisfactorios tales como C8:IJ5:8JK07 por una inadecuada ventilación ustamente otra solución a los problemas de cavitación por problemas de aireación es la de ubicar adecuadamente dise*adas ventanas de aireación en los lugares donde el aire podría acumularse #ste procedimiento es usado ordinariamente solo como medida de reducir los problemas de este tipo ya generando en un sifón existente La experiencia aconseja que la rama descendente del sifón invertido debe tener gran pendiente 2%2 a 2%., mientras que la ascendente debe tener una inclinación menor 2%3 "asta 2%? 8omo material de construcción se emplea casi generalmente tubería de "ierro fundido dúctil, debido a la normalización de las piezas curvas de fundición siendo posible la formación de ángulos de 22,3MH ,3MH .>MH <3MH ó sus combinaciones 1ara una fácil limpieza es conveniente que la parte que queda debajo del obstáculo que une las ramas ascendente y descendente tenga una ligera pendiente de 2%2>> a 2%2 >>>
d) VE"OIDADES 1ara obtener una buena auto4limpieza en el sifón invertido, la velocidad del líquido en su interior, debe ser como mínima de >,@> m/s, que además de impedir la sedimentación del material sólido (arena) en la tubería, es capaz de remover y arrastrar la arena depositada #n general, las velocidades del sifón deben oscilar entre 2 m/s y . m/s, dependiendo $sta de la carga disponible y de las consideraciones económicas !e pueden usar los siguientes criterios de velocidades para determinar los diámetros del buzón
2) 2> m/s o menos para un sifón relativamente corto con solamente transiciones de tierras proveídos tanto a la entrada como a la salida ) 23 m/s o menos para un sifón relativamente corto con transiciones de concreto o con estructura de control proveído en la entrada y con una transición de concreto en la salida .) . m/s o menos para un sifón relativamente largo con transición de concreto o estructura de control a la entrada y transición de concreto a la salida La velocidad o tama*o del tubo de un sifón largo es de particular importancia, económicamente, porque un ligero cambio en el tama*o del tubo puede significar un gran cambio en el costo de la estructura La velocidad máxima, es función de las características del material del sifón y de la carga disponible, de un modo general, la misma no debe ser mayor a .,> ó <,> m/s n sifón se considera largo cuando su longitud es mayor a 3>> veces el diámetro
e) DI;METRO MBNIMO 8onsiderando que para tuberías de menor dimensión es mayor la posibilidad de obstrucción, es recomendable que el diámetro mínimo del sifón tenga un valor similar al fijado para los colectores 1or tanto se recomienda un diámetro de 23> mm (6 plg) como diámetro mínimo
#)NCMERO DE T*%ERIAS #l sifón invertido debe tener, como mínimo dos líneas, a fin de "acer posible el aislamiento de una de ellas sin perjuicio del funcionamiento, cuando sea necesaria la ejecución de reparaciones y/o desobstrucciones #n el caso de existir grandes variaciones de caudal, el número de líneas debe ser determinado convenientemente para garantizar el mantenimiento de la velocidad adecuada a lo largo del tiempo
g) PERFI" DE" SIF&N
La facilidad de limpieza y las p$rdidas de carga son dos aspectos que deben ser considerados para la definición del perfil del sifón #l perfil de mayor uso es el que se asemeja a un trapecio con la base menor para abajo y sin la base mayor :sí la elección del perfil sea función de las condiciones locales y del espacio para su implantación, es de importancia fundamental que se procure proyectar el sifón con ángulos suaves que permitan la utilización de equipos simples para la limpieza y desobstrucción
@) ;MARAS DE INSPEI&N #l sifón invertido debe ser proyectado con dos visitables, cámara de entrada y cámara de salida
cámaras
?-ara de entrada La cámara de entrada debe ser proyectada de manera que oriente el escurrimiento "acia las tuberías que constituyen el sifón propiamente dic"o, debe prever además dispositivos que permitan% a) #l aislamiento de cualquiera de las líneas para su limpieza b) #l desvío del caudal afluente para cualquiera de las líneas, aisladamente o en conjunto con otra
c) #l desvío o by 4 pass directamente para un curso de agua o galería d)
La entrada de un operador desobstrucción o agotamiento
o
equipos
para
Los dispositivos para aislamiento de tuberías pueden ser compuertas de madera, que deslizan en ranuras apropiadas, o vertederos adecuadamente dispuestos para permitir la entrada en servicio de la nueva tubería despu$s de alcanzar el límite de capacidad de la anterior
Neneralmente son utilizadas compuertas que tienen la ventaja de poder distribuir mejor los caudales, de modo que mantenga siempre una velocidad mínima de auto limpiezaH sin embargo, $sta alternativa tiene la desventaja de requerir la entrada de personas en la cámara para efectuar la operación de las compuertas La utilización del vertedero lateral tiene la ventaja de evitar la entrada frecuente de personas en la cámara, sin embargo ocasiona mayor p$rdida de carga, pues es considerado un obstáculo sumergido, cuando el escurrimiento pasa sobre $l 8uando es utilizado el vertedero lateral, deben ser tomados los debidos cuidados en relación a las velocidades para atender las condiciones de auto4limpieza
?-ara de salida 'ebe ser tambi$n adecuadamente proyectada de modo de permitir la inspección, el aislamiento y la limpieza de cualquier línea del sifón Las soleras de los tubos afluentes y de la tubería de salida quedarán rebajadas, en relación a la tubería de llegada en la cámara de entrada, en 2/. del valor correspondiente a la p$rdida de carga a lo largo del sifón, más las p$rdidas localizadas Las cámaras de entrada y salida deben ser proyectadas con dimensiones adecuadas, de modo que permitan el acceso y movimiento de personas y equipos, en forma cómoda durante las operaciones que se realicen en las mismas
i) VENTI"AI&N 8onsiderables cantidades de aire y gases son arrastradas por el escurrimiento de aguas residuales en los colectores que funcionan en lámina libre #n cambio, $ste flujo es interrumpido en la cámara de salida del sifón, ya que el escurrimiento en el sifón se efectúa en conducto forzado 'ebido a esa interrupción, se produce una acumulación de aire y gases que origina una presión positiva en la cámara de entrada, y puede provocar el escape de gases con olor desagradable a trav$s de orificios y aberturas en las tapas de acceso a las cámaras !i la cámara de entrada fuese completamente "erm$tica, los gases efectuarían un camino en sentido inverso al escurrimiento "asta conseguir salir por las cámaras de inspección aguas arriba del sifón #n $ste caso, todo el oxígeno extraído de la cámara y los gases (principalmente el sulf"ídrico que se desprende del líquido debido al aumento de turbulencia), se concentran pudiendo ocasionar serios problemas de olor 8on la acumulación de sulfatos en la cámara de entrada, el ambiente se torna altamente tóxico, y puede ocasionar la muerte de los operadores que visiten la cámara sin la debida máscara de protección 1ara minimizar este problema, se puede interconectar las cámaras de entrada y salida por medio de una tubería, de modo que los gases sean transferidos para la cámara de salida y arrastrados por el flujo de aguas residuales aguas abajo del sifón 'ependiendo de la ubicación de la cámara de entrada, los gases pueden ser lanzados en la atmósfera siempre que las condiciones ambientales locales no sean afectadas La evacuación de aire y gases se produce a trav$s de una tubería con diámetro que varía desde un d$cimo "asta la mitad del diámetro del sifón 8uando se interconectan las cámaras, esta tubería generalmente es ubicada en forma paralela a las tuberías del sifón
3) VERTEDERO DE RE%OSE %' PASS #xistiendo la posibilidad de ocurrencia de accidentes, roturas, obstrucciones etc, que pueden interrumpir el funcionamiento del sifón invertido, se requiere de dispositivos de descarga !i el sifón está destinado a atravesar un curso de agua, se puede prever una tubería de descarga en la cámara de entrada, con una cota suficiente para el lanzamiento de aguas residuales en el río #sta solución, no puede ser utilizada en los casos en que, el mantenimiento de la calidad del agua en el cuerpo receptor la torna inviable y siempre que las tuberías afluentes puedan ser descargadas en otros sitios
) MATERIA"ES 1ueden ser utilizados tubos de "ierro fundido dúctil, "ormigón armado, acero o plástico, sin embargo es más frecuente el uso de "ierro fundido dúctil por su facilidad de instalación #n los casos en que el sifón es construido sobre lec"os o cursos de agua, se debe verificar su peso o anclar las tuberías, para evitar su flotación, condición que puede ocurrir durante el período de construcción o cuando el sifón es vaciado para reparaciones Los tubos livianos generalmente llevan una envoltura de cemento para evitar la flotación y su desplazamiento sirviendo además esta envoltura para su protección
I) OPERAI&N ' MANTENIMIENTO Los sifones exigen cuidados especiales sistemáticos con la finalidad de evitar obstrucciones na de las principales preocupaciones relacionadas al uso de los sifones se refiere a la necesidad de desobstrucción de los mismos, particularmente cuando ocurre la acumulación de sólidos pesados, como piedras, que resisten el arrastre "idráulico, situación que se traduce en la necesidad de utilización de equipos mecanizados de limpieza n equipo de limpieza de sifones bastante eficiente es la denominada =uc9et4;ac"ine #ste equipo está provisto de un motor, que es responsable del accionamiento de una roldana que enrolla y desenrolla un cable de acero, que tiene en el extremo un recipiente que se introduce por el interior de las tuberías, raspando la solera y recolectando el material sedimentado #xisten recipientes de distintos tama*os y su elección depende del diámetro de las tuberías y tambi$n de las dimensiones de las cámaras de entrada y salida !e recomienda la realización de inspecciones regulares, a trav$s de las cuales puedan ser previstas a tiempo la remoción de obstrucciones incipientes #n promedio, estas inspecciones deben ser realizadas una vez por mes La limpieza procedimientos
puede
ser
efectuada
por
diversos
a) Limpieza manual, utilizando raspadores con cables b) Lavado con agua proveniente de camiones succión4presión c) &etención temporal del agua en el tramo aguas arriba del sifón, seguida de una apertura instantánea de la compuerta en la cámara de entrada d) 'escarga de fondo en el punto bajo del sifón si las condiciones locales lo permiten
() PROEDIMIENTOS DE DISE
Los pasos sugeridos para el dise*o de un sifón incluye lo siguiente% a 'eterminar qu$ tipo de estructura de entrada y salida son requeridos y el tipo y tama*o aproximado del tubo b Faga un bosquejo preliminar del perfil (del sifón y estructuras de entrada y salida), usando la línea de tierra existente, las propiedades del canal y las estaciones del canal así como de las elevaciones de los extremos del sifón (ver figura <) #ste bosquejo puede proveer de los requerimientos del tubo en cuanto a cobertura, pendiente, ángulos de doblado y requerimientos de transiciones, c"ec9s (retenciones) y entradas del tubo sumergencia en entrada al tubo c 8ompute las p$rdidas de carga del sifón en este bosquejo preliminar !i la p$rdida de carga computada están en desacuerdo con la carga disponible, podría ser necesario "acer algunos ajustes tales como el diámetro del tubo o aún el perfil del canal!i las cargas perdidas computadas son mayores que la diferencia en la superficie del agua en la zona aguas arriba y abajo, el sifón podrá causar remanso en la zona aguas arriba del sifón !i existiera remanso, el tama*o del tubo debe ser incrementado al perfil del canal revisado para proveer carga adecuada !i las p$rdidas de carga computadas son apreciablemente menores que la diferencia en la superficie del agua relativa a la zona aguas arriba y abajo del sifón, posibilitaría una reducción del tama*o del tubo o el perfil del canal puede ser revisado como para que la carga disponible pueda ser aproximadamente la misma que las p$rdidas de carga d #n sifones largos donde la entrada puede no ser sellado "abría la posibilidad de cavitación y con operación no satisfactoria, la entrada debe ser c"equeada para una perforación adecuada y debería "acerse los ajustes necesarios
e 'eterminar el tipo o clase de tubo, las clases de tubo pueden ser determinados del monto de cargas internas y externas demostradas en el perfil del tubo
) E(EMP"O DE DISE
:suma que un canal de tierra llega a una autopista y la estructura más factible para conducir el agua por debajo de un sifón invertido
DATOS 2) 5ipo '# canal E canal de tierra ) Objeto de cruce E autopista en ángulo, esto con el eje del canal .) 8audal E >< m/s (23 pies) <) !5: : E 2<@P2<@ y la elevación de la plantilla del canal es% #l : E 3<>63 (sacado de la "oja del perfil) 3) d2 E >.3m (23 pies) equivalente al tirante normal (dn) del canal Q con una velocidad I2 E >6< m/seg Q cuya carga de velocidad "v2 E
V 12 2 g
E >>2.m (>>? pies)
6) #levación de !0: en !5:: E #L: P d2 E 3<>63 P >.- E 3<>6@>m ?) !5: F E 23> P 2<@> y la elevación de la plantilla de canal es% #l F E 3<>3> (sacado de la "oja del perfil) -) d E >.-m (23 pies) equivalente al tirante normal (dn) del canal cuya velocidad es I E pies) y carga de velocidad ", E
V 22 2 g
>6< metros (2
E >>2. metros (>>?
pies) E "v @) #levación de la de !0: en !5:F E #L: P d E 3<>3> P >.- E 3<>33-m 2>)
:nc"o de la carretera E ?@>m (6 pies)
22) 5aludes laterales de la zanja o cuneta fluvial de la carretera y pendiente o talud del canal E 23 a 2 2)
#levación de la corona de la carretera E #L
#L E 3,<>?6
2.)
#levación de los bordes de la carretera E 3,<>?>>
2<)
#structura de control a la entrada de la tubería
no es requerida con fines de elevación de agua 23)
1rofundidad de la cuneta de la carretera E ><3 m
26)
1rogresiva de la !5: con
de la carretera E
!5:23>P>> 2?)
:nc"o del banco del canal E .>
2-)
!alida E borde libre normal del banco del canal E
><>m anc"o del banco del canal en su salida E borde libre normal del banco del canal E ><> m
Re4ueri-ientos de estructura a la entrada > salida #l sifón está cruzando por debajo de una autopista, por lo tanto se requerirá algún tipo de estructuras de concreto a la entrada y salida 'esde que no se requiere estructura de control a la entrada se usará una transición de concreto a la entrada y salida !e usarán la estructura tipo , ver figura 4 de las separatas, tanto para la entrada como la salida
Tipo de tubo #n tubo tendrá una presión interna y pasará por debajo de una
autopista,
por
lo
tanto,
$l
debe
ser
de
concreto
prefabricado a presión (81&), tubo de asbesto cemento a presión (:8) o tubo de mortero plástico a presión (5;1) y cada uno tendrá un casquete de jebe para impermeabilizar 1ara
este
ejemplo
se
asume
que
debido
al
costo
y
disponibilidad es ventajoso a ser un tubo de concreto a presión pre fabricado (581&)
Ta-aGo de tubo (Ier tabla de la figura 4<) 1ara un sifón relativamente corto que tiene transiciones de concreto a la entrada y salida, el tubo podría ser el más adecuado para una velocidad de alrededor de 23m/s Luego para una descarga de >< m/seg, la tabla sugiere que se puede usar un tubo de <7 de diámetro
FI!*RA ,0
5:=L: 1:&: !#L#88JK0 '# 5=#&R:
MAX.VELOC .= 1.06 m/s
DATOS PARA LA SELECCIÓN DE DIÁMETRO DEL TUBO MAX.VELOC. = 1.' m/s MAX.VELOC. = +.0, m/s
(Tras!"!# $% T!%rra& -(m+/s& DESDE INCLUSIVE 0.0 0.0'6 0.0'6 0.10, 0.10, 0.1+6 0.1+6 0.+' 0.+' 0.+030 0.+030 0.+32 0.+32 0.,316 0.,316 0.'3, 0'3, 0.6216 0.06216 0.310 0.310 0.2,+6 0.2,+6 1.03+6 1.03+6 1.+0 1.+0 1.+216 1.+216 1.''26 1.''26 1.+60 1.360 1.2+6 1.2+6 .1, .1, .+26 .+26 .',' .',6 .0
(Tras!"!# $% C)"r%*)& -(m+/s& DESDE INCLUSIVE 0 0.102 0.102 0.103 0.103 0.,6, 0.,6, 0.++60 0.++60 0.,+26 0.,+26 0.'' 0.'' 0.6360 0.6360 0.3+16 0.3+16 0.233, 0.233, 1.160 1.160 1.+,63 1.+,63 1.','6 1.+,'6 1.'3, 1.'3, 1.23' 1.23' .60 .60 .,303 .,303 .,26
(Tras!"!# $% C)"r%*)& -(m+/s& DESDE INCLUSIVE 0 .2 .2 0.+,,, 0.+,,, 0.,+'6 0.,+'6 0.6,3 0.6,3 0.32 0.32 1.11,, 1.11,, 1.+,3 1.+,3 1.66+ 1.66+ 1.226 1.226 .+,0 .+,0 .6,+6
TUBO
DIÁMETRO (Pa$a& 1 1' 13 1 , +0 ++ +6 +2 , ,' ,3 '1 ', ' 60 6+ 66 62
ÁREA Ár%a 0.02 0.11,0 0.16, 0.+, 0.212 0.+62, 0.,'61 0.''13 0.6'6 0.0 0.32+3 1.061 0.16, 1.+1, 1.,' 1.6,0+ 1.3, .011 0.0 0.,1, .66
PROPIEDADES HIDR;*"IAS DE *N T*%O DE ,0 DE DI;METRO PARA / 1 J.0, - seg
: E Srea del tubo E >?-3 E >@2@m 2
I E Ielocidad en el tubo E
Q A
0.42 0.2919
I E 2<.-- m/seg "vp E 8arga de velocidad en el tubo E "vp E >2>33
V 2 2 g
2 .0703 2 x 9 .81
1.9091
Gp E perímetro mojado E
A Wp
& E &adio Fidráulico E
0.2919 1.9091
& E >23@ n E coeficiente de rugosidad asumido E >>2. sf E 1endiente de fricción del tubo 2
sf E
n v
2
2
4
R
2
0.013 x 1.4388
3
4
0.1529
3
sf E >>><<
%ORDE "I%RE ADIIONA" DE" ANA" EN E" EKTREMO A!*AS ARRI%A DE" SIF&N #l borde libre adicional E >3 del borde libre del canal E >3 x ><> E >>
E"EVAI&N DE" %ANO DE" ANA" EN "A ESTAI&N E
#levación de la !0: P el borde libre general P borde
libre adicional E
3<>??? P >.- P >> E 3<>-.3
#xtendiendo
el
banco
del
canal
en
esta
sección
una
distancia de 23 cm :guas arriba del sifón para minimizar los da*os en cual puede ser causado por rebalse
FI(AI&N HIDR;*"IA DE "A ENTRADA DE "A TRANSII&N % La elevación de la plantilla de la transición en el muro del cabezal (!5:8) esta basada en el C!ello Fidráulico7 requerida en la corona de la abertura del cabezal y de la altura vertical de la entrada Ft La pendiente del tubo afecta esta dimensión vertical de que% D Ht
Cos 1
la entrada (Ft) desde
Ht
D Cos 1
'onde ' es el diámetro del tubo E >62m Q
1
el ángulo del a pendiente del tubo en el cabezal de
la transición #l valor a escala de que un error en el valor de
1
1
1
es adecuado generalmente, desde
no afectará significativamente Ft luego
E 2T podrá tomarse como aceptable con
fines de aproximación, entonces% Ht Ht
0.61m Cos 12 º
0.61 0.978
0.623
#l sello "idráulico requerido E 23 "v E 23 ("vp4"v2) E 23 (>2>334>>2.) 23 "v E >26.m el cual es mayor que el mínimo sello requerido .7 (>>?6m) por tanto deberá usarse un Csello7 de >26.m La elevación 8 de la 1lantilla de la transición será (ver figura :) #L8 E !0: !5:: U (23 "v P Ft) #L8 E 3<>6@> U (23 x >26. P >6.) #L8 E 3<>6>-?6m !i la plantilla de la transición en el zampeado (!5:=) es establecida en la plantilla del canal, la diferencia en elevación de las plantillas de la transición (1) es (ver figura ?4)
1 E #L: U #L8 E 3<>63 U 3<>6>-?6 1 E ><.<
#l máximo valor de p a la entrada debe ser
V'
W '
valor de p a la salida debe ser de
y el máximo
1or lo tanto,
"aciendo id$ntico la entrada y salida, p no puede exceder
W '
el cual es
>.>m,
W
entonces
x >62m E >.2m sando un valor de p E la
elevación
=
de
la
plantilla
de
la
transición no será la misma del canal, pero será la misma que #L8 P p E 3<>6>-?6 P >.> #l =
E
3,<>6.-?6 la cual es >2.
más
baja que
la
elevación de la plantilla del canal en la !5:: La
pendiente
de
la
plantilla
para
una
longitud
de
transición de tierra de .>
.>m deberá ser más parada que < a 2 La pendiente actual de .>< a >2.< E . a 2 lo cual es muc"o más plano que < a 2 y por tanto permisible
NOTA % Las transiciones de tierra pueden ser usadas para graduar el pase de una sección de canal al de la sección de la estructura,
cuando la velocidad no excederá de 2>6
m/seg Las plantillas no podrán tener pendientes mayores de < a 2, tanto para las transiciones de entrada como de salida y la longitud de la transición en ambos lados igual a
.
diámetro
del
tubo
o
un
máximo
23m
cuando
la
transición se acople con una de concreto deberá tener una longitud E .>
FI(AI&N
HIDR;*"IA DE "A SA"IDA DE "A TRANSII&N 4
1ara minimizar la sumergencia del cabezal, se establece la elevación (!5:N) de la plantilla, aguas abajo, a la misma elevación de la plantilla del canal #ntonces la elevación N de la plantilla
de la transición E elevación F de la
plantilla del canal E 3<>33> 1ara que las transiciones de entrada
y
salida
sean
id$nticas
pE>.>m
#ntonces
la
elevación de la plantilla de la transición #L+ E #LN U p #L+ E 3<>33> U >.> E 3<>3>m La altura de la entrada en el cabezal (Ft) en la estación + es%
Ht
D
0.61
Cos 2
Cos 12º
0.61 0.978
0.6237
!umergencia de tope o corona de la abertura E (d 2
p)
D Cos 2
0.38
0.30
0.6337
0.0563
#sta sumergencia no debe exceder un sexto de Ft (2/6 Ft) para p$rdidas de carga mínima
Ht 6
0.625 6
0.104 #l cual es mayor que >>36.
1or lo tanto, la p$rdida por transición de salida es mínima y pueda ser calculada usando la ecuación O? "v
ABDA DE E"EVAI&N DE "A S*PERFIIE DE" A!*A (8arga disponible), esta es igual% a E !0: #L !5: : U #L !0: !5: F E 3<>6@> U 3<>33- E 2. m :ntes
de
establecer
detalladamente
las
elevaciones
y
dimensiones del sifón, se usará preliminarmente el esquema del
sifón
y
se
determinará
aproximada
y
se
comparará
establecerán
las
la
con
dimensiones
p$rdida la
y
total
carga ángulos
de
carga
disponible tal
como
!e se
requiera #ste estudio determinará si el diámetro del tubo o perfil del canal debe ser revisado La p$rdida total de carga con 2>A de factor de seguridad E 22 (p$rdida por convergencia en la transición a la entrada P p$rdida por fricciones en el tubo P p$rdidas por doblado (ángulos) P p$rdidas por divergencias en la salida de la transición)
Faciendo FL E 1$rdida total, tenemos% FL E 22 ( hi
hf
hb
ho )
'onde%
"i E 1$rdida a la entrada o ingreso "f E 1$rdida por fricción "b E 1$rdidas por ángulos en el tubo "o E 1$rdidas en la salida FL E 22 0.4 hv
longitud ( L ) x Sf 2 hvp
0.7 hv
Obteniendo% L E 2--H según escala de plano Sngulo de doblado E 2TH según escala de plano de esquema
hv E hvp 4 hvi E >2>33 U >>2.
FL E1.1 .4 (0.1055 0.0213) 21.88 x0.0044 2 x (0.1055) 0.7 (0.1055 0.0213) E >>< "allado el gráfico +ig -2 en función de
FL E >2@m La
carga proporcionada por el perfil del canal es a E
2.m, el cual es muc"o mayor que FL E>2@m #ste exceso de carga (2. U >2@ E 2>@-2) ocasionará una ligera depresión
aguas
resultará
en
arriba
una
del
velocidad
normales para una distancia
canal
a
mayor
partir que
las
de
sifón
y
velocidades
corta 1ara este dise*o se
asumirá que esta velocidad es 0O #&O!JI: de manera que no es necesario que el perfil del canal por tama*o del tubo sea revisado
DIMENSI&N L') DE "A TRANSII&N !egún figura ?U (de separata) el valor de Q será "
!irante en el
orde libre en el
Zampeado
Zampeado ( Fb )
Las dimensiones de Q deberán ser determinada de tal forma queda el borde libre proporcionado en el zampeado sea de >23m E +b Q E (#lev 'e !0: !5:: U #lev !5:=) P +b Q E (3<>6@> U 3<>6.-?6) P >23m Q E >32< P >23 E >666666m
DIMENSIONES DE "A TRANSII&N La) Ier a en la figura ?4 #l
borde
libre
en
el
cabezal
de
la
transición
para
diámetros de tubo de <7 y menores puede ser la misma que el borde libre en el zampeado
1or lo tanto la corona del cabezal es fijada a la misma elevación que la de la corona del muro en el zampeado y es igual a% #L= P Q E 3<>6.-?6 P >66 #L= P Q E 3<>?>?>6>-?6 E >@6m
DIMENSI&N DE "A TRANSII&N &eferirse a la figura ?4 para determinar 8 1ara transiciones id$nticas aguas arriba y debe usarse la columna cuyo ángulo de la superficie de agua es 3T La relación del diámetro del tubo a la profundidad normal (d) del agua en el canal es necesario determinarse para ser usado en la tabla y es igual a% ' E 26' 1or interpolación en la tabla entre ' E 23d y ' E >d, la dimensión 8 sería% C 1.8 D
#
Siendo #
(1.6 d 1.5d ) 2d 1.5d
x ( 2.30
1.80)
1.6d 1.5d C 1.8 D 2d 1.5d x ( 2.3 D 1.80 D )
C 1.8 D
0 .1 0 .5
( 0.5 D )
1.8 D
0.1 D
C
2@' E 2@(>@2) E 226m
C
226m
C
2m
sese 8 E 2 m
Pro#undidad > espesor del a-peado de la Transicin
&efiri$ndose a lo apropiado en la tabla de la figura ?4 para una profundidad normal del canal (tirante normal) de >.-m (23 pies), la profundidad (e) del zampeado de la transición deberá ser de <7 (>62m) y el espesor del zampeado (tX) será igual a tX E 67 E >23m
"ongitud de transicin del concreto L") !egún figura ?4 se tiene% L E . diámetro del tubo E . x >62 E 2-.m L E 2-.m
Di-ensin % de la transicin Ier figura ?4, el anc"o de la base en el cabezal es = y es igual a% = E >.>. ' E >.>. x >62 E >2-3m Ysese = E >>m
Per#il #inal del si#n sando las elevaciones, dimensiones y pendiente del terreno previamente
computado
o
dado,
se
determinará
el
emplazamiento final de la estructura, tubo, elevaciones y pendiente del tubo Las estaciones 8 y # en el cabezal de la transición son controladas por las dimensiones del trabajo del terreno y las pendientes laterales y espesor de muro de cabezales 'e la figura, puede determinarse que la estación 8 debe estar a por lo menos 2><3m aguas arriba a partir del eje de la carretera !5:
E !5: 5 U 2><3m
E !5: (23> P >>) U 2><3m E !5: <@ P 2@@3 o menos Ysese !5: 8 3? 2<@ P 2@@3 La !5:= es entonces !5:=
E !5:8 U 2-< E !5:8 U 2-
E !5: (2<@ P 2@@3) U 2- !5:=
E !5:2<@ P 2-2.
Q la !5: : viene a ser% E !5:= .>
E 2<@ P 23>@m
La peque*a diferencia en el valor dado para la estación : (2<@P2<@) y la estación computada (2<@ P 23>@) no es suficiente como para requerir cualquier cambio en el perfil de la plantilla del canal Las estaciones +, N y F son determinados en la misma manera como en la estación :, = y 8 de la figuraZZZZZZ puede verse que la estación + debe estar por lo menos @
E !5: P @< E !5: (23>P>>) P @ P @<)
La estación N es entonces !5: N
E !5: + P 2- E !5: (23>P@<) P 2- E !5: 23> P 22>6m
La !5: F se convierte en% !5: F
E !5: N P .> P 22>6) P .><
!5: F
E !5: 23> P 2<2>m
:quí de nuevo
la diferencia entre
los
valores
dados
y
compartidos para la estación F es peque*a y no requerirá ningún cambio en el perfil de la plantilla del canal Las estaciones ' y + son seleccionados para asegurar que se provea un mínimo de >62m de cobertura de tierra en el tubo
debajo de las
zanjas,
de cunetas La plantilla
de las
zanjas tipo I de las cunetas están localizadas a <6
E !5: (23>P>>) U <-6 E !5: 2<@ P 3<
La elevación ' es determinada mediante la sustracción del diámetro del tubo, espesor de la sección del tubo y la cobertura mínima a partir de la elevación de la zanja de cuneta #J' E (3<>?>>4><6)4(>62P>>?6P>62) #J' E 3<>3< 'eterminando la !5:# E !5: P <-< E !5: (23>P>>) P <-< E !5: 23> P <-< !5: # E !5: 23> P <-< La elevación # determinada sustrayendo el producto de la distancia entre las estaciones ' y # y la pendiente >>>3 del tubo (el cuál es una pendiente mínima) a partir de la elevación '2 #L #
E #L ' U @?.x>>>3 E 3<>2<4>><@ E 3<>2< U >><@ E 3<>22@
La pendiente del tubo aguas arriba (!2)H $sta fluctúa entre las estaciones 8 y ' y calculada como sigue% 'istancia "orizontal
E !5:' U !5:8
E (2<@P3<) U (2<@P2@@3)E 3@m 'istancia Iertical E #L8 U #L' E 3<>6>-?6 U 3<>3< E >-3m S i
Dis tan %ia Verti%al Dis tan %ia Hori$ontal
0.85 5.29
0.16
S i 0.1607
Sngulo que le corresponde a dic"a pendiente o tangente es%
1
Ar% !g 0 .1607
1
9.13 º
9.13º
La pendiente del tubo (!.) aguas abajo !e determinará la pendiente del tubo entre las estaciones # y + 'istancia "orizontal E !5:+ U !5:# E !5: (23>P@<) U (23>P<-<) E <<> 'istancia "orizontal E <<> 'istancia vertical E #L+ U #L# E 3<>3> U 3<><2@ E <>2m Dis tan %ia Verti%al
S 3
S 3
0.23
Dis tan %ia Hori$ontal
1.01
4.40
0.23
#l ángulo de esta pendiente en el ángulo cuya tangente es >. 2
Ar% !g 0.23
2
12 .92 º
12 .92 º
PRDIDA DE AR!AS FINA"ES DE" SIF&N LH ") Las p$rdidas de cargas finales totales con un factor de seguridad de 2>A es E FL E 22 (1$rdidas por convergencia en la transición P p$rdida por fricción del tubo P p$rdidas de divergencia en la transición de salida) FL E 22 ("i P "f P "b P "o) FL E (>< "v P L x !f P "vpx P >? "v) 'eterminando la longitud del tubo de la estación 8 a la estación '
Longitu( L)
L
( S!A D
S!A C )
Cos 1
5.29 Cos 9.13
5.36
#n la estación ' a la estación # 'esde que la pendiente del
tubo
es
relativamente
plana,
usando
la
distancia
"orizontal E !5: # U !5: ' E !5:(23>P<-<) U !5: (2<@P3<) E 2>m 'e la estación # a la estación + L
( S!A. F
S!A. & )
Cos 2
4.40
E
Cos 12.91
L E <32m La longitud total del tubo es (L5) E L5 E 3.6 P @?. P <32 E 2@6> 1or lo tanto la p$rdida total de carga en el sifón es (FL) FL E 22 ><(>2>334>>2.)P2@6x>>><<> P(>>2>33)xP>?(>2>334>>23) FL E 22 (>>..?P>>-6P>>>->3-@) FL E 22 (>2-?>) FL E 2-? m 'esde que la carga proveída es 2.m es mayor que la carga requerida de 2@m, una ligera deposición o abastecimiento de la superficie del agua ocurrirá por una corta distancia aguas arriba del sifón #ste exceso de carga causará una ligera
aceleración
de
velocidad
que
podemos
asumir
no
erosivos para el caso en análisis, ni tampoco requiere revisar el perfil del canal en el diámetro del tubo
PROTEI&N DE EROSI&N !e refiere la tabla de +igura ?4-, desde que la profundidad de
agua
es
menor
de
>62m
(E>.-)
protección de erosión a la entrada
no
se
requerirá
O""ARES DE" T*%O :sumiendo que el collar no es requerido para desalentar o contrarrestar conejeras, estos son necesarios para suavizar la percolación del agua a lo largo del tubo La diferencia con elevación entre la superficie del canal de agua y la cuneta de la carretera es relación
ponderada
de
arrastre
o
F E >6@m La
factor
de
percolación
requeridos para prevenir la tubificación es asumido ser .> 'eterminado la longitud ponderada de arrastre (LX) desde la entrada
de
la
transición
a
la
primera
cuneta
de
la
carretera, asumiendo que el agua percolada fluye a lo largo del lado del fondo del sifón desde la estación = a la estación ', luego eternamente a lo largo del tubo a la corona del tubo y finalmente a trav$s de la tierra a la plantilla de la cuneta La longitud ponderada
de arrastre son derivados de la
multiplicación de la longitud
de trayectoria por 0O !i
la trayectoria es vertical y entre estructura y tierra, por 2/. si la trayectoria
es "orizontal y entre estructura y
tierraH y por 'O! si la trayectoria es a trav$s de tierra LX E (xdimensión vertical del zampeado x 2) P (!5:'U!5:=) x
1 3
P (diámetro exterior del tubo) x2 P
(8obertura de tierra en el tubo) x
E
(x>62) x 2 P ?6 x
1 3
P >?6 x 2 P x >62
LX E 3?.m
'eterminado
el
factor
de
percolación
(+1)
que
esta
distancia de arrastre provee se tendrá%
F(
L' h
5.73 0.69
8.30
'esde que el factor de percolación de -.> es mayor que . que es el necesario asumido, no se necesitarán collares
"ASE DE T*%O DE ONRETO PREFA%RIADO La carga de tierra equivalente en el tubo no excederá de .>6m, por lo
tanto
el
tubo
clase
=3
es
satisfactorio
y
la
designación del tubo será% <=3
OTRO EJEMPLO DE CÁLCULO Elaborar un proyecto de un sifón con los siguientes datos:
a) Caudales de proyecto A lo largo de los años, los caudales afluentes al sifón serán de acuerdo con los valores ostrados en la figura 1. En la figura 2, se tienen los caudales para cada etapa del proyecto, los cuales son ostrados en la tabla 1.
b) Logitud del si!" !a longitud del sifón es de "# .
c) Caracter#sticas del colector $ue a!luye al si!" $iáetro% &## Pendiente %#,##'( ) *#,'( + -ota de la solera del colector afluente% '&" .
%oluci"& C'lculo de las tuber#as del si!" i(ertido Aditiéndose ue el sifón invertido estará constituido de ' tuber/as *0, 1 y ', de odo ue la tuber/a 0 atenderá la etapa cero, la tuber/a 1 ás la tuber/a 0 atenderán la priera etapa y la tuber/a ' y las deás atenderán la segunda etapa. A continuación se deterinan sus diáetros, considerándose para el caudal edio una velocidad superior a #,(# )s *para el caudal áxio 2orario de un d/a cualuiera, velocidad igual o superior a #,3 )s
a) Deteriaci" del di'etro de la tuber#a 1 para ateder el iicio de la operaci" Para el caudal edio de &# !)s
Adoptándose el diáetro coercial ás próxio, resulta en $ 1 % 4## . Alternativaente, para el caudal áxio 2orario de un d/a cualuiera, de 1&' !)s. Para 51 % 1&' 6 000 % 071 !)s
: E >2?/>@> E >2@2 m, que tambi$n resulta '
E
3>>mm
1*+2 C'lculo de la cur(a caracter#stica y la !ora de operar del si!" Para deterinar la curva caracter/stica del sifón, son calculadas las pérdidas de carga, ue se copone de pérdidas de carga localizadas y pérdidas de carga distribuida.
a) P,rdida de carga locali-ada
b) P,rdida de carga distribuida !as tuber/as del sifón serán de fierro fundido d8ctil clase 97. !as pérdidas de carga serán calculadas por la fórula ;niversal, con coeficiente de rugosidad unifore euivalente *< igual a 1,# . -onsiderando ue la longitud del sifón es de "# , las pérdidas carga totales será deterinadas a través de las tablas . y *.
En la figura ., fueron trazadas las curvas caracter/sticas del sifón, deterinándose las pérdidas de carga para las tuber/as de "## y de 4## , y sus respectivas velocidades. El trazado de las curvas de pérdida de carga para las tuber/as, fue 2ec2o gráficaente, considerándose para una deterinada pérdida de carga la sua de caudales de cada tuber/a. Para la distribución de los caudales a lo largo del per/odo de proyecto y considerándose las velocidades de auto lipieza en las diferentes tuber/as del sifón, se puede aditir una pérdida de carga áxia de #,'4 .
Por lo ue se observa en la tabla /, la condición cr/tica de operación del sifón se sit8a en la fase inicial, donde la velocidad para el caudal edio es de #,(" )s, para el caudal áxio 2orario de un d/a cualuiera de 000 !)s, en el inicio de la operación la velocidad será de #,&& )s. Por lo expuesto en el nueral *+2 del presente =eglaento, para esa velocidad se puede aditir ue 2abrá autolipieza en las tuber/as del sifón. -onsiderando la fora de operar el sifón y los caudales afluentes, se puede prever, confore presentado en la figura *, el per/odo de operación de las diferentes tuber/as del sifón *véase tabla 0.
1*+. i(eles de agua e las c'aras del si!" a) C'ara de etrada Para la deterinación de los niveles de agua en las cáaras del sifón, fueron considerados los caudales ue ocasionan las pérdidas de cargas áxias *>? % #,'4 , confore se observa en la figura /. En la tabla están deterinadas las cotas de los niveles de agua en la cáara de aguas arriba para esos caudales.
b) C'ara de salida El nivel de agua a la salida del sifón es resultante del nivel de agua aguas arriba, enos la pérdida de carga. -onsiderando los caudales transportados por el sifón ue ocasionan las pérdidas de carga áxia, se tienen los niveles de agua en la cáara aguas aba@o, confore se presenta en la tabla 3.
!a cota del fondo de la cáara aguas aba@o será definida de odo ue no a2ogue el colector efluente del sifón. -oo el diáetro y la pendiente del colector efluente son iguales a los del colector afluente de la cáara aguas arriba, las alturas de las láinas de agua serán iguales. As/, la cota del fondo de la cáara aguas aba@o debe ser:
-ota de fondo % '&",## #,'4 % '&',(4 . En la figura 0 son presentados los detalles de las cáaras aguas aba@o, inclusive el nivel áxio de agua.
1*+* 4etilaci" del si!" erá proyectada una tuber/a para la ventilación del sifón a ser localizada en la cáara aguas arriba, pues esta se adite para ue los gases expelidos no afecten a las condiciones abiéntales del lugar. u diáetro será euivalente a un décio de las tuber/as del sifón.
El área euivalente de las tuber/as del sifón será de #,403 1. Por tanto el área de la tuber/a de ventilación del sifón será de #,#403 1 y su diáetro será de 14# . Para la deterinación de los niveles de agua en las cáaras del sifón, fueron considerados los caudales ue ocasionan las pérdidas de carga áxias.
