Sifones Invertidos.(Original)

UNIVERSIDAD NACIONAL:

“José Faustino Sánchez Carrión”

“SIFONES INVERTIDOS “

El sifón invertido surge como solución a la necesidad de burlar un obstáculo topográfico y conducir un fluido mediante una tubería a presión, diseñándose como una tubería simple. Es notable la utilidad que tiene este tipo de estructuras no solo porque resuelve el problema de realizar grandes tramos de canal cuya construcción demandaría mayores costos elevando el monto del proyecto. Los sifones invertidos son usados para transportar agua proveniente de canales por debajo de carreteras y vías de tren debajo de ríos y quebradas, etc. Cuando existen quebradas poco anchas profundas conviene cruzadas con acueductos, pero cuando el cruce es ancho arriba y profundo en el centro muchas veces conviene proyectar un sifón invertido .Los estudios económicos y las consideraciones topográficas, geológicas e hidrológicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructura.

FAC. De Ingeniería - Ing. Civil HIDRAULICA

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En el presente trabajo de investigación de todas las estructuras de cruce habla exclusivamente de sifones invertidos, como solución cuando la topografía de terreno no es favorable, he separado en tres puntos importantes `para hacer más fácil su asimilación, primero en conceptos fundamentales, el cálculo hidráulico, y por un último un ejemplo en donde se aprenderá seguir todos los pasos para su diseño.


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Este trabajo de investigación está dedicado a todos los interesados sobre el tema de “DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS (UN SIFON INVERTIDO”, para su correcta ejecución como ingenieros civiles e Hidráulicos.


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INTRODUCCIÓN 1. ELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA: 1.1 estructuras de cruce 1.2 tipos de sifones 2. PARTES DE UN SIFON INVERTIDO 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Desarenador. Desague de excedencias. Compuerta de emergencia y rejilla de entrada. Transiciones de entrada y salida. Conducto o barril Sección transversal

3. FUNCIONAMIENTO 4. REGISTRO PARA LIMPIEZA Y VÁLVULA DE PURGA. 5. PERDIDAS EN EL SIFÓN INVERTIDO 5.1 Perdidas por transición de entrada y salida 5.2 Perdidas de carga por cambio de dirección o codos 5.3 Perdidas por válvulas de limpieza 5.4 Perdidas por ampliación (perdidas por salida 6. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO 7. EJEMPLO DE DISEÑO HIDRAULICO DE UN SIFON INVERTIDO 9. ANEXOS 8 CONCLUSIONES 9. BIBLIOGRAFÍA


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SIFONES INVERTIDOS 1. ELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA: 

Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar una alcantarilla, y si el obstáculo es muy grande se usa túnel.



Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar como estructura de cruce un puente canal o un sifón invertido o la combinación de ambos.

1.1 ESTRUCTURAS DE CRUCE Para cruzar una depresión, se debe recurrir a una estructura de cruce, en cada caso se escogerá la solución más conveniente para obtener un funcionamiento hidráulico correcto, la menor pérdida de carga posible y la mayor economía factible; las cuales pueden ser:    

Puente canal Sifón invertido Alcantarilla Túnel

Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para conducir el agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica en la que está ubicado un camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso otro canal.


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1.2 TIPOS DE SIFONES Los principales tipos de sifones invertidos son los que se indican a continuación: 

Ramas oblicuas



Pozo vertical



Ramas verticales



Con cámaras de limpieza


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El sifón invertido de ramas invertidas, se emplea para cruces de obstáculos, para lo que se cuenta suficiente desarrollo y en terrenos que no se presentan grandes dificultades de ejecución. Los sifones invertidos pozo vertical y ramas verticales, son preferidos para emplazamientos de poco desarrollo o en caso de grandes dificultades constructivas, debido a sus características de fácil limpieza y reducido espacio, son muy aconsejables. El sifón invertido con cámara de limpieza, tiene su aplicación en obras de cruce de vías subterráneas. 2. PARTES DE UN SIFON INVERTIDO Los sifones invertidos, como se muestra en la Figura (1), constan de las siguientes partes: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Desarenador. Desagüe de excedencias. Compuerta de emergencia y rejilla de entrada. Transición de entrada. Conducto o barril. Registros para limpieza y válvulas de purga. Transición de salida.

No siempre son necesarias todas las partes indicadas pudiendo suprimirse algunas de ellas.

Figura (1), Elementos de un Sifón Invertido.


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2.1 DESARENADOR. Consiste en una o varias compuertas deslizantes colocadas en una de las partes laterales, que descargan a un canal con pendiente superior a la del propio canal. Sirven a la vez para desalojar el agua del sifón, cuando por reparaciones en este sean cerradas las compuertas o agujas de emergencia, se recomienda hacerlos de las dimensiones convenientes apara que pase el caudal por desalojar y unirlos al canal colector de la obra de excedencias. Conviene localizarlo antes de la transición de entrada. 2.2 DESAGUE DE EXCEDENCIAS. Es una estructura que evita el nivel del agua suba más de lo tolerable en el canal de llegada, evacuando el caudal que no pueda pasar por el sifón. Generalmente consiste en un vertedor lateral construido en una de las paredes del canal. Para el caudal normal, la cresta del vertedor estará al nivel de la superficie libre del agua. 2.3 COMPUERTA DE EMERGENCIA Y REJILLA DE ENTRADA. Por facilidad de construcción se localizan a la entrada del conducto, o sea al finalizar la transición de entrada. La compuerta de emergencia consiste en una o varias compuertas deslizantes o agujas de madera que corren sobre ranuras hechas en las paredes laterales o viguetas de hierro y que en un momento determinado puedan cerrar la entrada al conducto para poder hacer limpieza o reparaciones al mismo. La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8” de diámetro o varillas cuadradas de 0.95x0.95 (3/8” x 3/8”) colocados a cada 10 cm, y soldados a un marco de 2.54 x 1.27 (1” x ½). Su objeto es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basura y objetos extraños que impidan el funcionamiento correcto del conducto. La rejilla permite también proteger a las personas que por una u otra razón están usando el canal.


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2.4 TRANSICIONES DE ENTRADA Y SALIDA. Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es diferente a la adoptada ene l conducto o barril, es necesario construir una transición d entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda. Para el cálculo de la longitud de las transiciones que son simétricas se seguirá el criterio de la comisión nacional de irrigación de México.

En el diseño de una transición de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifón un poco más 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 del sifón se recomienda que este comprendida entre un minimo de 1.1 hv y un máximo de 1.5 hv. Hv= carga de velocidad

2.5 CONDUCTO O BARRIL Forma la parte más importante y necesaria de los sifones. Se recomienda profundizar el conducto, dejando un colchón mínimo de 1 m en las laderas y de 1.5 m en el cruce del cauce para evitar probables fracturas que pudieran presentarse debido a cargas excesivas como el paso de camiones y tractores.


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2.6 SECCION TRANVERSAL Por cuestiones de construcción pueden ser. 1. Cuadradas 2. Rectangulares 3. Circulares Velocidades en el conducto. Las velocidades de diseño en sifones grandes es de 2- 3 m/s, mientas que en sifones pequeños es de 1.6 m/s. Un sifón se considera largo, cuando su longitud es mayor que 500 veces el diámetro. 3. FUNCIONAMIENTO El sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado en la entrada y a la salida.

Ahogamiento≥ 10% Puede tenerse ahogamiento < 50% AHOGAMIENTO =


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El sifón funciona por diferencias de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las perdidas en el sifón. La diferencia de carga ΔZ≥ las pérdidas totales. 4. REGISTRO PARA LIMPIEZA Y VÁLVULA DE PURGA. Con el plano a curvas de nivel y el perfil del terreno en el sitio de la obra, se traza el sifón y se procede a diseñar la forma y dimensiones de la sección del conducto más económica y conveniente, esto se obtiene después de hacer varios tanteos, tomando en cuenta las pérdidas de carga que han de presentarse. Las dimensiones de la sección transversal del conducto, dependen del caudal que deba pasar y de la velocidad que se pueda dar. En sifones grande se considera una velocidad conveniente de agua en el barril de 2 a 3 m/s que evita que el depósito de azolve en el fondo del conducto y que no es tan grande que pueda producir la erosión del material de los abrirles, cuando por las condiciones del problema, no sea posible da el desnivel que por estas limitaciones resulten, se pueden reducir las pérdidas, disminuyendo prudentemente la velocidad del agua, teniendo en cuenta que con esto de aumenta el peligro de azolvamiento del sifón, por lo que habar necesidad de mejorar las facilidades para limpiar el interior del barril. El sifón funciona por diferencias de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las perdidas ene l sifón. La diferencia de carga ΔZ≥ las pérdidas totales. 5. PERDIDAS EN EL SIFÓN INVERTIDO Las principales perdidas de carga que se pueden presentar son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Perdidas por transición de entrada y salida Perdidas en la rejilla Perdidas de entrada Perdidas por fricción en el conducto o barril Perdida por cambio de dirección de codos Perdidas por válvula de limpieza Perdida por ampliación


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5.1 PERDIDAS POR TRANSICIÓN DE ENTRADA Y SALIDA

Donde: v1= v2= v3= v4=

velocidad velocidad velocidad velocidad

en en en en

sección sección sección sección

1 2 3 4

de de de de

la la la la

transición, transición, transición, transición,

de de de de

entrada entrada salida. salida.

En un flujo subcritico, la sección (4) de la Figura 1, tiene el tirante real igual al tirante normal, esto es debido a que en un flujo sub-critico, toda singularidad crea efectos hacia aguas arriba. Para encontrar las perdidas por transición de salida es conveniente aplicar el teorema de Bernoulli entre los puntos (3) y (4) para calcular Perdidas por transición de entrada se aplica Lo mismo con la entrada pero entre los puntos (1) y (2). El tubo a la entrada, conviene que quede ahogado de un 10% a un 50% de hv para evitar la entrada de aire que pueda producir un funcionamiento defectuoso. 5.2 PERDIDAS POR REJILLA. Cuando la estructura consta de bastidores de barrotes y rejillas para el paso del agua, las pérdidas originadas se calculan con la ecuación:

Donde h2= perdida por rejilla


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K= coeficientes de perdidas en la rejilla. An= área neta de paso entre rejillas. Ag= área bruta de la estructura y su soporte, que quede dentro del área hidráulica. vn= velocidad a través del área neta de la rejilla dentro del área hidráulica. 5.3 PERDIDAS DE CARGA POR ENTRADA DEL CONDUCTO

Donde: h3= perdida de carga por entrada del conducto v= velocidad del agua en el barril. Ke= coeficiente que depende de la forma de entrada. Valores de ke

5.4 PERDIDAS POR FRICCIÓN EN EL CONDUCTO Una formula muy empleada para determinar las pérdidas por fricción es la de Manning:


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Donde: Hf= perdidas por fricción ene conducto n= coeficiente de rugosidad. S= pendiente del tramo. V= velocidad del agua en el conducto. R= radio hidráulico. L= longitud total del conducto. Cuando se trata de un conducto circular, el radio hidráulico es: R= d/4. Luego

Donde, d es el diámetro del conducto.

5.5 PERDIDAS DE CARGA POR CAMBIO DE DIRECCIÓN O CODOS Una formula muy empleada es:

Donde: hc= Perdidas de carga por cambio de dirección o codos D = ángulo de deflexión. Kc = coeficiente para codos comunes igual a 0.25. 5.6 PERDIDAS POR VÁLVULAS DE LIMPIEZA Estas pérdidas de cargas se originan en los sifones por el hecho de insertar lateralmente una tubería en la que que se coloca unas válvulas para desagüe y limpieza, entonces estas pérdidas se consideran por bifurcación de tuberías, esta pérdida por ser pequeña y no se puede evaluar, se desprecia.


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5.7 PERDIDAS POR AMPLIACIÓN (perdidas por salida) Algunas veces por exigencias topográficas no es posible localizar una transición a la salida del sifón para el cambio de sección, haciéndolo en una caja, de la cual saldrá el agua al canal. La perdida de carga será motivada por ampliación brusca en la sección y se aplica la formula de Borda.

Donde: hs= perdida de carga por ampliación brusca v1= velocidad en el sifón. v2= velocidad aproximada en la caja. Según Archer:

Forma práctica: Dodne: hs = perdida por entrada he = perdida por salida


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6. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO Para el caso de un líquido subcritico en el canal, toda singularidad (en este caso el sifón invertido), cusa efectos hacia aguas arriba. Por lo tanto en el punto (1) de la siguiente figura se presenta el tirante real, siendo igual al tirante normal del canal.

Perfil longitudinal

El proceso de cálculo es como sigue: 1. Calcular las dimensiones del canal: Para esto se debe conocer el caudal, forma del canal, rugosidad y pendiente. 2. Calcular las dimensiones del conducto: 2.1 Si se conoce el caudal , y suponiendo una velocidad, por ejemplo v= 2m/s, y aplicando la ecuación de continuidad se tiene:


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2.2 Definir el tipo de sección transversal del conducto:

2.3 Calcular las dimensiones: Si la sección es circular:

El diámetro que debe tomarse debe ser lo más cercano posible al calculado, pero que esté disponible en el mercado, con el diámetro real elegido, recalcular el área. 2.4 rectangular v

Donde A es el área calculada con el diámetro real. 3. Calcular las transiciones. 3.1 Calcular la transición exterior de trapezoidal a rectangular:

De donde: Le= Longitud transición exterior T = espejo del agua t = D = diámetro del conducto


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3.2 Calcular la longitud de la transición interior de rectangular a circular.

Donde: Li= Longitud transición interior D = Diámetro del conducto 4. Calcular la carga disponible: 4.1 Calcular la diferencia de cotas

4.2 Calcular las pérdidas totales aproximadas:

Donde: : Sumatoria de las pérdidas totales.

;

Para una tubería llena. Luego:

4.3 si

, , no hay problema para continuar los calculo.


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5. Cálculos en el sifón 5.1 Calculo de Aplicar la ecuación de Bernoulli entre 1 y 2 :

Donde: Y2= tirante a la salida del sifón Y1= tirante ene l canal, igual a yn

Perdidas por transición de salida

Nota= verificar que esta pérdida sea positiva Resolver la ecuación de Bernoulli por tanteaos y calcular y2, luego calcular hts. 5.2 Calcular el % de ahogamiento a la salida del sifón:

Verificar que el % de ahogamiento >= 10 %.


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5.3 Calculo de Aplicando la ecuación de Bernoulli entre 3 y 2:

De donde: y3 = D ( aprox.) Z3 = Z2

5.4

calculo de


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Calculo de la Ecuación de Bernoulli entre 4 y 3 :

Z4-Z5 = diferencia de cotas de los puntos 4 y 3 y4 = y3 = D v4= v3 = v =velocidad en el conducto

5.5 Cálculos de y5 , he: Aplicando la ecuación de Bernoulli entre 5 y 4:


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Donde: Z5 = Z4 y4 = D. 5.6 Calculo del % de ahogamiento en la entrada del sifón

Verificar que el % de ahogamiento >= 10 %.

5.7 Calculo de y6 y hte :


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Aplicando la ecuación de Bernoulli entre 6 y 5 :

De donde: Z6-Z5 = es la diferencia de cotas entre estos puntos

Debemos considerar que hte es positivo 5.8 Calculo de las pérdidas totales:

De donde: ht= pérdidas totales hte= perdidas en las entradas he= perdidas en la entrada (reducción) hf= perdidas de fricción en el conducto hcodos= perdida en los codos hs= perdida en la salida (ampliación). hts= perdida por la transición de salida. 5.9 debemos comparar con el ΔZ Si cotas. Si

, el conjunto de perdidas es absorbido por la diferencia de realizar cambios, los cambios que pueden realizarse son:


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 Aumentar las dimensiones del conducto.  Variar el desnivel entre el canal de entrada y la salida. Debemos verificar que se cumpla:

De donde: Y1= Tirante al inicio del canal, después del sifón Y6= Tirante al final del canal antes de la transición ΔZ = diferencia de cotas entre 1 y 6. ht= perdida totales en el sifón


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EJEMPLO DE DISEÑO HIDRAULICO DE UN SIFON INVERTIDO

Diseñar un Sifón invertido como se muestra en la figura, para un gasto de 0.08 m3/s, para un canal de llegada y salida revestidos de concreto, los datos del flujo en los canales son los siguientes. Tirante normal del canal aguas arriba d = 0.30 m. Velocidad del agua en el canal aguas arriba, V = 0.541 m/s. Carga de velocidad en el canal aguas arriba hvc = V2/2g = 0.015 m.

Solución. Según lo expuesto antes se comienza con el diseño de transiciones, las longitudes tanto para entrada como salida, este paso obviaremos para abocarnos directamente al diseño de la tubería, entonces: Paso 1) Elegir tubería, esta se elige de acuerdo a la disponibilidad del lugar, para el ejemplo tomar tubería de concreto. n = 0.013 (número de Manning). Paso 2) Velocidad media del agua en el conducto, esta velocidad como máximo puede alcanzar hasta 3 m/s, entonces asumir 2 m/s. Paso 3) Diámetro de la tubería, de la ecuación de continuidad, se despeja el diámetro y se tiene:


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En pulgadas 8.80, redondeando a un diámetro comercial tomar un diámetro de 10 pulgadas. Paso 4) Calcular las propiedades hidráulicas del conducto. Área del tubo:

Velocidad media en la tubería:

Carga de velocidad en la tubería:

Radio hidráulico para sección circular:

Paso 5) Calcular las pérdidas: a) Perdida por transición de entrada.


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b) Perdida por entrada al conducto, ecuación (10-22), para Ke = 0.5, entrada de concreto.

c) c) Perdida por fricción: primero hallar S con la ecuación de Manning. Y la longitud del grafico es 49.5 m. Despejando S de Manning:

De la ecuación (10-23)

d) Perdida por codos, de la grafica el ángulo en ambos lechos es igual a 18º, en la ecuación (10-24) Con Kc = 0.25 se tiene:

Como son dos codos hc = 0.028 m. e) perdida por transición de salida: ecuación (10-19)


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f) sumatoria de pérdidas:

Paso 6) calcular diferencia de cotas, del grafico se tiene:

Como las pérdidas son menores a la diferencia de cotas el diseño del sifón invertido cumple con la relación: z ht ∆ ≤ .entonces para estas condiciones usar tubería de 10 pulgadas de diámetro.


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Los sifones invertidos son económicos, fáciles de diseñar y de construir y han demostrado tener una confiable capacidad de conducción. Los costos de diseño, construcción y mantenimiento son factores que pueden hacer a un sifón invertido más factible que otra estructura. Sin embargo la pérdida de carga producida en un sifón invertido es mayor que en los otros sistemas de cruce (acueductos, etc).


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 Villón Béjar Máximo. “Diseño de estructuras hidráulicas”. Instituto Tecnológico de Costa Rica Departamento de Ingeniería Agrícola. Primera edición, agosto del 2000. Institución de enseñanza en ciencias agrícolas. “Manual de Proyectos de Pequeñas obras  Hidráulicas para riego, Tomo 2, Chapingo 1980.  Ven Te Chow. “Hidráulica de Canales Abiertos”. Editorial McGraw Hill. Año 1994

 Silva Medina Gustavo A. Estructuras Hidráulicas, Última revisión, 29 de Julio de 2003


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