[ESTRUCTURAS COMPLEMENTARIAS: TRANSICIONES] TRANSICIONES]
I.
HIDRAULICA APLICADA
INTRODUCCION
Las obras de arte llamadas también estructuras secundarias, constituyen el complemento para el buen funcionamiento de un proyecto hidráulico. Este tipo de estructuras se diseñan teniendo en cuenta las siguientes consideraciones. consideraciones.
Según la función que desempeñan
Según su ubicación
De acorde a la seguridad contemplada en el proyecto a realizar
El riesgo como factor preponderante ante una probable falla y el impacto que ello cause.
En el control de flujos hidráulicos, es frecuentemente el diseño de una transición entre dos canales de diferente sección transversal, es importante que el ingeniero civil tenga los conocimientos básicos para el diseño de estructuras hidráulicas especiales que gobiernan el flujo, mediante la determinación del número de FROUDE, y los efectos del cambio en las líneas de flujo en un punto específico de un canal.
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[ESTRUCTURAS COMPLEMENTARIAS: TRANSICIONES] TRANSICIONES] II.
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TRANSICIONES
Las transiciones son estructuras que empalman tramos de canales que tienen secciones transversales diferentes en forma o en dimensión. Por ejemplo un tramo de sección rectangular con uno de sección trapezoidal, o un tramo de sección rectangular de ancho b1 con otro rectangular de ancho b2, etc. Las transiciones funcionan mejor cuando los tramos que se van a empalmar son de baja pendiente, con régimen subcrítico; en este caso las pérdidas hidráulicas por cambio de sección son relativamente pequeñas. pequeñas. Cuando la transición se coloca en tramos de alta alta pendiente, en régimen régimen supercrítico, las pérdidas hidráulicas son altas y no son cuantificables con buena precisión, lo cual hace que los cálculos hidráulicos no resulten aceptables. En esta circunstancia es recomendable recomendable diseñar la transición con ayuda de un modelo hidráulico. La transición en un canal es una estructura diseñada para cambiar la forma o el área de la sección transversal del flujo. En condiciones normales de diseño e instalación prácticamente todos los canales y canaletas requieren alguna estructura de transición desde los cursos de agua y hacia ellos. La función de una estructura de este tipo es evitar pérdidas de energía excesivas, eliminar ondas cruzadas y otras turbulencias y dar seguridad a la estructura y al curso del agua. USOS
Las transiciones se emplean en las entradas y salidas de acueductos, sifones invertidos y canalizaciones cerradas, así como en aquellos puntos donde la forma de la sección transversal del canal cambia repentinamente. Cuando se cambia de una sección a otra, se tienen pérdidas de carga, si ese cambio se hace bruscamente las pérdidas son muy grandes. Algunas de las causas que ocasionan las pérdidas de carga, son: la fricción, el cambio de dirección, el cambio de velocidad y el cambio de pendiente. La variación del perfil trae como consecuencia la variación de las velocidades para el agua y por lo tanto la forma de las paredes, del fondo o ambos. Hinds propone que el
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perfil calculado de la superficie del agua sea regular y sin quiebres en todo lo largo de la transición, en su principio y fin.
2.- TIPOS DE TRANSICIÓN De acuerdo a su forma, las transiciones se pueden considerar de tres tipos: 1) Transiciones biplanares o a base de planos 2) Transiciones regladas 3) Transiciones alabeadas A.
TRANSICIONES BIPLANARES
Las transiciones biplanares, denominadas también a base de planos, son aquellas que están formadas por dos planos, que según la figura, uno de ellos es el que va de la iniciación de la transición (Talud del canal, línea AB), hasta terminar en un punto (C) en la parte inferior del término de la transición, este plano es ABC. El otro plano es el que principia en un punto (A) al inicio de la transición y termina en la línea formada por uno de los lados de la transición (línea DC) al final de ésta, el plano es ADC, Para su trazo este tipo de transiciones no requiere de cálculo alguno.
En las transiciones biplanares se hace un cálculo hidráulico sencillo para obtener las pérdidas de carga:
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Perdida de carga por transición de entrada Perdida de carga por entrada =
Dónde: Ve = carga de velocidad en la estructura Vc= carga de velocidad en el canal Kte = coeficiente de perdida de carga en transición de entrada = 0.3
Perdida de carga por entrada = Perdida de carga por transición de salida Perdida de carga por salida =
Dónde: Ve = carga de velocidad en la estructura Vc= carga de velocidad en el canal Kte = coeficiente de perdida de carga en transición de entrada = 0.5 Perdida de carga por salida =
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[ESTRUCTURAS COMPLEMENTARIAS: TRANSICIONES] B.
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TRANSICIONES REGLADAS
La transición reglada es aquella que está formada por líneas rectas, colocadas a igual distancia desde el inicio hasta el fin de la transición, estas líneas van tomando su verticalidad a medida que disminuye la sección, según se observa en la figura. Para su trazo, este tipo de transiciones no necesita de cálculos complicados.
Perdida de carga por transición entrada Perdida de carga por entrada
Dónde: Ve = carga de velocidad en la estructura Vc= carga de velocidad en el canal Kte = coeficiente de pérdida de carga en transición de entrada = 0.2 Perdida de carga
Perdida de carga por entrada
por entrada
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Perdida de carga por entrada =
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Perdida de carga por transición de salida Perdida de carga por salida
Donde: Ve = carga de velocidad en la estructura Vc= carga de velocidad en el canal Kte = coeficiente de perdida de carga en transición de entrada = 0.3 Perdida de carga por salida =
C.
TRANSICIONES ALABEADAS
La transición alabeada es aquella que está formada por curvas suaves, generalmente parábolas, por lo que requiere un diseño más refinado que las anteriores, siendo ésta la transición que presenta las mínimas pérdidas de carga.
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Perdida de carga por transición entrada Perdida de carga por entrada =
Donde: Ve = carga de velocidad en la estructura Vc= carga de velocidad en el canal Kte = coeficiente de pérdida de carga en transición de entrada = 0.1
Perdida de carga por entrada = Perdida de carga por transición de salida Perdida de carga por salida =
Donde: Ve = carga de velocidad en la estructura Vc= carga de velocidad en el canal Kte = coeficiente de pérdida de carga en transición de entrada = 0.2 Perdida de carga por entrada =
DISEÑO DE TRANSICIONES: Como una aplicación del concepto de energía específica vamos a estudiar el perfil de la superficie libre en un canal en el que hay un cambio en la sección transversal. Este cambio puede originarse en una pequeña grada de fondo, positiva o negativa, según que el fondo ascienda o descienda. Las transiciones se originan también por un cambio en el ancho del canal y se llaman contracciones si el ancho disminuye y expansiones si aumenta. Para el estudio del perfil de la superficie libre en una transición suponemos que la pérdida de carga es [Escriba el nombre de la compañía] | TRANSICIONES
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despreciable. En consecuencia cualquiera que sea la transición se tendrá que entre dos secciones 1 y 2 la ecuación de la energía es:
En ambas secciones debe cumplirse la ecuación de continuidad.
Para el diseño hidráulico de las transiciones, adicionada a las pérdidas de carga, obtenidas de acuerdo a lo especificado en cada uno de los tipos, se determina la longitud de la transición.
CRITERIOS PARA HALLAR LA LONGITUD DE TRANSICIÓN: La longitud de la transición se obtiene de acuerdo al criterio de J. Hinds, que consiste en considerar que el ángulo que deba formar la intersección de la superficie con el eje de la estructura sea de 12°30'. Según experiencias obtenidas desde la antigua Comisión Nacional de Irrigación, el ángulo puede ser aumentado hasta 22°30', sin que el cambio de secciones en la transición sea brusco y con el cual se reduce ligeramente el costo de las mismas.
CRITERIOS DE HINDS: la longitud queda dada por la formula
¨
α
La longitud de la transición se obtiene de acuerdo al criterio L de J. Hinds, que consiste en considerar que el ángulo que debe formar la intersecion de la superficie del agua y la pared en el principio y fin de transicion con el eje de la estructura en 22°30.
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a) OTROS INVESTIGADORES Recomiendan α=12°30 Para que el coeficiente “k” de la pérdida de carga por transición sea mínima:
b) USANDO PLANTILLA: en algunos casos se cumple.
B=PLANTILLA DE CANAL MAYOR B=plantilla de canal menor
Según U.S.B.R, manifiesta: En conductos que funcionen parcialmente llenos o en canales abiertos, las variaciones angulares de las superficies que confinan el flujo, no deben exceder a la siguiente ecuación:
Dónde:
: Angulo que forman las paredes laterales respecto al eje central del canal y proporciona transiciones aceptables.
V: velocidad promedio al principio y fin de la transición. D: promedio de diámetros.
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EJERCICIO DE APLICACIÓN: 1.- Determinar la longitud de transición para el siguiente cambio de sección de un canal Q = 15 m3/s 1 2
2 1
Sección 1:
Sección 2:
Tirante = 1.3
Tirante = 1.3
Ancho solera = 4.5
Ancho de solera = 3.5
Talud = 2
Talud = 0
DESARROLLO Calculo de espejos de agua para las dos secciones: Sección 1: T = 4.5 + 2x1.3x2 = 9.7 Sección 2: T = 3.5
L=
Calculo de la longitud de transición por Hinds. α= 22.5
( ) = 7.48
Calculo de la longitud de transición por comisión nacional de irrigació n α= 11 L=
( ) = 15.95
Calculo de la longitud de transición por comisión nacional de irrigación α= 12.5
L=
( ) = 13.98 [Escriba el nombre de la compañía] | TRANSICIONES
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2.- Un canal que conduce 20 m 3/seg. Pasa a través de una transición de 20 m. de longitud, de una sección rectangular de ancho 3m. a otra trapezoidal de 4m. de base y talud 1:1, se desea calcular el tirante en la sección rectangular, si la transición no tiene pendiente y el tirante en la sección trapezoidal es 3m.
DESARROLLO
Según el problema:
De otro lado:
Luego:
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3.- Por un canal de sección rectangular, fluye un caudal de 6.5 m3/s. pasando por una sección de ancho de 3m. a otra de 5m. en forma gradual sin que el fondo varíe de cota, el tirante en la sección de 5m. es 1.20m y en la de 3m es 1.045; se pide calcular: a) El ángulo apropiado que debe tener el eje del canal con los aleros de la transición, según USBR. b) La pérdida de la energía en la transición.
Solución: a) El ángulo apropiado será:
Se calcula el N° de froude en cada sección y se obtiene el promedio √ √ Por medidas tomamos: [Escriba el nombre de la compañía] | TRANSICIONES
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b) La pérdida de carga se calcula dependiendo del tipo de transición con la que se trabaje, para este caso trabajaremos con una transición del tipo biplanar (Kte = 0.3).
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ALIVIADEROS Son estructuras de protección interior, se usan para eliminar los excedentes de agua del canal provenientes de una mala operación de las compuertas o de lluvias intensas.
Algunos tipos de aliviaderos: - Aliviaderos frontales. - Aliviaderos laterales. - Aliviaderos curvos en planta.- Aliviaderos mexicanos o de abanico. - Aliviaderos semi-mexicanos o semi-abanico. - Aliviaderos curvos propiamente dichos.
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ALIVIADEROS LATERALES Estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que podrían causar serios daños, por lo tanto, su ubicación se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro. Su función es la de permitir la salida de los volúmenes de agua excedentes a los de aprovechamiento. Los cuales de exceso a eliminarse, se originan algunas veces por fallas del operador o por afluencias, que durante las lluvias el canal recibe de las quebradas, estos excesos debe descargar con un mínimo de obras de arte, buscándose en lo posible cauces naturales para evitar obras adicionales, aunque esto último depende siempre de la conjugación de diferentes aspectos locales (topografía, ubicación del vertedero, etc.)
FUCIONAMIENTO DEL ALIVIADERO LATERAL Los aliviaderos laterales son ubicados a lo largo de la banqueta exterior del canal con la cresta paralela al alineamiento del canal. Conforme el nivel del agua asciende por encima de la cresta, el exceso de agua entra automáticamente a un canal lateral. Del canal lateral el agua cae a una cámara desde la cual el flujo es dirigido a través de una tubería o sección abierta hacia el canal de desfogue. La estructura es generalmente usada en conjunción con una compuerta deslizante que permite el drenaje completo del canal. Una estructura de represa a corta distancia aguas abajo del desfogue permite la derivación de todo el flujo del canal hacia el desfogue. Algunas veces se coloca una barrera flotante diagonalmente a través del canal para derivar la maleza y hojarasca hacia el desfogue. En tal caso no se deben usar salidas dentadas.
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CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS ALIVIADEROS LATERALES Partes componentes de un aliviadero lateral. Entre las partes que componen un aliviadero lateral se pueden mencionar las siguientes: 1. Canal de acceso. 2. Sección vertedora: - Con vertimiento por un lado. - Con vertimiento por ambos lados. 3. Cubeta o conducto de descarga. 5. Disipador de energía. 6. Canal de salida.
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Regímenes de circulación que se pueden presentar en la cubeta o canal lateral. En la cubeta pueden presentarse dos regímenes de circulación: a) Supercrítico. b) Subcrítico Si el régimen es supercrítico, los tirantes que se producen en la cubeta son pequeños y por consiguiente la caída del agua desde el embalse resulta ser mayor, lo que hace que se incremente la energía y como consecuencia se pueden presentar problemas con la estabilidad de la cubeta y fuertes impactos del chorro contra la losa de fondo que demandarían un mayor reforzamiento de dicha losa estructuralmente. Si el régimen es subcrítico la masa de agua en la cubeta es mucho mayor, lo que significaría que la altura de caída de la lámina vertiente es menor, lográndose así una mejor disipación de la energía y uniformidad en los tirantes de circulación.
Forma de la sección transversal de la cubeta. Sus características. En los aliviaderos laterales es muy aconsejable el uso de la forma trapecial en la cubeta o canal lateral. De acuerdo con esta forma se pueden presentar los siguientes casos: a) Cubetas con relaciones grandes entre el ancho de fondo y el tirante. Cuando esto ocurre tiende a producirse una aglomeración del agua en el extremo opuesto al vertimiento, lo cual ocasiona que el agua no circule uniformemente. [Escriba el nombre de la compañía] | CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS 17 ALIVIADEROS LATERALES
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b) Cubetas con relaciones pequeñas entre el ancho de fondo y el tirante. Cuando esto sucede, a diferencia del caso anterior, se logran tirantes de circulación en la cubeta bastante uniformes, lo que haría de estos tipos de cubeta, los más recomendables.
DISEÑO DE UN ALIVIDERO LATERAL Algunas recomendaciones para el diseño de un aliviadero lateral. 1) El perfil vertedor de un aliviadero lateral se recomienda que sea del tipo perfil práctico sin vacío. 2) No es aconsejable usar un cimacio con un perfil práctico con vacío, pues como en estos aliviaderos se recomienda al inicio del mismo un cierto ahogo, esta situación haría caer muy bruscamente la eficiencia de este tipo de perfil, además de que existirán zonas en el vertedor que estarían fluctuando del ahogo, al vertimiento sin él y eso puede provocar daños en la estructura del cimacio. 3) La pendiente de fondo de la cubeta se elige a consideración del proyectista en dependencia del terreno donde ésta será ubicada. Deberá ser una pendiente suave para evitar el régimen supercrítico en la cubeta. 4) El talud de la cubeta será elegido en dependencia del tipo de material del terreno. Este talud siempre deberá ser recubierto debido a los impactos que se producen en él. 5) A la hora de diseñar, se debe tener en cuenta que el ancho del fondo de la cubeta no debe ser menor que 3,00 m para con ello garantizar el trabajo de un bulldozer durante la construcción de dicha estructura. 6) Con el propósito de calcular los tirantes de circulación a través de toda la cubeta, es necesario fijar un tirante en la sección de control, y este será el tirante crítico que puede obtenerse colocando una transición, con un cambio brusco de pendiente o elevando el fondo al final de la cubeta 7) En los aliviaderos laterales con régimen de trabajo subcrítico es aconsejable admitir hasta 2/3 H0 de sumergencia de la cresta en la sección inicial del canal lateral, pues se ha demostrado que este ahogo no influye significativamente en el coeficiente de gasto y [Escriba el nombre de la compañía] | DISEÑO DE UN ALIVIDERO LATERAL
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sí con ello se garantiza un régimen parejo de circulación en el resto de la cubeta, ya que las alturas de caída de la lámina no van a ser muy grandes. Lo anteriormente expresado en relación con la sumergencia no implica que se deje de calcular la afectación del coeficiente de gasto por el ahogo, en tal sentido, el término hd para el cálculo del ahogo se determina de la siguiente forma:
CRITERIOS DE DISEÑO
El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel máximo de su caja hidráulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como de máxima avenida.
El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente de caudal, siempre quedará un excedente que corresponde teóricamente a unos 10 cm encima del tirante normal.
La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn.
La cresta del aliviadero debe ser horizontal y dejarse unos 0.2’ por encima del
nivel normal del agua para prevenir derrames innecesarios por la acción natural del oleaje.
Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de formulas, a continuación se describe la fórmula de Weisbach.
Donde: [Escriba el nombre de la compañía] | CRITERIOS DE DISEÑO
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μ = coeficiente de contracción
L = longitud del vertedero h = carga encima de la cresta, se considera un 60% del borde libre, Nota: WEISBACH da vertederos muchos más cortos, razón por la cual recomendamos el uso de la fórmula de Weisbach, además ésta ha sido utilizada con buenos resultados en el Departamento de Lambayeque (según MANUAL: CRITERIOS DE DISEÑOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS)
El flujo del canal, deberá ser siempre subcrítico, entonces:
Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar diferentes valores, según la forma que adopte la cresta.
a)
b)
FORMA
μ
Anchos de cantos rectangulares
0.49-0.51
Anchos de cantos redondos
0.5-0.65
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Afilado con aeración necesaria
0.64
En forma de techo con corona redondeada
0.79
c)
d)
El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se está eliminando por la ventana o escotadura del canal, cruza un camino, frecuentemente se utilizan cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del vertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c ó d.
Los aliviaderos laterales pueden descargar a través de un vertedero con colchón al pie (desniveles pequeños) mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes). En general el tirante en el acceso al vertedor debe ser igual o mayor a la carga
sobre el vertedor, ya que en caso contrario el flujo se afecta por la cercanía de la frontera inferior. Este tipo de consideraciones es especialmente importante en presas de derivación con cortinas vertederas pequeñas ya sea para agua potable, riego o generar energía. Cuando los vertederos tienen el flujo controlado con compuertas, la capacidad de descarga se determina con la ecuación de los orificios:
Para alta carga Donde: C: coef. Gasto A área del orifico bajo la compuerta, en m2 H= carga sobre el orificio, en m
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ó
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Para la carga , en donde Q= intensidad de la gravedad C= coeficiente de gasto L= long. De cresta del vertedor, en m (ancho de compuerta) H1= carga mayor, en m.
H2= carga menor, en m.
El canal lateral usualmente tiene una sección transversal rectangular. Un ancho razonable debe variar uniformemente de unos 0.60m en el extremo de aguas arriba, a unos 1.20m en el extremo de aguas abajo, excepto que unos 0.90 m en el extremo de aguas abajo es suficiente para descargas de 6 m2/seg o menos. La superficie del agua en el canal lateral debe quedar debajo de la cresta del aliviadero. Esto se consigue dejando el fondo del canal, en el extremo terminal, debajo de la cresta una distancia igual a la energía especifica más 1’. Asumiendo
flujo critico: EC = Yc + hvc = 1.5 Yc El flujo transversal sobre la cresta dificulta el flujo en el canal lateral. Por eso, el fondo debe ser bastante más inclinado que la pendiente critica. Una pendiente arbitraria de unos 0.05 es un valor conservativo. La altura de pared aguas arriba, h1, es entonces igual a la altura de pared aguas abajo, h2, menos 0.05 veces la longitud de la cresta.
EJERCICIOS: Ejercicio 1.Un canal trapezoidal de rugosidad 0.014 con taludes 1: 1 plantilla 1 m y pendiente 1 o/oo, recibe en épocas de crecidas un caudal de 9 m3/s., el canal ha sido construido para 4 m3/s, pero puede admitir un caudal de 6 m3/s. Calcular la longitud del aliviadero para eliminar el exceso de agua.
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SOLUCIÓN: 1) Cálculo de los tirantes YMax = 1.71 m Yn
= 1.17 m
Y2 = 1.42 m
2) Cálculo de h h = 0.6 (1.71 – 1.17) = 0.324 m
3) Caudal a evaluar Q = 3m3/s
4) Cálculo de L Para µ = 0.5 y aplicando ecuación:
….. Despejando L L = 11.0173 m = 11 m [Escriba el nombre de la compañía] | CRITERIOS DE DISEÑO
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Ejercicio 2 A la altura del km 15+790 de un canal principal se plantea la necesidad de eliminar 9 m3/s proveniente de los excesos de lluvia y con la finalidad de prevenir desbordes del canal, se desea proyectar un aliviadero, si el canal presenta un borde libre de 0.9 m, se pide: dimensionar hidráulicamente el aliviadero.
SOLUCIÓN: 1) Longitud del Aliviadero Como criterio práctico de diseño asumimos que un 60% del borde libre sería el valor de h (0.54) ben la fórmula de Weisbach y tomando µ = 0.62 como promedio, se tiene:
μ
L = 12.388 ≈ 12.50 m
El caudal de 9 m3/seg entra por el aliviadero de 12,50 m de longitud y cae a una rampa con una inclinación mínima de 5%.
2) Cálculo de H2 El valor H2’ se estima ≥ 1.5 Yc, siendo Yc el que ocurre en la sección 2 y si asumimos
en 2 un ancho de rampa b2 = 2.0 se tendrá: q = 9/2 = 4.5m /segxm Yc = 1.273 m [Escriba el nombre de la compañía] | CRITERIOS DE DISEÑO
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Entonces: H’2 = 1.91 m
El valor de la cota en 2, será: 97.59
3) Cálculo de H1 97.59 + Yc/2 + H1 = 99.50 H1 = 1.274 m El valor de la cota en 1, será: 99.23 En 1 el ancho de la rampa es: 60% de b2; b1 = 1.2 m
4) Pendiente de la rampa La rampa deberá tener una pendiente ≥ 5%
S = (98.23 – 97.59)/12.5 = 5.12 % El caudal que se está eliminando pasa por el punto 2 y cae a una poza que va conectada a una alcantarilla.
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BIBLIOGRAFIA / WEBGRAFIA
http://es.scribd.com/doc/57302432/HIDRAULICA-RUIZ
http://www.manizales.unal.edu.co/gestion_riesgos/descargas/ponencias/Manual_est ructuras_vertimiento.pdf
http://es.scribd.com/doc/81688365/47/DISIPADORES-DE-ENERGIA
Manual: Criterios De Diseños De Obras Hidraulicas Para La Formulacion De Proyectos Hidraulicos Multisectoriales Y De Afianzamiento Hidrico
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