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DISEÑO DE TAPA

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El Ing. Edgar Vidal Hurtado Chávez, nació en Puno, ciudad del lago, es Ingeniero civil egresado de la Universidad Nacional San Antonio Abad del Cusco, MgSc en Economía con Mención en Proyectos de Inversión, es diplomado en Gestión Democrática del Territorio, egresado del doctorado de Ciencia, Tecnología y Medio Ambiente. Es Arbitro del Centro de Arbitraje de la Cámara de Comercio y la Producción de Puno, Gerente Público de SERVIR. Es docente Asociado en la Escuela Profesional de Ingeniería Civil donde dicta cursos del Área de Obras Hidráulicas, Medio Ambiente y Obras Viales. En su vida profesional ha desempeñado diversos cargos públicos, habiendo sido Director de Obras (Sub Región Puno-1990), Director Sub-regional de Circulación Terrestre (1993), Gerente Regional de Operaciones (Región Moquegua-Tacna-Puno -1993 y 1997), Supervisor de Planta (FONCODES-1994), Supervisor de Obras Hidráulicas (PRORRIDRE-1995-1996), Gerente Zonal (SENCICO-1997-2003), , Gerente Regional de Infraestructura (Región Puno-2003), Jefe Zonal Ayacucho (PROVIAS RURAL-2005-2006), Gerente de Infraestructura (Municipalidad Provincial de Puno-2007), Coordinador Zonal Puno (PROVIAS DESCENTRALIZADO-20082009), Presidente de Directorio (EMSAPUNO SA-2010). En su actividad académica ha sido Director de Investigación (FICA-2001), , Director de Estudios (FICA-EPIC-2004), Jefe del Area y del Laboratorio de Obras Hidráulicas (2009-2012), actualmente es Coordinador de Investigación FICA 2012-2014. Ha integrado diversas comisiones en varias oportunidades, Presidente del Área curricular de Hidráulica, Presidente de comisiones de Evaluación de prácticas pre-profesionales, Presidente y jurado de Sustentación de Tesis, entre otros cargos académicos. Es docente en el área de hidráulica en la Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez (2001-2004 y 2010-2011).

Edgar Vidal HURTADO CHAVEZ

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

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DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Edgar Vidal

HURTADO CHAVEZ

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Derechos Reservados: © 2012 [email protected] PRIMERA EDICION

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DEDICATORIA: A Dios, el Gran Arquitecto de Universo. A mi familia, por ser el impulso diario que me permite vivir y trabajar por ellos, iluminando siempre la senda por la que camino. A los estudiantes de Ingeniería Civil, que fortalecen mi espíritu y permiten que mis enseñanzas sean parte de su preparación para la vida.

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PROLOGO El presente texto de carácter universitario, es producto de la enseñanza del curso de Irrigaciones en la Escuela Profesional de Ingeniería Civil de la UNA PUNO, y precisamente me motiva hacerlo por la reducida información que al respecto de diseño de sistemas de riego se encuentran en las librerías universitarias. De allí que el enfoque que se da al presente texto, es para la comprensión de estudiantes y profesionales de diferentes escuelas profesionales que estudian y aplican el riego por gravedad como parte de su aprendizaje, para posteriormente, en su ejercicio profesional, contribuyan al desarrollo de nuestro país. El texto enfoca inicialmente, los conceptos básicos de riego, el uso eficiente del agua, el cuidado del medio ambiente y las pautas básicas para el desarrollo de perfiles y proyectos de riego. Luego se estudia la evapotranspiración de las plantas como un medio para hallar la demanda de agua para riego y finalmente el caudal de captación o diseño. Especial cuidado se tiene en el diseño de canales de riego y finalmente en el diseño de un tipo de sistema de captación con presa derivadora. Se concluye el texto con algunos procedimientos constructivos de sistemas de riego por gravedad. Para lograr un proceso eficiente de aprendizaje, se plantean talleres de diseño, que concluirán con ejecutar un proyecto de riego por gravedad; siendo lo más importante, que el texto se enfoca de acuerdo al desarrollo de capacidades y a la estructura educativa de la Universidad Nacional de Altiplano. Quiero culminar éste prólogo, incidiendo que éste texto solo persigue el logro de conocimientos de mis queridos estudiantes, porque creo que un aporte como éste, contribuirá a la mejora de su calidad profesional a los que quedo profundamente agradecido. Edgar Vidal HURTADO CHAVEZ

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CONTENIDO CAPITULO I: INTRODUCCION AL DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Generalidades Ecuaciones básicas de la hidráulicas Flujos Vertederos Resalto hidráulico

CAPITULO II: ESTRUCTURAS DE REGULACION Y MEDICION 2.1 Generalidades 2.2 Desarenadores 2.3 Vertederos 2.4 Aforadores CAPITULO III: ESTRUCTURAS DE CRUCE 3.1 Generalidades 3.2 Alcantarillas 3.3 Acueductos 3.4 Sifón Invertido 3.5 CAPITULO IV: ESTRUCTURAS DE PASE Y DESNIVEL 4.1 Canoas 4.2 Caídas 4.3 Rápidas CAPITULO V: OBRAS COMPLEMENTARIAS 5.1 Disipadores de energía 5.2 Transiciones 5.3 Obras de protección 5.4

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I INTRODUCCION AL DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS 1.1

GENERALIDADES En general, las estructuras hidráulicas son las obras de ingeniería necesarias para lograr el aprovechamiento de los recursos hídricos y controlar su acción destructiva. Por sus características de diseño, trabajan en la mayoría de los casos en combinación con elementos y equipos mecánicos. Siempre hay que tener presente que en el diseño de una obra hidráulica, se debe buscar maximizar su uso para lograr un mayor beneficio, no solo económico en los diversos sectores de la producción, sino particularmente en el desarrollo social. La utilización de las obras hidráulicas se da en los siguientes sectores productivos y económicos: 

Hidroenergía: Que permite el uso de la energía de las aguas fluviales o marítimas, en la generación de energía eléctrica.



Transporte acuático: Que es el uso de las aguas fluviales, de lagos y mares para la navegación.

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

Riego y drenaje: Vinculado a la utilización de aguas para irrigación de tierras y para la extracción, eliminación o derivación de aguas en exceso de tierras sobresaturadas hacia cursos de agua.



Abastecimiento de agua para consumo humano: Permitiendo abastecer de agua potabilizada a las grandes y pequeñas urbes y centros poblados, garantizando la salud de la población.



Control de avenidas e inundaciones: Por la construcción de obras que regulen y controlen los niveles de avenida de los cauces.



Recreación: Como pesca, canotaje, natación, etc.



Uso productivo y complementario: Como por ejemplo, cría de peces, extracción de minerales, sales, algas, etc.



Control de contaminación ambiental: Por el empleo de técnicas, procedimientos y normatividad en el diseño, garantizando un buen manejo ambiental.

Para un mejor entendimiento de las estructuras hidráulicas, se han clasificado éstas, en pequeñas obras hidráulicas que caracterizan a obras que son complementarias o cumplen funciones secundarias dentro del diseño de grandes obras hidráulicas o sistemas hidráulicos. En ésta clasificación tenemos por ejemplo, las obras de regulación, de medición, de drenaje y de transición. Por otro lado, las grandes obras hidráulicas que, son las obras principales, que muy a parte de su gran tamaño, son la base de funcionamiento del sistema hidráulico. Aquí tenemos las grandes presas, sean de regulación, almacenamiento o derivación, muy aparte de los materiales que utilizan para su construcción.

El servicio Nacional de Meteorología SENAMHI, es el organismo encargado de centralizar las actividades meteorológicas nacionales y de efectuar la medición de caudales de los principales ríos Los principales ríos peruanos se localizan en tres cuencas hidrográficas que son: 

La vertiente del Pacífico con un total de 53 ríos.



La vertiente del Atlántico con 44 ríos y



La del Titicaca con un total de 9 ríos

Del conjunto de estaciones hidrométricas instaladas el SENAMHI controla 80 estaciones, ex - Electroperú aproximadamente 25 y otros organismos otras 20, lo cual indica que en numerosos ríos no existen registros de aforos ni medición de caudales por otro medios.

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Con lo anterior dicho se demuestra la dificultad que tienen los Ingenieros para determinar el tamaño y la ubicación de los proyectos de aprovechamientos hídricos. Los términos: caudal, gasto, descarga son sinónimos. Aforar:

Significa medir caudales.

Descarga: Se define como el volumen de agua que pasa en una sección por una unidad de tiempo (m3/seg). Descarga por metro lineal : es el volumen que pasa por una unidadf de tiempo en un metro lineal de sección (m3/seg/ml). Rendimiento Medio: considerada (lt/seg/km2).

es la relación entre el caudal y el área de la cuenca

Modulo de una sección: considerado.

1.2

Caudal medio del periodo anterior al año

Ecuaciones básicas de la hidráulica

1.2.1 Ecuación de continuidad Esta ecuación es una consecuencia del principio de conservación de la masa aplicada a los fluidos en movimiento, y dice que: la cantidad de fluido que entra por la sección de un conducto es igual a la cantidad de fluido que sale por la otra sección, siempre y cuando no existan aportes o fugas, es decir, que el flujo sea permanente.

1

Superficie de control V1 A1

2

V2 A2 ρ1A1V1 = ρ 2 A2V2

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Como el líquido que circula en el conducto es el mismo, entonces su densidad es constante y, por lo tanto, la ecuación anterior se simplifica de la siguiente manera: A1V1 = A2V2 Al producto del área por la velocidad se le llama gasto, el cual se denota con la letra Q. Q = VA En donde:

Q = Gasto, caudal o descarga (m3/s)

1.2.2 Ecuación de la energía o de Bernoulli La ecuación de la energía está fundamentada en la Ley de la conservación de la energía, “La energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma”. En todo sistema hidráulico existen tres tipos de energía: energía de posición, energía de presión y energía de velocidad, si se analizan se puede encontrar cada uno de los términos que integran la ecuación. U21/2g

Hf 1-2 U21/2g

U21/2g P2/y

P1/y

P1/y

Q

z2

z1

z1

0

1.2.3 Energía cinética La ecuación de la energía cinética es:

Ec 

1 mv 2 2

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La fórmula del peso es:

W  mg Al despejar la masa se obtiene:

m

W g

Sustituyendo en las ecuaciones anteriores:

Ec 

WV 2 2g

Si se considera que W es un peso unitario, entonces se tiene:

Ec 

V2 2g

Carga o energía de velocidad:

V2 2g 1.2.4 Energía de presión Con base en la ecuación fundamental de la hidrostática podemos determinar este tipo de energía.

P   *h

h

P



Carga de presión:

P

 1.2.5 Energía potencial Para la determinación de la energía potencial de un cuerpo se multiplica el peso del cuerpo por una altura con respecto a un plano de referencia. W

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z PHC

Ep  W * Z

Ep  Z

Carga o energía de posición:

Z

Al sumar cada uno de los términos anteriores y aplicarlos de una sección a otra se obtiene:

Z1 

P1 V12 P V2   Z 2  2  2  h f 1 2  2g  2g

Cargas o energías de posición:

Z1 y

Z2

Cargas o energías de presión:

P1

P2





Cargas o energías de velocidad:

V12 2g Pérdida de energía de la sección 1 a la sección 2: 1.3

V22 2g hf 1-2

Flujos en canales abiertos El diseño de un canal abierto, dependerá del comportamiento del flujo que va por él. Igualmente incidirá en su mantenimiento y conservación, así tenemos:

1.3.1 Flujo permanente y no permanente Esta clasificación obedece a la utilización del tiempo como variable. El flujo es permanente si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con respecto al tiempo, es decir, en una sección del canal en todos los tiempos los elementos del flujo permanecen constantes. Matemáticamente se puede representar:

v A y 0;  0 ; (flujo permanente) 0; t t t

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y v A  0;  0;  0 ; (flujo no permanente) t t t 1.3.2 Flujo uniforme y variado El flujo es uniforme si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con respecto al espacio, es decir, en cualquier sección del canal los elementos del flujo permanecen constantes. Matemáticamente se puede representar:

y v A  0 ; (flujo uniforme) 0; 0; l l l

y  0; l

v  0; l

A  0 ; (flujo variado) l

El flujo variado se puede a su vez clasificar en gradual y rápidamente variado. El flujo gradualmente variado es aquel en el cual los parámetros cambian en forma gradual a lo largo del canal, como es el caso de una curva de remanso producida por la intersección de una presa en el cauce principal elevándose el nivel del agua por encima de la presa. El flujo rápidamente variado es aquel en el cual los parámetros varían instantáneamente en una distancia muy pequeña, como es el caso del resalto hidráulico. 1.3.3 Flujo laminar y turbulento El comportamiento de flujo en un canal está gobernado principalmente por efectos de las fuerzas viscosas y de gravedad en relación con las fuerzas de inercia internas del flujo. En relación con el efecto de la viscosidad, el flujo puede ser laminar, de transición o turbulento. En forma semejante al flujo en conductos forzados, la importancia de la fuerza viscosa se mide a través del número de Reynolds (R), que relaciona fuerzas de inercia de velocidad con fuerzas viscosas, definidas en este caso como:

Re  Donde:

R V 

VR 

=

Radio hidráulico de la sección transversal, en metros (m)

=

Velocidad media en metros por segundos (m/s)

=

Viscosidad cinemática del agua, en m2/s

En los canales se han comprobado resultados semejantes a flujos en tuberías, por lo que respecta a este criterio de clasificación. Para propósitos prácticos, en el caso de un canal, se tiene:

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Flujo laminar para Re 750: En este estado las fuerzas viscosas son débiles comparadas con las fuerzas de inercia. 1.3.4 Flujo crítico, subcrítico y supercrítico En relación con el efecto de la gravedad, el flujo puede crítico, subcrítico y supercrítico; la importancia de la fuerza de gravedad se mide a través del número de Froude (F), que relaciona fuerzas de inercia de velocidad, con fuerzas gravitatorias, definidas en este caso como:

F Donde:

V = g = Ym = A = T =

V gy

Ym 

A T

Velocidad media de la sección, en m/s Aceleración de a gravedad, en m/s2 Tirante medio del canal Área hidráulica Espejo del agua

Entonces, por el número de Froude, el flujo puede ser: Flujo subcrítico si F 1, en este estado las fuerzas de inercia son más pronunciadas, por lo que el flujo tiene una gran velocidad, siendo rápido o torrentoso. En este tipo de flujo, toda singularidad, tiene influencia hacia aguas abajo.

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GRÁFICO: REPRESENTACION DE LOS DIVERSOS FLUJOS EN CANALES ABIERTOS

Fig. Flujos en canales abiertos

1.4

Vertederos

1.4.1 1.4.2 1.5

Resalto hidráulico

1.5.1 Resalto hidráulico en canales El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad, generando un estado de fuerzas en equilibrio, cambiando violentamente el régimen de flujo de supercrítico a subcrítico. El esquema que precede, resume éste fenómeno:

En la sección 1, actúan las fuerzas hidrostática F 1h y dinámica F1d; en forma similar pero en sentido contrario en la sección 2, F 2h y F2d. En ambas secciones la sumatoria de fuerzas da como resultado F1 y F2 respectivamente. En el estado de equilibrio, ambas fuerzas tienen la misma magnitud pero dirección contraria (la fuerza F 1h es menor a F 2h, inversamente F1d es mayor a F2d). Debido a la posición de las fuerzas resultantes, ambas están espaciadas una distancia d, lo cual genera un par de fuerzas de la misma magnitud pero de sentido contrario. En razón a la condición de líquido, las partículas que la componen adquirirán la tendencia de fluir en la dirección de las fuerzas predominantes, presentándose la mezcla del agua con líneas de flujo superficiales moviéndose en sentido contrario a la dirección de

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flujo y de manera inversa en la zona cercana a la solera. El repentino encuentro entre las masas de líquido y el inevitable choque entre partículas, provocan la generación de un medio líquido de gran turbulencia que da lugar a la absorción de aire de la atmósfera, dando como resultado un medio mezcla agua-aire.

El análisis del resalto se plantea para el escurrimiento de una masa de fluido en un metro de ancho de un canal, por unidad de tiempo. Ese impulso deberá estar en equilibrio con las fuerzas resultantes. Utilizando, la ecuación de continuidad, eliminado q y v2 se obtiene el tirante conjugado aguas abajo del resalto: 2

 y1  y1  y2 

8 2 . y1 .v1 ; y con la expresión de Froude: Fr1  g

2

v1 g .y1

Se llega a la expresión adimensional de tirantes conjugados:

 y1 .v1  y 1   v1 1 .v1    y 2  y1  g y 2 2   Las características del resalto hidráulico han sido aprovechadas para reducir las velocidades de flujo en canales a valores que permitan el escurrimiento sin ocasionar tensiones de corte superiores a los límites permitidos por los materiales que componen el perímetro mojado. El lugar geométrico en el que se presenta el resalto se denomina colchón hidráulico. Se han investigado diferentes formas de colchones hidráulicos con el objeto de lograr una mejor disipación de energía en una menor longitud. El Bureau of Reclamation investigó diferentes tipos de resalto hidráulico en canales horizontales, cuya base de clasificación es el número de Froude, como se aprecia en el cuadro adjunto: Cuadro: Tipos de resalto hidráulico Número de Froude Fr1 = 1 Fr1 = 1 a 7 Fr1 = 1.7 a 2.5 Fr1 = 4.5 a 0.9 Fr1 > 9

Descripción flujo crítico, por lo que no se forma ningún resalto. La superficie de agua presenta la tendencia a la formación de ondulaciones. Resalto hidráulico ondular. El ondulamiento de la superficie en el tramo de mezcla es mayor y aguas abajo las perturbaciones superficiales son menores. Resalto hidráulico débil. Resalto plenamente formado, con mayor estabilidad y el rendimiento es mejor, pudiendo variar entre 45 % a 70 % Resalto hidraúlico permanente. Resalto con gran disipación de energía (hasta 80 %), gran ondulación de la superficie con tendencia de traslado de la zona de régimen supercrítico hacia aguas abajo.

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Fuente: Manual de Hidráulica H.W. King F. Brater. Ed. Uteha México 1962

En la práctica, se recomienda mantener el resalto hidráulico en la condición de resalto oscilante, por cuanto se trata de un resalto bien formado y accesible en las condiciones de flujo reales, si bien la disipación que se logra no alcanza los mejores niveles. En los casos de resaltos permanente y fuerte, las condiciones hidráulicas aguas abajo son muy exigentes y difíciles de cumplir en la práctica.

1.5.2 Diseño del colchón hidráulico Para el diseño de colchones hidráulicos se consideran los siguientes aspectos: o

Pérdida de energía: Se define como la diferencia de energías específicas antes y después del resalto.

o

Eficiencia: Se define la eficiencia de un resalto hidráulico como la relación de energía específica después y antes del resalto. Por lo que se puede advertir, la eficiencia de un resalto hidráulico depende únicamente del número de Froude antes del mismo:

o

Longitud del resalto hidráulico: Define la necesidad de incorporar obras complementarias para reducir esta longitud y/o aplicar medidas de protección de la superficie para incrementar su resistencia a las tensiones de corte. El Bureau of Reclamation, da los siguientes resultados:

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o

Perfil de la superficie de resalto: Este dato tiene utilidad para el diseño de las paredes laterales de la obra, tanto en lo que se refiere a su altura como a su estabilidad. Bakhmeteff y Matzke, encontraron que el perfil de la superficie de un resalto hidráulico, se puede representar por curvas adimensionales en función de Fr1, como se muestra en el siguiente gráfico:

o

Localización del resalto: La ubicación del resalto hidráulico depende de las condiciones de flujo tanto aguas arriba como aguas abajo. El siguiente gráfico permite una explicación adecuada:

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Considerando el flujo a través de un conducto inferior, a manera de un desfogue de fondo. Aguas abajo, el nivel de agua es influenciado por algún elemento de control, como por ejemplo una estructura transversal. Por un lado, el tirante alcanza su mínimo valor inmediatamente después de la compuerta, este se incrementa gradualmente en régimen supercrítico en dirección aguas abajo. Por otro lado el tirante aguas abajo se desarrolla a través de una curva de depresión incrementándose hacia aguas arriba en régimen subcrítico. En alguna sección A, el chorro que se desplaza desde la compuerta, tiene un tirante h1A y requiere, para la formación del resalto, un tirante conjugado h2A, sin embargo el tirante real en esa sección es menor al requerido. Bajo estas condiciones el chorro líquido continúa su movimiento hacia aguas abajo, incrementando el tirante y por lo tanto reduciendo su energía cinética. En una sección G el tirante conjugado requerido h 2A alcanzará una magnitud equivalente al tirante existente, presentándose las condiciones para la formación de un resalto hidráulico.

II ESTRUCTURAS DE CONTROL Y MEDICION 2.1 Generalidades 2.1.1 2.1.2

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2.2 Desarenador 2.2.1 Concepto Los desarenadores son obras hidráulicas que sirven para separar o decantar material sólido de arrastre y en suspensión que lleva el agua de un canal, removiéndolo hacia un cauce natural. Los desarenadores generalmente tranquilizan el flujo horizontal haciendo que el caudal de salida sea igual al de entrada es decir de flujo continuo. El material sólido transportado por el agua, dependiendo de la obra, puede ocasionar serios daños, como por ejemplo: 

En obras de riego, el material sólido va depositándose en el fondo de los canales disminuyendo su sección e incrementando los costos de mantenimiento. Sin embargo hay que considerar que el material en suspensión puede ser beneficioso por incrementar material orgánico, y limos a los campos de cultivo.



En obras de hidroenergía, la arena arrastrada por el agua en los canales, pasa a las turbinas desgastándolas rápidamente, en función de la velocidad y caída.

2.2.2 Clases de desarenadores a) En función de su operación:



Desarenadores de lavado continuo, es aquel en el que la sedimentación y evacuación son dos operaciones simultáneas.



Desarenadores de lavado discontinuos (intermitente), que almacena y luego expulsa los sedimentos en movimiento separados.

b) En función de la velocidad de escurrimiento:

 

De baja velocidad: v < 1 m/s (0.20 . 0.60 m/s) De alta velocidad: v > 1 m/s (1.00 . 1.50 m/s)

c) Por la disposición de los Desarenadores:

 

En serie, formado por dos o más depósitos construidos uno a continuación del otro. En paralelo, formado por dos o más depósitos distribuidos paralelamente y diseñados para una fracción del caudal derivado.

2.2.3 Desarenadores de lavado discontinuo Son el tipo más común y la operación de lavado se procura realizar en el menor tiempo posible con el objeto de reducir al mínimo las pérdidas del agua.

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Figura 01: Isometría de un desarenador con canal directo

2.2.4

Fases de desarenamiento  

Fase sedimentación Fase de purga (evacuación)

2.2.5Elementos de un desarenador El desarenador se compone de los siguientes elementos: 1. Transición de entrada, la cual une el canal con el desarenador. 2. Cámara de sedimentación, en la cual las particular sólidas caen al fondo, debido a la disminución de la velocidad producida por el aumento de la sección transversal. Dubuat, L.G. (1777), consideró que las velocidades límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son: Para arcilla Para arena fina Para arena gruesa

0.081 m/s 0.160 m/s 0.216 m/s

De acuerdo a lo anterior, la sección transversal de un desarenador, se diseña para velocidades que varían entre 0.1 m/s y 0.4 m/s, con una profundidad media de 1.5 m y 4 m. Observar que para una velocidad elegida y un caudal dado, una mayor profundidad implica un ancho menor y viceversa. La forma de la sección transversal puede ser cualquiera aunque generalmente se escoge una rectangular o una trapezoidal simple o compuesta. La primera simplifica considerablemente la construcción, pero es relativamente cara pues las paredes deben se soportar la presión de la tierra exterior y se diseñan por lo tanto como muros de sostenimiento. La segunda es hidráulicamente más eficiente y más económica pues las paredes trabajan

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como simple revestimientos. Con el objeto de facilitar el lavado concentrando las partículas hacia el centro conviene que el fondo no sea horizontal sino que tenga una caída hacia el centro. La pendiente transversal usualmente escogida es de 1:5 a 1:8. 3. Vertedero, al final de la cámara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Las capas superiores son las que primero se limpian es por esto que la salida del agua desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea posible debe trabajar con descarga libre. También mientras más pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastran. Como máximo se admite que esta velocidad puede llegar a v = 1 m/s. De la ecuación de un vertedero rectangular sin contracciones: 3

Q  CLh 2

= C L H

Donde: Q Caudal (m3/s) = 1.84 (vertedero cresta aguda), 2.0 (vertedero perfil Creager) = Longitud de la cresta (m) = Carga sobre el vertedero (m)

Si el área hidráulica sobre vertedor es:

A=Lh 3

La velocidad será:

1

Q CLh 2 v   Ch 2 A Lh

Y la carga sobre el vertedero:

 v   C

2

h

De donde para los valores indicados de v y C, se puede concluir que el máximo valor de h no deberá pasar de 25 cm. Casi siempre el ancho de la cámara del desarenador no es suficiente para construir el vertedero recto y perpendicularmente a la dirección del agua. Por esto se le ubica en curva que comienza en uno de los muros laterales y continúa hasta cerca de la compuerta de desfogue. Esta forma facilita el lavado permitiendo que las arenas sigan trayectorias curvas y al mismo tiempo el flujo espiral que se origina, las aleja del vertedero. 4. Compuerta de lavado, sirve para desalojar los materiales depositados en el fondo. Para facilitar el movimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador se le da una gradiente fuerte del 2% al 6%. El

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incremento de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de cálculo, sino que el volumen adicional obtenido se lo toma como depósitos para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos. Es necesario hacer un estudio de la cantidad y tamaño de sedimentos que trae el agua para asegura una adecuada capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con demasiada frecuencias. Para lavar una cámara del desarenador se cierran las compuertas gran velocidad arrastrando la mayor parte de sedimentos. Entre tanto el caudal normal sigue pasando al canal sea a través del canal directo o a través de otra cámara del desarenador. Una vez que esta vacía la cámara, se abre parcialmente las compuertas de admisión y el agua que entra circula con gran velocidad sobre los sedimentos que han quedado, erosionándolos y completando el lavado. Generalmente, al lavar un desarenador se cierran las compuertas de admisión. Sin embargo, para casos de emergencia el desarenador debe poder vaciarse inclusive con estas compuertas abiertas. Por este motivo las compuertas de lavado deben diseñarse para un caudal igual al traído por el canal más el lavado que se obtiene dividiendo el volumen del desarenador para el tiempo de lavado. Hay que asegurarse que el fondo de la o las compuertas este más alto que el punto del río al cual se conducen las aguas del lavado y que la gradiente sea suficiente para obtener una velocidad capaz de arrastrar las arenas. Se consideran que para que el lavado pueda efectuarse en forma rápida y eficaz esta velocidad debe ser de 3 - 5 m/s. Muchas veces esta condición además de otras posibles de índole topográfica, impide colocar el desarenador inmediatamente después de la toma, que es la ubicación ideal, obligando desplazarlo aguas abajo en el canal. 5. Canal directo, por el cual se da servicio mientras se esta lavando el desarenador. El lavado se efectúa generalmente en un tiempo corto, pero por si cualquier motivo, reparación o inspección, es necesario secar la cámara del desarenador, el canal directo que va por su contorno, permite que el servicio no se suspenda. Con este fin a la entrada se colocan dos compuertas, una de entrada al desarenador y otra al canal directo. En el caso de ser el desarenador de dos o más cámaras, el canal directo ya no es necesario pues una de las cámaras trabaja con el caudal total mientras la otra se lava.

2.2.6

Consideraciones para el diseño hidráulico

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2.2.6.1

Cálculo del diámetro de las partículas a sedimentar  Se plantea un desarenador para caudales mayores a 0.10 m 3/s, solo será necesario en caudales menores cuando lleva mucho sedimento.  La sección del desarenador debe de tener un mínimo de 6 veces la sección recta del canal de uso. El fondo del desarenador debe cumplir con: con pendiente máxima del 20% y como pendiente mínima del 2%  La compuerta de limpia debe de ubicarse en la parte mas baja del desarenador y de preferencia en el sentido del flujo.  Las pendientes transversales deben ser 1:4 , 1:7  En el desarenador debe limitarse el rango de velocidades de acuerdo al tamaño de las partículas que dejan de decantar con la velocidad de flujo en el canal.  La velocidad de agua dentro del desarenador debe considerarse para producir decantación de una partícula que no sea posible ser puesta en movimiento en el canal por arrastre.  Se recomienda que no se produzca turbulencias, que los decantadores sean relativamente anchos y poco profundos a fin de dar una pendiente para facilitar el arrastre de sólidos depositados dentro del decantador al momento de realizar la limpieza. 

Los desarenadores se diseñan para un determinado diámetro de partícula, es decir, que se supone que todas las partículas de diámetro superior al escogido deben depositarse. Por ejemplo, el valor del diámetro máximo de partícula normalmente admitido para plantas hidroeléctricas es de 0.25 mm. En los sistemas e riego generalmente se acepta hasta un diámetro de 0.5 mm.



Se debe tener en cuenta el usar convenientemente la curva granulométrica representativa del material en suspensión y fondo para un periodo de retorno equivalente a criterio del diseñador (se sugiere 50 años). Información básica necesaria para determinar la cámara de colmatación, determinación del periodo de purga y el porcentaje de material en suspensión que no podrá ser retenido.



Para el uso de agua en agricultura, el diámetro mínimo de la partícula a eliminar seria de 0.5 mm, y para energía 0.2 mm. Para proyectar la decantación del material de material sólido de diámetro menor, el diseñador deberá utilizar otras técnicas sobre la base de experiencias que permitan garantizar la eficiencia en la retención.



También se debe prever a que lugares se va a orientar o depositar los materiales decantados.

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

27



La sección más eficiente para decantar, resulta ser la compuesta por paredes verticales en la parte superior y trapecial en la parte inferior.



Algunas relaciones geométricas a ser consideradas son las siguientes: o

La relación longitud a ancho: Será con el fin de aproximarse lo más posible al flujo. Se recomienda un tanque rectangular con una relación de longitud a ancho (L/A) entre 3/1 y 5/1.

o

Profundidad mínima y máxima: La profundidad mínima especificada es de 1.50 metros y la máxima de 4.50 metros.

o

Profundidad de almacenamiento de lodos: Se adopta una profundidad máxima de 0.40 metros. Las pendientes del fondo deben de estar comprendidas entre el 1% y el 8% con el fin de que los lodos rueden fácilmente y la labor de limpieza manual sea segura para los operarios.

o

Periodos de retención hidráulicos: El tiempo que tarde una partícula de agua en entrar y salir del desarenador debe de estar comprendido entre 0.5 horas y 4 horas

o

Carga hidráulica superficial: La carga hidráulica superficial, definida como el caudal puesto por unidad de área superficial, debe estar entre 15 y 80 m3/m2

 En sistemas hidroeléctricos el diámetro puede calcularse en función de la altura de caída como se muestra en la tabla 1, o en función del tipo de turbina como se muestra en la tabla 2. Tabla 1: Diámetro de partículas en función de la altura de caída Diámetro de partículas (d) que son

Altura de caída (H) (m)

retenidas en el desarenador (mm) 0.6

100 – 200

0.5

200 – 300

0.3

300 – 500

0.1

500 - 1000

Tabla 2: Diámetro de partículas en función del tipo de turbinas Diámetro

de

partículas

(d)

a

Tipo de turbina

eliminar en el desarenador (mm)

2.2.6.2

1–3

Kaplan

0.4 – 1

Francis

0.2 - 0.4

Pelton

Cálculo de la velocidad del flujo v en el tanque

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28

La velocidad en un desarenador se considera lenta, cuando está comprendida entre 0.20 m/s a 0.60 m/s. La elección puede ser arbitraria o puede realizarse utilizando la fórmula de Camp.

V a d Donde:

d = diámetro (mm) a = constante en función del diámetro A

2.2.6.3

(cm/s)

d(mm)

51

< 0.10

44

0.1 – 1

36

>1

Cálculo de la velocidad de caída w (en aguas tranquilas) Para este aspecto, existen varias formulas nomogramas, algunas de las cuales consideran: Peso especifico del material a sedimentarse: Peso especifico del agua turbia:

empíricas,

tablas

y

 s gr/cm3 (medible)  w gr/cm3 (medible)

Arkhangelski, diseñó una tabla (Tabla 3) que permite calcular w (cm/s) en función del diámetro de partículas d (en mm): Tabla 3. Velocidades de sedimentación w calculado por Arkhangelski (1935) en función del diámetro de partículas d(mm) 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.70 0.80 1.00 2.00 3.00 5.00

W (cm/s) 0.178 0.692 1.560 2.160 2.700 3.240 3.780 4.320 4.860 5.400 5.940 6.480 7.320 8.070 9.44 15.29 19.25 24.90

Sellerio por su parte desarrolla un nomograma (ver Fig. 4), que permite calcular w (en cm/s) en función del diámetro d (en mm).

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

29

Figura 4: Experiencia de Sellerio

Owens, propone la siguiente fórmula:

w  k d (  s  1) Donde: w d

= = s=

k

=



Velocidad de sedimentación (m/s) Diámetro de partículas (m) Peso especifico del material (g/cm3) Constante que varia de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos, sus valores se muestran en la Tabla 4. Tabla 4. Valores de la constante k Forma y Naturaleza k Arena esférica

9.35

Granos redondeados

8.25

Granos cuarzo d>3 mm

6.12

Granos cuarzo dh1.

h

hh  hh 2

h1 = 0.8h2 h =0.9h2 La fórmula de Forcheiner da resultados con suficiente aproximación si se cumplen las siguientes condiciones: a) El cociente entre la velocidad del agua (V1) y la raíz cuadrada del producto de la profundidad del agua antes del vertedero (Y1) y la aceleración de la gravedad, debe ser menor que el número de Froude = 0.75. b) La diferencia entre h2 y h1 debe ser menor a la diferencia entre Y2 y Yn. Expresando las dos condiciones en fórmulas tenemos:

V1 gY1

 0.75

h2  h1  Y2  Y1



Para mejorar la eficiencia de la cresta se suele utilizar diferentes valores  según la forma que adopte la cresta, éstos valores fueron dados líneas arriba cuando se describió forma del aliviadero.



Los tipos (1) y (2) 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 (3) ó (4).

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42



Los aliviaderos laterales pueden descargar a través de un vertedero con colchón al pie (desniveles pequeños) o mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes).

e) Determinación del perfil del aliviadero Desde 1886 hasta1888 Bazin hizo la primera investigación completa en laboratorio sobre la forma de cresta que coincide con la superficie inferior de una napa aireada sobre un vertedero de cresta delgada. Desde 1932 hasta 1948 el U.S. Bureau of Reclamation realizó experimentos extensos sobre la forma de la napa en vertederos. Sin embargo, para propósitos prácticos, ésta información puede utilizarse de manera más simple sin pérdidas de exactitud esencial, mediante las modificaciones que se describen a continuación: Con base en los datos del Bureau of Reclamation, el U.S. Army Corps of Engineers desarrolló algunas formas estándar en su Waterways Experimental Station, tales formas pueden representarse mediante la siguiente ecuación:

X n  K * Hd n 1Y Donde:

X y Y son las coordenadas del perfil de la cresta con su origen en el punto más alto de ésta . Hd = Es la altura de diseño K y n = Son parámetros que dependen de la pendiente de la cara aguas arriba. Los valores de K y n son los siguientes: Pendiente de la cara Aguas arriba

K

n

Vertical

2.000

1.850

3

3 en 1

1.936

1.836

4

3 en 2

1.939

1.810

5

3 en 3

1.873

1.776

Para pendientes intermedias, los valores aproximados de K y n pueden obtenerse graficando los anteriores valores contra las pendientes correspondientes e interpolando en la gráfica los valores requeridos para cualquier pendiente dentro del rango graficado.

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

43

2.3.3 Vertederos de demasías Cuando en la madre de una corriente se establece un dique, se eleva el nivel de aguas arriba del mismo y el caudal se vierte por encima de él. Según que el nivel de aguas abajo esté más bajo o más alto que el umbral del dique, se dice que el vertedero es completo o incompleto. 2.3.3.1 Vertederos completos Para calcular el gasto de un vertedero completo, se considera una faja horizontal de anchura B y de altura dh, situada a una profundidad h + V 2/2g por bajo de la línea de carga hidrodinámica; por ella fluye un caudal:

2 Q  B 3



 V2 2 g   h    2g 

3 2

  

 V2    2g



3 2







  

En estas ecuaciones μ es un cociente que depende de la forma de la sección del vertedero y que se obtiene experimentalmente. La velocidad de llegada V2/2g, suele ser pequeña, de suerte que es posible prescindir de ella, y el cálculo del gasto se hace por la sencilla fórmula: 3

2 Q  B 2 g h 2 3 La altura h del vertedero debe medirse más arriba de la depresión sensible de la superficie libre, cuando menos a una distancia 2h de la presa; la regla, muy en boga, de tomar la altura un metro aguas arriba del vertedero es completamente arbitraria y sólo es lícita para alturas inferiores a 0.50 m. El coeficiente de gasto μ depende, como dijimos, de la sección del vertedero; es en general, tanto mayor cuanto mejor redondeada está la cresta del mismo . Los vertederos de umbral agudo, para los cuales son más exactos los valores de μ, solo se aplican para aforos. Th. Rehbock ha obtenido los valores de μ para un gran número de vertederos redondeados en la forma del esquema de la figura 01, con paramento interior vertical y paramento exterior con talud de 1:0.67, y ha hallado para ellos la fórmula:



H   0.312   0.30  0.01 *  5   r    Válida mientras

w  0.02my

w > 0.02 m. y H < r(6-20r/(w+3r))



1 2



2





 H   w

 0.09 * 

20r   H  r 6   w  3r  

Si la altura H del vertedero es mayor, la lámina vertiente se separa de la pared de aquel y μ se hace de repente notablemente menor. Para r se tiene:

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44

 4.57   r  b   0.573   2  1 20 

siendo α la razón entre los semiejes de la elipse que forma el umbral, o sea: α = a/b y la fórmula sirve para todo valor de α que cumpla con la condición 0.5 yc y flujo subcrítico en el FLUJO 4; y1 < H* ; y3 < yc y flujo subcrítico y control a la salida en el FLUJO 5. Los tipos 1 y 2 corresponden a flujo confinado en tuberías y los otros tipos a flujo en canales abiertos.

Figura 4 ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE UNA SECCION CIRCULAR b) Según su capacidad

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56

b.1) Alcantarilla de un tubo Para caudales iguales o menores a 1.2 m3/s

Qmáx = d2 (m3/s) Longitud de transiciones: Lt  4 d La transición de entrada no lleva protección y la transición de salida lleva una protección de enrocado con un espesor de la capa igual a 0.20 m. Longitud d protección: Lp  3 d Diámetro interno mínimo: d = 0.51 b.2) Alcantarilla de dos tubos Para caudales que oscilan entre 0.5 m3/s y 2.2 m3/s Qmáx = 2 d2 (m3/s) Longitud de las transiciones: Lt  5 d Las transiciones de entrada y salida llevan protección de enrocado con un espesor de la capa de roca de 0.25 m hasta una altura sobre el fondo del canal de 1.2 d Longitud de protección en la entrada: Lp  4 d Longitud de protección en la salida: Lp  5 d Diámetro interno mínimo: d = 0.51 m b.3) Alcantarilla de dos ojos Para caudales que oscilan entre 1.5 m3/s y 4.5 m3/s Sección del ojo = ancho x altura = d x 1.25 d Capacidad máxima de la alcantarilla: Qmáx = 3.1 d2 (m3/s) Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de roca de 0.25 m. Longitud de las transiciones: Lt = d + b ; donde b = plantilla del canal Longitud de protección en la entrada: Lp = 3 d Longitud de protección en la salida: Lp = 5 d Diámetro interno mínimo: d = 0.80 m. b.4) Alcantarilla de tres ojos Para caudales que oscilan entre 2.3 m3/s y 10.5 m3/s Sección del ojo = ancho x altura = d x 1.25 d Capacidad máxima de la alcantarilla: Qmáx = 4.8 d2 (m3/s) Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de roca de 0.25 m. Longitud de las transiciones: Lt = d + b ; donde b = plantilla del canal Longitud de protección en la entrada: Lp  3 d Longitud de protección en la salida: Lp  5 d Diámetro interno mínimo: d = 0.80 m. DIMENSIONES:

∅ tubo

h (m)

e (m)

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18” 21” 24” 27” 30” 36” 42” 48” 54” 60”

57

1.52 1.60 1.68 1.90 2.13 2.60 2.82 3.00 3.50 3.65

0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15

1.6 Ejemplos de diseño Ejercicio 1. Diseñar la alcantarilla de la figura adjunta, que cruza un camino parcelario con ancho de 5.5 m.

Características del canal aguas arriba y aguas abajo Q = 0.7 m= 0.02 m3/s (Máximo) Z = 1.5 S = 1 o/oo n = 0.025 b = 1.0 m Y1 = Y2= 0.59 m V = 0.63 m/s V2/2g=0.02 m Solución El diseño se hará siguiendo los criterios recomendados en los ítems descritos anteriormente

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58

3.2

CANOAS Son obras de arte que permiten conducir cursos de agua material de arrastre, sedimentos y huaycos, provenientes de una quebrada o depresiones de mucha pendiente, por sobre el canal de riego.

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

59

EMBED MSPhotoEd.3

3.2.1Criterios de diseño Se debe contar con la siguiente información, como mínimo:    

Área tributaria de la cuenca Características del suelo de la cuenca Intensidad máxima de precipitación Características geométricas del canal de riego

Las canoas se deben ubicar de manera tal que no cambie la dirección de flujo o avenida proveniente de quebradas. La pendiente de las canoas debe ser en lo posible la pendiente de la quebrada en el sector del canal. Para el diseño estructural debe conocerse las condiciones de la capacidad portante del suelo. 3.2.2Cálculo de la descarga mínima en las cuencas de cruce El método racional es el más adecuado para calcular las avenidas máximas en cuencas pequeñas.

Q  0.278.CiA Donde:

Q = C = i =

Caudal máximo (m3/s) Coeficiente de escurrimiento Intensidad media de precipitación para una duración igual al tiempo de concentración de la cuenca (mm/h)

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60

A

=

Área de la cuenca drenada (km2)

3.2.3Cálculo hidráulico de la canoa Se debe dimensionar la canoa en función de la avenida máxima originada por la quebrada o riachuelo que ésta evacue. El cálculo se hace para la canoa más crítica (de mayor descarga). 

velocidad de flujo sobre la canoa: Para el efecto se utiliza la fórmula de Manning: 2

V 

1

1 3 2 R S n

El coeficiente de rugosidad para ríos varía de 0.04 a 0.06, dependiendo de la cantidad de sedimentos de arrastre y de la pendiente de la cuenca. La pendiente más recomendable es la del cauce de la quebrada. El radio hidráulico es el de la quebrada (una vez hallado el caudal de la quebrada, se calculan todos los parámetros hidráulicos de la quebrada) 

Determinando la sección de la canoa Se calcula con Q=VA. El caudal es el calculado para la quebrada. Al conocerse la velocidad de flujo sobre la canoa, se calcula el área hidráulica correspondiente a la caja de la canoa.

A

Q V

Como el área es: A=b*y, se asume una base b que permita evacuar sin dificultad el arrastre de sedimentos y agua de la quebrada y luego se calcula Y. Se debe cuidar que Y permita el tránsito de avenidas de la quebrada sin que desborde. 

Tipo de flujo en la canoa El caudal unitario será:

q Donde:

Q = q = B =

El Tirante crítico será:

Q b

Caudal de avenida sobre la canoa (m3/s) Caudal unitario (m3/s/ml) Ancho de la canoa (m)

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q2 g

Yc  3 Donde:

Yc = Q = G =

61

Tirante crítico de la canoa (m) Caudal unitario sobre la canoa (m3/s/ml) Aceleración de gravedad (9.81 m/s2)

Por tanto la Velocidad crítica será:

Vc  Donde:

Vc = Ac = b =

Q Ac

Ac  Yc * b

velocidad crítica sobre la canoa Área crítica de la canoa Base de la caja de la canoa

Debe cumplirse la siguiente condición: 

Y > Yc V < Vc

Longitud de las transiciones Se aplica la siguiente relación:

Lt  Donde:

T1 = T2 =





T1  T2  2tg 2

Espejo de agua hacia la quebrada Espejo de agua en la canoa (T2 = b) = ángulo de transición

Borde libre El borde libre es el sobre alto por encima del tirante para evitar desbordes en la canoa. Para su cálculo se asume que la altura total (H), sea 1.2Y, por tanto el bordo libre o borde libre (t), será:

t  H Y 

Longitud de protección a la entrada y salida de la canoa Se calcula por:

Lp  3Y Donde:

Lp =

Longitud de protección (entrada y salida)

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62

3.2.4Ejemplo de diseño En el canal de riego Matarcocha, cruza la quebrada Sayarinabamba con un área de 3.5 Km2, intensidad de precipitación de 1.9 mm/h, pendiente de 5% y rugosidad de 0.050; se asume un coeficiente de escurrimiento de 0.60. Se desea diseñar una canoa que permita derivar las aguas de la quebrada, hacia la margen izquierda del canal de riego. Se recomienda protección de ingreso y salida por tener la quebrada una fuerte pendiente. 3.3

ACUEDUCTO O PUENTE CANAL

3.3.1 Generalidades En los canales de conducción y aún en los de distribución (dependiendo de la magnitud del sistema de riego), se presentan diversos accidentes topográficos como depresiones, quebradas o cursos de agua y en muchos casos, obras de infraestructura como caminos, canales líneas férreas, etc. La necesidad de cruzar con el canal por estos “inconvenientes”, exige buscar soluciones con diferentes obras de arte como sifones, alcantarillas, canoas, túneles o los denominados puentes canal o acueductos. 3.3.2 Concepto Es una estructura artificial de conducción de agua que fluye como canal encima de un puente y que esta diseñado atravesar una depresión y capaz de resistir las cargas de agua y su propio peso. El término acueducto es también usado para estructuras apoyadas o enterradas que conducen agua. 3.3.3Objetivo El objetivo de los acueductos es salvar los obstáculos que se presenta en el recorrido de un canal. Solo se utiliza un acueducto o puente canal cuando el nivel de la rasante del canal y la rasante del obstáculo, permite un espacio lo suficientemente grande para permitir el paso de vehículos en el caso de caminos o vías férreas, el paso de agua si son canales o avenidas, huaycos o drenes si son quebradas. 3.3.4Clasificación 

Por el nombre - Acueducto: Se refiere a estructuras áreas que se encuentran apoyadas en un puente que resiste cargas de agua y de su propio peso. - Coloche: Término común que se da a las estructuras artificiales y artesanales de conducción de agua en el norte del país están construidas con cilindros o calaminas calafateadas con brea estabilizados con tierra o barro.

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

63

- Canoa: Estructura que permite el paso de agua y drenajes por encima del canal de riego por medio de un puente cajón de base ancha. 

Por el tipo de apoyo - Acueducto apoyado: Estructura hidráulica que se proyecta apoyada sobre el terreno natural, sobre terreno compactado o sobre un canal (canoa). - Acueducto aéreo: Generalmente se ubican en quebradas de cauce permanente o temporal, por las que discurrirá gran cantidad de agua, lodo y piedras (en época de lluvia). Van apoyados sobre estribos, y el algunos casos, por la luz de la quebrada, opcionalmente tendrán pilares de apoyo.

3.3.5 Elementos hidráulicos de un acueducto En el diseño hidráulico de un acueducto deben considerarse: 

Diseño de la conducción: Un puente canal puede tener una sección rectangular de hormigón, o un tubo. Generalmente, la sección rectangular de hormigón es usada para capacidades mayores y un caño, para capacidades menores.

Los conductos deben ser dimensionados para una velocidad máxima de 3 m/s (trabajando a sección llena), si se usa transición de hormigón a la salida y para 3,6 m/s si se coloca un disipador de pantalla a la salida. 

Estructura de entrada: la cota de la entrada al canal elevado está limitada por tres factores: o

Superficie de agua del canal a cruzar: La entrada debe ser lo suficientemente alta como para proveer flujo a través del canal prismático, por encima del nivel de agua del mismo.

o

Sumergencia del conducto: Para utilizar completamente la capacidad del tubo, la superficie del agua en la entrada del puente canal debe sumergir la parte superior de este conducto, aguas arriba, por lo menos una vez y media la altura de velocidad. Esto provee una pérdida a la entrada igual al 50 % de la altura de velocidad y una pérdida en el caño igual a la altura de velocidad.

o

Revancha: La máxima superficie de agua para el flujo de diseño a la entrada del canal de drenaje debe ser, como mínimo 60 cm más baja que la superficie del terreno (tapada mínima).

Un análisis hidráulico completo, debe hacerse para determinar ubicación del control hidráulico y la cota del pelo del agua a entrada. Cuando el canal de drenaje está bien definido, el flujo través del puente canal debe coincidir, en cuanto sea posible, con escurrimiento natural.

la la a el

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64

Con control de entrada, el nivel aguas arriba, está controlado por la carga requerida para la entrada al conducto. Cuando existe control de salida, la carga necesaria para producir la descarga de diseño, es función de las pérdidas en el sistema (pérdidas de entrada, pérdidas en el conducto y pérdidas de salida). Estructura de salida: Debe permitir que la salida hacia el canal se realice sin erosión. La energía a disipar a la salida del puente-canal de sección rectangular, es muchas veces suficiente como para que sea necesario una estructura de disipación. La transición de salida estándar puede usarse para velocidad de salida de 6 m/s o menos, dando una protección en esta zona. 3.3.6 Consideraciones de diseño hidráulico  De preferencia, la sección del canal debe ser rectangular y con pendientes de 0.001 o menores.  En caso de proyectar acueductos con conductos circulares en los extremos será necesario proyectar tanques o cámaras.  Si se proyecta acueductos en el cruce de vías de transporte (vial o ferroviaria), se debe cuidar que la rasante de la vía permita una altura libre para el paso de vehículos de transporte.  El acueducto será lo suficientemente elevado para permitir que discurra la máxima avenida en el cauce que cruza.  En lo posible evitar la construcción de pilares, si así fuera, éstos producen remansos y socavaciones que conviene tenerlos en cuenta.  El diseño dependerá de la topografía, así como las soluciones estructurales que puedan darse al puente.  Para el diseño hidráulico se requiere la siguiente información: o Características hidráulicas del canal de riego. o Las elevaciones del fondo del canal de riego tanto aguas arriba como aguas debajo de la estructura. o El flujo de agua del canal al acueducto debe ser lo más uniforme posible y orientar y alinear el acueducto de tal forma que no sea un obstáculo ni para el canal que pasa por el ni para el canal que lo cruza. o En caso de usarse acueductos rectangulares se sugiere dar a las transiciones un ángulo de 12º30´. o

La pendiente debe ajustarse en lo posible a la pendiente del canal a fin de evitar cambios en la rasante del fondo del mismo.

o

Si el caso lo permite los tirantes con los que se diseña deberán ser los mismos en el canal como en el acueducto. La condición de flujo debe ser sub crítico

o

transición de entrada canal de ingreso

transición de salida

conducto

canal de salida

dirección del flujo

1

2

Esquema en planta de un acueducto

3

4

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

65

3.3.7Diseño hidráulico  Cálculo de la transición de entrada y salida (aguas arriba y aguas abajo) La transición aguas arriba y abajo deberá producir un cambio gradual en la velocidad de agua desde el canal hacia el acueducto, cambiando también la sección trapezoidal a rectangular. Lo que se persigue es evitar turbulencias en el acueducto.

Bc B  zh)  2 L 2 tg (12º30´) (

Donde:

L Bc B Z h

= = = = =

Longitud de la transición (m). Base o ancho del fondo del canal (trapezoidal), en m. Ancho o base del fondo del acueducto (rectangular) en m. Talud del canal Altura total del canal (m)

También se puede utilizar la siguiente relación para el caso de una transición recta:

L Donde:

T1 = T2 =

T1  T2 2tg12.5º

Espejo de agua en el canal (m) Espejo de agua del canal acueducto (m)

 Cálculo del conducto elevado Por economía, el ancho del canal debe ser lo menor posible, manteniendo en lo posible el mismo tipo de flujo, de preferencia sub crítico. A fin de que sean las mínimas posibles, se diseña para condiciones cercanas a las críticas. Para una sección rectangular, en condiciones críticas se cumplen las siguientes relaciones:

yc 

2 E min 3

yc  3

Q2 b2g

Igualando ambos y despejando b:

b

27Q 2 3 8 E min g

Como Q es conocido (es el caudal de diseño), se requiere conocer E min (tirante en el canal acueducto). Se considera aproximadamente que E min es igual a E4 (en el canal de salida).

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66

E4  y 4 

v42 v2  yn  n 2g 2g

Para lograr un flujo sub crítico en el canal del acueducto, se toma un valor mayor al b crítico calculado. Un ancho de solera mayor reduce el efecto de la curva de remanso que se origina en el conducto. Es aceptable que ésta curva afecte el 10% del bordo libre.  Cálculo de la transición de salida Las pérdidas predominantes en las transiciones (por su corta longitud) corresponden a las pérdidas por cambio de dirección. Su ecuación es:

h v 

h12  Khv

v12 v 22  2g 2g

, siendo

v1>v2 Donde:

h1-2 K Ke Ks

= = = =

Pérdidas por transición entre 1 y 2. Coeficiente de pérdidas en la transición, pueden ser: Coeficiente de pérdidas en la transición de entrada Coeficiente de pérdidas en la transición de salida.

Los valores de Ke y Ks, dependen del tipo de transición diseñada (ver tabla 03 y gráfico siguiente), Tabla Nº 03: Valores de Ke y Ks según el tipo de transición Tipo de transición Ke Ks Curvado 0.10 0.20 Cuadrante cilíndrico 0.15 0.25 Simplificado en línea recta 0.20 0.30 Línea recta 0.30 0.50 Extremos cuadrados 0.30 0.75

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67

 Cálculo de los efectos de la curva de remanso El efecto de la curva de remanso incide en los tirantes de las secciones 1, 2, 3 y 4 (ver gráfico de acueducto).

a) Cálculo de Y3: Se calcula aplicando la ecuación de la energía entre 3 y 4, y se resuelve por tanteos determinando y3 :

Z 3  4  y 3  Donde:

v 32 v2 v2 v2  y4  4  K s ( 3  4 ) 2g 2g 2g 2g

Z 3 4  SL

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68

b) Cálculo de Y2: Se aplica la ecuación de energía entre las secciones 2 y 3, y se resuelve por tanteos:

Z 2  3  y2 

v22 v2  y3  3  hf 2  3 2g 2g

Donde:

hf 2 3  S E L

 v 2  v3   2  

v

 vn  SE   2     R3 

2

 R 2  R3   2  

R

c) Cálculo de y1: Se aplica la ecuación de energía entre 1 y 2, luego se resuelve por tanteos:

Z1 2  y1  Donde:

v12 v2 v2 v2  y2  2  K s ( 2  1 ) 2g 2g 2g 2g

Z 12  SL

d) Cálculo de la altura de remanso La altura de remanso producido será:

hremanso  y1  y 4 Ejemplo de diseño de un puente acueducto Diseñar el acueducto ubicado sobre la quebrada Huacracucho, si la cuenca tiene un área de 14.88 Km 2 , la intensidad de precipitación es de 4.82 mm/h, el coeficiente de escorrentía C=0.8. Además se sabe que las características del canal de riego (ingreso) son: Q=0.264 m3 /s, n=0.015, s=0.002, v=1.00 m/s, A=0.26 m2 , z=0.5, b=0.48 m, y=0.39 m, f=0.15 m, H=0.59 m, B=0.87 m. La longitud del acueducto L=8.60m. Se recomienda una sección rectangular para el canal del acueducto, en concreto armado.

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

3.4

69

Diseño de caídas verticales

3.4.1Generalidades Los diferentes tipos de caídas que pueden ser usados son verticales, con dados disipadores, rectangulares, inclinados y en tuberías. Las caídas con dados disipadores pueden ser usadas para casi cualquier disminución en la elevación de la superficie del agua donde la distancia horizontal para realizar la caída es relativamente corta. Las mismas son particularmente adaptables para la situación donde la elevación de la superficie del agua aguas abajo puede variar por causa tales como degradación o superficies del agua no controladas.

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Las caídas rectangulares inclinadas y las caídas en tubería son usadas cuando la diferencia de altura esta en el orden de 90 cm. a 4,5 m en una distancia relativamente corta. La decisión de usar una caída rectangular inclinada o en tubería se basa en un análisis económico. Usualmente las tuberías serán seleccionadas para flujos más pequeños en tanto que las caídas rectangulares inclinadas son seleccionadas para flujos más grandes. Si la caída atraviesa otro canal o carretera es probable que sea más económico usar tuberías. Las rápidas usualmente son usadas cuando la diferencia de altura es mayor a 4,5 metros y el agua es transportada una larga distancia y a lo largo de pendientes que pueden ser menos empinadas que las de caídas pero lo suficiente como para mantener la velocidad supercrítica. La decisión de usar una rápida o una serie de caídas estará basada en un estudio hidráulico y económico de ambas alternativas. Desde un punto de vista hidráulico, las caídas no deberían estar tan próximas como para evitar que se produzca flujo uniforme entre la entrada y la salida de estructuras consecutivas, particularmente cuando no se utilizan en las entradas estructuras de regulación. El peligro es que no exista el suficiente tirante para producir los saltos hidráulicos en los cuencos disipadores, y así se puede desarrollar un flujo interrumpido en la serie de caídas y posiblemente dañar el canal. Generalmente el mínimo entre estructuras de entrada y salida en caídas consecutivas puede ser 60m. 3.4.2Definición Las Caídas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario salvar desniveles bruscos en la rasante del canal; permite unir dos tramos (Unos superior y otro inferior) de un canal por medio de un plano vertical permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo, disipando la energía generada por esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una caída se introduce cuando es necesario reducir la pendiente de una canal. Las Caídas pueden ser de una grada o de varias gradas 3.4.3Partes de una caída vertical 

Transición de Entrada: Une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control



Sección de Control: Es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se representa las condiciones criticas



Caída: La cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada



Poza o colchón amortiguador: Es de sección rectangular siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS



71

Transición de Salida: une la poza de disipación con el canal aguas abajo

Fig. 01: Características de la caída vertical 3.4.4Criterios de diseño a)

Se construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1m como máximo, sólo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores.

b)

Se recomienda que para caudales unitarios mayores a 300 l/s/m de ancho, se deben construir caídas inclinadas.

c)

La ejecución de estas obras debe limitarse a caudales pequeños.

d)

Cuando el desnivel es ≤ 0.30 m y el caudal ≤300 l/s/m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.

e)

El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la fórmula para caudal unitario “q”. 3

q  1.48 H 2 Siendo el caudal total: 3

Q Donde:

 B

f)

= =

2  .B 2 g H 2 3

(Fórmula de Weisbach)

0.50 Ancho de la caída

Por debajo de la lámina vertiente en la caída se produce un depósito de agua de altura Yp que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo.

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72

g)

Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara indicada en la Fig. 1, el cual se debe reemplazar para evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura.

h)

Rand1 (1955), propone que la geometría del flujo en las estructuras de caída vertical se puede describir en función de un parámetro adimensional (con un error inferior al 5%), denominado número de caída, que se calcula con la siguiente expresión:

Dc 

q2 g .Z 3

Siendo las siguientes relaciones geométricas que son aplicables al caso particular de no erosión al pie de la caída:

Ld 0.27  4.30 xDc Z

Yp Z

 1.00 xDc

0.22

Y1 0.425  0.54 xDc Z

Y2 0.27  1.66 xDc Z Donde:

Dc Q G

= = =

Ld Yp Y1 Y2

= = = =

Z

Número de caída, adimensional Gasto unitario, en m3/s/m Aceleración de la gravedad, en m/s = Altura de caída del salto, en m Longitud del foso al pie de la caída, en m Tirante al pie de la estructura, en m Conjugado menor en la base de la caída Profundidad del remanso, en m

El ángulo de caída del chorro es:

Cos 

1

1.06  hc 2      Yc 2 

Rand, W, "Flow geometry at straight drop spillways", paper 791, Proceedings American Society of Civil Engineers, vol 81, pp 1-13, sep 1955,

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

73

La longitud del foso de disipación Lc es función de la trayectoria del chorro y de la longitud del resalto hidráulico libre:

L fd  6.9( y 2  Y1 )

Así:

Lc  Ld  L fd

Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes: a) Contracción lateral completa en cresta vertiente, disponiéndose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lámina vertiente.

b) Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/s/m de ancho de cresta de la caída, es igual a:

qa  0.1

Donde:

qa y qw

= = =

qw  Yp   Y

1.5

  

suministro de aire por metro de ancho de cresta tirante normal aguas arriba de la caída Máxima descarga unitaria sobre la caída

2 P a  fL  Va   Kb  Kex   Ke  g w  D  2g

Donde:

(P/ρg)= Ke f

= =

Baja presión permisible debajo de la lámina vertiente, en metros de columna de agua. (Se puede suponer un valor de 0.04 m de columna de agua) Coeficiente de perdida de entrada (Usar Ke= 0.5) Coeficiente de fricción en la ecuación de Darcy-Weisbach

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hf  f L D Kb Kex Va

= = = = =

ρa/ρw=

L V2 D 2g

Longitud de la tubería de ventilación, m. Diámetro del agujero de ventilación, m Coeficiente de perdida por curvatura (Usar Kb=1.1) Coeficiente de pérdida por salida (Usar Kex=1.0) Velocidad media del flujo de aire a través de la tubería de ventilación. Aproximadamente 1/830 para aire a 20ºC

3.4.5Ejemplo de diseño de una caída vertical Diseñar la caída vertical que se ubica en el Km 2+300 del canal de riego Ayrampuni, cuyas características aguas arriba y aguas debajo de la caída son: Q = 2 m3/s S = 1 o/oo n = 0.015 Z = 1 (Talud) b = 1.0 m Y = 0.85 m A = 1.57 m2 V = 1.27 m/s H = 0.85 + 0.082 = 0.932m Solución:

H  y

v2 1.27 2  0.85   0.932m 2g 2(9.81)

1. Ancho de la caída: 3

q  1.48 x(0.932) 2  1.33 m 3 sxm Q 2  q 1.33 B  1.50 B

Transición de entrada:

T1  T2 2tg  2 T1  b  2 zy  1.00  2.00 x1.00 x0.85 LTe 

T1  2.70m T2  1.50m

 2  25 LTe  1.30  2.00

Q = 2 m3/s S = 0.7 o/oo n = 0.015 Z = 1 (talud) b = 1.0 m Y = 0.935 m A=1.81 m2. V = 1.1 m/s H = 0.997m.

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

75

Dimensiones de la caída:

Q 2.00  B 1.50 q  1.33 m 3 sxm q

Yc  3

D

q2 1.332   0.18 gh 3 g (1.00) 3

Ld  4.30 xhxD 0.27 Ld  4.30 x1.00 x 0.180.27  2.70

q2  0.56m g

Yp  hD 0.22 Yp  1.00 x 0.180.22 Yp  0.69

Y1  0.54 xhxD 0.425 Y1  0.54 x1.00 x 0.180.425 Y1  0.26m Y2  1.66hxD 0.27 Y2  1.66 x1.00 x 0.180.27  1.05m L j  5(Y2  Y1 ) L j  6.90(1.05  0.26)  5.451  5.50m Ld  4.30( D ) 0.27  4.30 x (0.18) 0.27  2.70m Longitud .Est .  Lj  Ld  5.50  2.70  8.20m Longitud del tramo del canal rectangular (inmediatamente aguas arrriba de la caída):

L  3.5Yc L  3.5 x 0.56  1.96  2.00 Ventilación bajo la lámina vertiente (consiste en calcular los agujeros de ventilación):

qa  0.1

qw 1.33  0.1 y p 1 .5 1 . 66 ( )1.5 ( ) 0 . 85 y

qa  0.18 m 3 segxm Qa  qa xB  0.18 x1.50  0.27 m 3 seg

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Sumiendo una longitud de tubería igual a 2 m y un valor f = 0.02 para tuberias de fierro , se tiene :



g



a L Va 2 ( Ke  f  Kb  Kex ) ......( 4.32) w D 2g

1 D 2Va 4 Q x4 Va  a 2 D 0.344 Va  D2 Reemplazamos en la ecua 4.32: Va 2 0.006  2 g 0.04 D 4 1 (0.50  0.02  2.00  1.1  1.0) 0.006 ......( 4.32) Qa 

830

D

D4

0.04 1 ) D D4 2

5533 .3  (resulta: 2.6  Resolviendo por tanteo, D= 0.151 m.

D 4 A  0.018m 2 A

Esta area equivalete aproximada al area de 3 tubos, 2 de 4" (0.10m) y 1 de 2" (0.05m), estos tubos se colocaran de manera que conecten al camara de aire de la caida con el espacio esterior.

3.5

Diseño de rápidas

3.5.1Generalidades En el diseño de canales, se presentan una serie de accidentes topográficos (quebradas, depresiones, acantilados, desfiladeros, etc. Que unidos a las características del suelo (suelos coloidales, no coloidales o rocosos), obligan a los proyectistas en riego, a diseñar obras hidráulicas que permitan “salvar” éstos obstáculos con calidad y capacidad.

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

77

Las rápidas son obras hidráulicas que permiten conducir el agua desde un punto elevado hasta otro más bajo, salvando una depresión o cambio de pendiente significativo en el canal sea de conducción, distribución y lateral. La sección de la rápida puede ser un tubo (caso de una rápida de conducto) o una sección abierta (rápida a canal abierto). Las rápidas son similares a las caídas excepto que estas llevan el agua a través de longitudes mayores, pendientes menos empinadas y a través de mayores cambios de nivel. 3.5.2Partes de una rápida Este tipo de estructura, se divide en cuatro partes: Estructura de entrada, sección inclinada de la rápida, disipador de energía, y una estructura de salida.

Figura01: Planta y perfil longitudinal de una rápida en canal abierto (USBR, 1978).

La estructura de entrada, tiene por condición direccionar el flujo aguas arriba del canal hacia la sección inclinada de la rápida, por medio de una transición de entrada. En ésta sección, debe considerarse, en función al caudal conducido, una obra de control para evitar la aceleración de velocidad en el agua y daños en la estructura de la rápida. Diseñar un vertedero y una retención es lo más recomendable. La entrada utilizada debe ser simétrica con respecto al eje de simetría de la estructura de la rápida, debe permitir el pasaje de toda la capacidad del canal aguas arriba de la rápida con una superficie normal y cuando sea deseable, debe permitir el vaciado del canal aguas arriba cuando las operaciones son suspendidas. Las pérdidas de carga a través de la entrada pueden ser despreciadas ya que no afectan significativamente al resultado final por ser lo suficientemente pequeñas. Si no es así las pérdidas deben ser computadas y utilizadas en la

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78

determinación del nivel de energía en el comienzo de la sección de la rápida. Si el piso de la entrada es horizontal puede suponerse que el flujo crítico aparece cuando dicho piso, de la sección de entrada, encuentra la solera más empinada de la rápida. Si la pendiente de la entrada es realizada lo suficientemente empinada para soportar una velocidad mayor que la velocidad crítica, esta velocidad y este tirante deben ser calculados y utilizados para determinar el gradiente de energía en el comienzo de la sección de la rápida. La estructura de la rápida, ya sea en conducto o canal abierto, sigue generalmente la superficie original del terreno y se conecta en el extremo inferior con un disipador de energía, son usados con dicho fin, cuencos disipadores y salidas con pantallas. Cuando es necesario realizar una transición en el flujo entre el disipador y el canal aguas abajo se colocada una transición de salida. Si es necesario proveer cierto pelo de agua para el disipador de energía, la superficie del agua a la salida debe ser controlada. Si se coloca una transición de hormigón a la salida y no hay control de flujos aguas abajo en el canal, ésta puede ser usada para proveer dicho pelo levantando el piso de la misma en la pantalla, como es mostrado en la figura 01. El nivel del agua puede también ser provisto construyendo un control en la transición de salida. La pérdida de carga en la transición de salida es despreciable. 3.5.3Rápidas en canales abiertos Una estructura de rápida en canal abierto está constituida por los siguientes elementos: las transiciones, la sección de la rápida, la trayectoria, la estructura de disipación. a) Transiciones: Deben ser diseñadas para prevenir la formación de olas. Un cambio abrupto de sección, ya sea una convergencia o una divergencia, puede producir olas que pueden ser inconvenientes al viajar por la rápida y el disipador de energía. Para evitar la formación de olas, la cotangente del ángulo de deflexión de la superficie del agua en el plano desarrollado a cada lado de la transición de la rápida no debe ser menor que 3,375 veces el número de Froude. Esta restricción para el ángulo de deflexión debe aplicarse a cualquier cambio en la sección realizado en la entrada, en la sección de la rápida o en el cuenco disipador. Si esta restricción no controla el ángulo de deflexión, el máximo ángulo de deflexión en la superficie del agua en la transición de entrada debe ser alrededor de 30º. El ángulo de la superficie del agua con la línea central en la transición de salida debe ser como máximo alrededor de 25º. Se debe limitar el ángulo de trayectoria en una transición de entrada debido a que minimiza la posibilidad de separación y flujo pulsante que ha sido inicializado en esta parte de la estructura. Deben evitarse transiciones de entrada asimétricas y cambios de alineación inmediatamente aguas arriba ya que estos, pueden producir ondas cruzadas o flujo transversal que continuará en la rápida.

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

79

b) Sección de la rápida: la sección usual es rectangular pero las características de flujo de otros perfiles deben ser considerados cuando la supresión de olas es importante en el diseño. Cuando es necesario incrementar la resistencia de la rápida al deslizamiento, se usan pantallas para asegurar la estructura en la fundación. Para rápidas con longitud menor a 9 metros, la fricción puede ser despreciada. Para rápidas mayores a 9 metros, se incluyen estas pérdidas. Para cualquiera de estas dos condiciones, se debe proponer un tirante aguas abajo y se calculan y compara los niveles de energía, hasta que dichos niveles se balancean. La altura de las paredes en la rápida de canal abierto, debe ser igual a la máxima profundidad calculada en la sección más una revancha, o igual a 0,4 veces la profundidad crítica en la sección de la rápida más revancha, la que sea mayor. La revancha mínima recomendada para rápidas en canales abiertos es 30 cm. La profundidad y la revancha son medidas perpendicularmente a la solera de la rápida. Para velocidades mayores a 9 m/s, la entrada de aire en el agua puede producir un volumen adicional, la revancha recomendada y permitida para muros de la rápida resultará de un muro con suficiente altura como para contener este volumen adicional. c) Trayectoria: Cuando la estructura de disipación es un cuenco disipador de energía, un corto tramo empinado debe conectar la trayectoria con el cuenco, con una pendiente que varia entre 1½:1 y 3:1 (preferentemente 2:1). Pueden ser utilizadas en algunos casos especiales pendientes menores, pero no inferiores a 6:1. Es necesaria una curva vertical entre la rápida y el tramo empinado. Generalmente se usa una curva parabólica, debido a que tendrá un valor del factor de aceleración constante, a lo largo de la misma. La trayectoria debe terminar en la intersección o aguas arriba de la intersección de las paredes de la rápida con las paredes del cuenco disipador. Se puede usar una curva de gran radio levemente más plana que la trayectoria calculada. Si es posible la trayectoria debe coincidir con cualquier transición requerida. Las variables del flujo en la trayectoria y el tramo empinado se calculan de la misma manera que en la rápida. Se propone una elevación para el piso del cuenco disipador y se calcula la altura de energía en la unión de la rápida con el cuenco. Las variables del flujo en este punto son usadas como las variables delante del salto hidráulico en el diseño del cuenco disipador. d) Estructura de disipación: como estructura de disipación se usa un cuenco disipador, con número de Froude a la entrada del cuenco entre 4,5 y 15. La elevación del gradiente de energía después del salto hidráulico debe ser balanceada con el gradiente de energía en el canal aguas abajo de la estructura. Si no es así, se debe asumir una nueva elevación para el piso del cuenco o un ancho de cuenco diferente y recalcular las elevaciones de energía. Se repiten las pruebas hasta que se obtiene el balance. Las

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80

elevaciones seleccionadas deben ser revisadas para asegurar que el cuenco operará efectivamente con flujos parciales. La profundidad crítica en la sección de control debe ser usada para determinar el nivel de energía aguas abajo. Cuando el cuenco disipador descarga en un canal controlado, la profundidad en el canal debe ser calculada con el valor de n del canal reducido un 20% y esta profundidad debe ser usada para determinar el nivel de energía aguas abajo. Si se usa un cuenco acampanado, el ángulo de deflexión de las paredes laterales no debe exceder el ángulo permitido en las paredes de la rápida. Pueden ser usados para aliviar la presión hidrostática en el piso y paredes del cuenco de aquietamiento y transición de salida drenes con filtro de grava. Se usan valores conservativos del coeficiente de rugosidad de Manning (n) al calcular las características del flujo en una rápida. Cuando se calculan las alturas de las paredes en una rápida de hormigón, se asume un n de 0,014, mientras que al computar valores de energía, se asume un n de 0,010. Un punto a tener en cuenta en el diseño de una rápida es la formación de olas, debido a que estas pueden sobrepasar las paredes de la rápida y causan oleaje en el disipador de energía. Un cuenco de aquietamiento no sería un efectivo disipador de energía con este tipo de flujo porque no se puede formar un salto hidráulico estable. Un tipo de flujo inestable y pulsante conocido como “flujo pulsante” o “flujo ondulatorio” u “olas rodantes” se pueden desarrollar en rápidas largas y empinadas. Estas ondas se forman generalmente en canales de rápidas con longitudes mayores a 210 metros y con pendientes de fondo más tendidas que un ángulo de 20º (U. S. Bureau of Reclamation, 1978). La máxima altura de ola que puede ser esperada es dos veces la profundidad normal para la pendiente, y la capacidad máxima momentánea para el flujo pulsante es dos veces la capacidad normal. También se puede desarrollar en una rápida flujo transversal u ondas cruzadas. Estas ondas son causadas por:   

transiciones abruptas de una sección del canal a otra estructuras no simétricas curvas o ángulos en el alineamiento de la rápida.

La probabilidad de que estas ondas se generen en la estructura puede ser reducida siguiendo las recomendaciones concernientes a ángulos de deflexión y simetría hechas en las discusiones pertinentes a transiciones y evitando cambios de dirección en la estructura. Algunas secciones de la rápida son más propensas a desarrollar ondas que otras. Secciones poco profundas y anchas parecen ser particularmente susceptibles a flujos transversales mientras que secciones angostas y profundas resisten tanto el flujo transversal como flujo pulsante. Si los cálculos indican que el flujo pulsante ocurrirá, el diseño debe ser modificado para reducir la probabilidad de que se generen ondas o la

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81

estructura debe ser adaptada para prevenir que el oleaje ocurra. Los posibles cambios en el diseño incluyen:     

Dividir el flujo en la sección de la rápida con una pared en el centro de la rápida. Cambiar la forma de la sección. Se pueden considerar las formas teóricas que evitan las ondas. Reducir la longitud de la rápida. Se pueden considerar una serie de rápidas más cortas o caídas. Aumentar la pendiente de la rápida. Reemplazar la sección de la rápida de canal abierto por una rápida en tubería.

Si estos cambios son impracticables, la sección de la rápida puede ser adaptada para contener el oleaje de la siguiente manera:       

Incrementando la revancha de las paredes de la rápida. Proveyendo una cubierta para la sección de la rápida para contener las ondas. Protegiendo el terreno alrededor de la sección de la rápida con rip-rap o revestimiento. Las adaptaciones para el cuenco disipador pueden incluir: Diseñar el cuenco para proveer una descarga de oleaje momentánea. Este puede ser provisto proporcionando mayor largo y altura de paredes para contener el oleaje. Proporcionar rip-rap adicional para proteger el canal aguas abajo y el terreno alrededor del cuenco. Proporcionar un dispositivo supresor de oleaje en el cuenco disipador. Pueden usarse balsas u otros elementos flotantes amortiguadores de ondas. Puede ser usado un disipador de energía menos sensible al oleaje.

3.5.4Procedimiento de cálculo Los datos que se deben conocer son: el caudal (Q), la elevación del punto 1 (Elv1), geometría y propiedades hidráulicas del canal. Los pasos para la resolución son los siguientes: 1. Seleccionar y diseñar el tipo de entrada a utilizar 2. Elevación de la línea de energía en el punto 1: E1 = Elv1 + d1 + hv1 3. Cálculo de la energía en el punto donde se reduce la sección y se produce el tirante crítico (punto 2), con un valor de n de Manning menor: EC = dC + hvC 4. Cálculo de perdidas a la entrada:

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H1-2 = 0,2 · Δhv1-2 + L1-2 · (S1 + S2)/2 5. Calcular el nivel de la línea de energía en el punto 2 realizando un balance de energía con el punto 1: E2 = E1 – EC – H1-2 6. Determinar el máximo ángulo de deflexión en las paredes laterales de la entrada: • Cálculo del factor de aceleración K: Para el piso de la transición en un plano K = 0 Con el piso de la transición en una curva circular ⋅⋅θ = g R cos K V² , siendo θ = arctg [(El1 – El2)/L] Transición en una curva parabólica L K (tg tg ) 2 hv cos ² = θL − θ0 ⋅ ⋅ ⋅ θ0 Se limita el valor de K a un máximo de 0,5 para asegurar presión positiva en el fondo. • Cálculo de la profundidad normal en la solera de la rápida: d = A/B, siendo A el área y B el ancho de boca. • Cálculo del número de Froude en el punto 1 y punto 2: • Cálculo del ángulo de deflexión: Cotg α = 3,375 · (F1 + F2)/2 7. Determinación del flujo en la sección de la rápida. • Cálculo del desnivel entre los puntos 2 y 3: Z2-3 = L2-3 · S2-3 • Cálculo de la energía en el punto 2: E2 = y2 + hv2 + Z2-3, calculado con tirante normal y pendiente crítica.

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• Cálculo de pérdidas por fricción: H2-3 = L2-3 · (S2 + S3)/2 • Cálculo de la energía en el punto 3: E3 = y3 + hv3 + H2-3 • Balance de energía entre el punto 2 y 3: E2 ≈ E3, si esto no ocurre se debe ajustar la pendiente del punto 3 hasta que se verifique el balance de energía. • De igual forma se procede para el cálculo de los puntos siguientes. 8. Diseño de la trayectoria: • Cálculo de la longitud de la trayectoria: K L (tg tg ) 2 hv cos ² L 0 9 0 T =θ−θ⋅⋅⋅θ • Coordenadas de la trayectoria: T L0 02L y x tg (tg tg ) x² ⋅ = ⋅ θ + θ − θ ⋅ , con esta ecuación se obtienen los distintos puntos de la trayectoria hasta llegar al punto 10, para x = LT. 9. Cálculo del ángulo de deflexión entre el punto 8 y punto 9, procediendo de la misma forma que en el paso 6. 10. Fijar la cota al final de la caída abrupta, punto 11. 11. Realizar el balance de energía entre los puntos 10 y 11, de igual forma que

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en el paso 7. 12. Determinar el tipo de cuenco disipador a utilizar en base al número de Froude correspondiente al punto11. 13. Si no se obtiene el balance de energía, puede ser necesario proponer una nueva elevación del piso del cuenco y recalcular los valores obtenidos anteriormente. 14. Revisar la operación para caudales parciales. 15. Determinar la longitud y altura de las paredes del cuenco. 16. Diseñar los bloques de la rápida y piso y el umbral de terminación o transición de salida según se requiera. 17. Verificar la posibilidad de desarrollo de ondas cruzadas. • Usando la ecuación del balance de energía, con el caudal igual al 20%, 50% y 100% del caudal de diseño, calcular la profundidad del agua a lo largo de la sección de la rápida en los puntos en los que se quiere verificar el flujo pulsante. • Determinar sL en los puntos que se realiza la verificación (sLi = E1 - Ei) • Calcular θ = arctg (sLi / Li-1) Diseño de estructuras hidráulicas de drenaje Gabriela Freites Gustavo Maldonado 82 • En los puntos a ser considerados calcular el número de Vedernikov (V) y el número de Montuori (M), siendo d el cociente entre el área y el ancho de boca y P el perímetro mojado. ⋅⋅⋅⋅θ =⋅⋅

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3 P g d cos V2bV ⋅⋅θ = g sL cos M² V² Cuando el número de Vedernikov (V) es menor que la unidad, cualquier onda en el canal se abatirá y el flujo puede ser estable. Pero cuando V es igual o mayor que la unidad, las ondas se amplificarán de tal manera que el flujo estable se volverá imposible, prevalecerá el flujo no permanente y se formarán ondas o remolinos. • Verificar los valores calculados con la figura siguiente y si alguno de los valores cae dentro de la zona de flujo pulsante, se deben verificar puntos intermedios para determinar el punto en el que las ondas comienzan a formarse. • Calcular el factor de forma para la sección de la rápida (d/P). • Graficar el valor calculado d/P vs. la pendiente de la línea de energía en la figura de la derecha. Zona con flujo pulsante Zona sin flujo pulsante 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 2,0

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4,0 6,0 8,0 Número de Montuori² (M²) Número de Vedernikov (V) Pendientes = tg θ d/P 0,0 0,0 0,1 0,2 0,1 0,2 0,3 0,4 Zona sin flujo pulsante metal corrugado hormigón Zona con flujo pulsante • Es poco probable que se generen ondas cruzadas en la estructura, salvo que los valores graficados caigan ambos dentro de la zona de flujo pulsante. 18. Diseñar las protecciones en el canal aguas abajo según se requiera. 3.5.5 3.5.6

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

87

2.1 2.1.1

 2.2 1.7

Sifones

2.2.1 2.2.2

2.2.3

2.1 Transiciones Las transiciones son estructuras que permiten empalmar canales de sección transversal diferentes en forma o en dimensión, o empalmar canales con estructuras hidráulicas (acueductos, canoas, sifones, alcantarillas, etc.), permitiendo un cambio gradual, tanto en las entradas como salidas de los canales o estructuras, para: a) b) c) d)

Permitir un flujo de agua de flujo subcrítico y laminar Reducir la pérdida de energía Reducir y/o eliminar la erosión del canal Reducir elevaciones en el espejo de agua, aguas arriba de las estructuras hidráulicas, reduciendo y/o eliminando el embalsamiento) e) Estabilizar el flujo a las estructuras adyacentes por el incremento de resistencia a la percolación. Las transiciones pueden abiertas como cerradas. Las transiciones cerradas se usan para disminuir las pérdidas de energía en estructuras de tuberías mediante la previsión de un cambio gradual adicional de la sección transversal rectangular a circular. Las transiciones abiertas pueden ser de concreto como de tierra. Las transiciones de tierra son usadas para transiciones de ancho de

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base, elevación o taludes. Las transiciones de concreto se usan para el ingreso y salida de cualquier obra hidráulica (U. S. Bureau of Reclamation, 1978). Las transiciones producen usualmente una aceleración gradual del flujo a la entrada y una desaceleración gradual a la salida; funcionan mejor cuando los tramos que se van a empalmar son de baja pendiente, con régimen subcrítico y laminar. En este caso las pérdidas hidráulicas por cambio de sección son relativamente pequeñas. Cuando la transición se coloca en tramos de alta pendiente, en régimen supercritico, 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 diseñar la transición con ayuda de un modelo hidráulico. 2.1.1Tipos de transiciones a) Transiciones de canales alineados: Las transiciones de concreto son las más comunes para estructuras en canales alineados, según U. S. Bureau of Reclamation (1978), son:  Alabeo con perfil hidrodinámico (que sigue las líneas de corriente sin remolinos),  Alabeo reglado, recto,  Espaldón quebrado (Broken-Back), esto de "quebrado" se refiere a la intersección de las superficies vertical con la inclinada en los lados de la transición. b) Transiciones para tuberías de cruce de drenaje: Estas transiciones permiten que la tubería de entrada sea rebajada, permitiendo una disminución de la superficie de agua requerida corriente arriba. La disminución de la superficie de agua minimiza las inundaciones y permite un mayor embalse. Las transiciones de concreto más utilizadas en este caso son las transiciones del tipo 1, tipo 2, tipo 3 y tipo 4. Se utiliza una transición tipo 1(quebrada o broken-back), cuando el canal natural tiene una sección transversal bien definida. Cuando el canal natural no es bien definido y relativamente ancho, son apropiadas transiciones tipo 2 y 3 o 4 (U. S. Bureau of Reclamation, 1978). c) Transición de canales trapezoidales a rectangulares Las estructuras de transición de un canal trapezoidal a uno rectangular pueden agruparse en tres tipos:   

Transición con curvatura simple Transición de forma cuña Transiciones con doble curvatura.

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

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BIBLIOGRAFIA AUTORIDAD NACIONAL DEL AGUA, MANUAL: CRITERIOS DE DISEÑOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HIDRICO DIRECCION DE ESTUDIOS DE PROYECTOS HIDRAULICOS MULTISECTORIALES Lima, Diciembre 2010 1. DOMINGUEZ FRANCISCO (1959) “Hidráulica”. Editorial Universitaria Chile. 2. FRENCH RICHARD (1988) “Hidráulica de Canales Abiertos”. Editorial Mc. Graw Hill. 3. TRUEBA SAMUEL. (1979) “Hidráulica”. Compañía Editorial Continental S.A. México. 4. VEN TE CHOW (1982) “Hidráulica de Canales Abiertos”. Editorial Diana. México. 5. VILLON MAXIMO (1985) “Hidráulica de Canales”. Editorial Horizonte Latinoamericano S.A. Perú 6. CHANSON H. (2002). “Hidráulica de Flujo en Canales Abiertos”. Ed. Mc Graw Hill. Colombia. 7. NOVAK P., MOFFAT, NALLURIC. (2001). “Estructuras Hidráulicas”. Mc. Graw Hill. Colombia. 8. HAESTAD METHODS STAFF (2002) “Computer Applications in Hydraulic Engineering”. HAESTAD METHODS. USA. HAESTAD METHODS, S. Rocky Durrans (2003) “Stormwater Conveyance Modeling and Design”, HAESTAD METHODS. USA. Manual de Estructuras Hidraúlicas Cooperación Técnica Peruano Holandesa 1986. Hidráulica de Canales Abiertos Ven Te Chow Obras Hidraúlicas Torres Herrera Irrigaciones Cesar A. Rosell Calderón (CIP) Manual de Diseño Hidraulico de Canales y Obras de Arte Elmer Garcia Rico. USBR, 1978

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Sotelo, Ávila, Gilberto, Hidráulica general. Fundamentos, Limusa, México, 1987.