alcantarillas y sifones_final1

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MSc. Ing.JOSE ARBULU R. ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03 1. ALCANTARILLAS 1.1. GENERALIDADES Las alcantarillas son estructuras de cruce, que sirven para conducir agua de un canal o de un dren por debajo de un camino u otro canal. Cuando la altura y la descarga han sido determinadas, la finalidad del diseño es proporcionar la alcantarilla más económica, la cual será la que con menor sección transversal satisfaga los requerimientos de diseño. Las alcantarillas son conductos que pueden ser de sección circulares o de marco (cuadradas o rectangulares) usualmente enterradas, utilizadas en desagües o en cruces con carreteras, pueden fluir llenas o parcialmente llenas dependiendo de ciertos factores tales como: diámetro, longitud, rugosidad y principalmente los niveles de agua, tanto a la entada como a la salida. En muchos lugares, una alcantarilla corresponde a los requisitos estructurales e hidráulicos para el cruce de arroyo. La estructura adecuada debe ser elegida sobre la base de los siguientes criterios: Los costos de construcción y mantenimiento Riesgo de fracaso Riesgo de daños a la propiedad La seguridad del tráfico Consideraciones ambientales y estéticas La conveniencia de la construcción. Aunque el costo de alcantarillas individuales suele ser relativamente pequeña, el costo total de la alcantarilla con- construcción constituye una parte sustancial del costo total de la construcción de carreteras. Del mismo modo, el mantenimiento de la alcantarilla puede ser responsable de una gran parte del costo total de mantenimiento de las características hidráulicas de la carretera. Mejora del servicio de tráfico y coste reducido se puede lograr mediante una elección juiciosa de los criterios de diseño y una cuidadosa atención al diseño hidráulico de cada alcantarilla. Las alcantarillas se construyen a partir de una variedad de materiales y están disponibles en muchas formas diferentes y configuraciones. Al seleccionar una alcantarilla, lo siguiente debe ser considerado: Perfiles de Carreteras Características del canal Evaluaciones de daños por inundaciones Costos de construcción y mantenimiento Estimaciones de vida útil

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MSc. Ing.JOSE ARBULU R.

ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03

1. ALCANTARILLAS

1.1. GENERALIDADES

Las alcantarillas son estructuras de cruce, que sirven para conducir agua de un canal o de

un dren por debajo de un camino u otro canal.

Cuando la altura y la descarga han sido determinadas, la finalidad del diseño es

proporcionar la alcantarilla más económica, la cual será la que con menor sección

transversal satisfaga los requerimientos de diseño.

Las alcantarillas son conductos que pueden ser de sección circulares o de marco

(cuadradas o rectangulares) usualmente enterradas, utilizadas en desagües o en cruces

con carreteras, pueden fluir llenas o parcialmente llenas dependiendo de ciertos

factores tales como: diámetro, longitud, rugosidad y principalmente los niveles de agua,

tanto a la entada como a la salida.

En muchos lugares, una alcantarilla corresponde a los requisitos estructurales e

hidráulicos para el cruce de arroyo. La estructura adecuada debe ser elegida sobre la

base de los siguientes criterios:

Los costos de construcción y mantenimiento

Riesgo de fracaso

Riesgo de daños a la propiedad

La seguridad del tráfico

Consideraciones ambientales y estéticas

La conveniencia de la construcción.

Aunque el costo de alcantarillas individuales suele ser relativamente pequeña, el costo total

de la alcantarilla con- construcción constituye una parte sustancial del costo total de la

construcción de carreteras. Del mismo modo, el mantenimiento de la alcantarilla puede ser

responsable de una gran parte del costo total de mantenimiento de las características

hidráulicas de la carretera. Mejora del servicio de tráfico y coste reducido se puede lograr

mediante una elección juiciosa de los criterios de diseño y una cuidadosa atención al diseño

hidráulico de cada alcantarilla.

Las alcantarillas se construyen a partir de una variedad de materiales y están disponibles en

muchas formas diferentes y configuraciones. Al seleccionar una alcantarilla, lo siguiente

debe ser considerado:

Perfiles de Carreteras

Características del canal

Evaluaciones de daños por inundaciones

Costos de construcción y mantenimiento

Estimaciones de vida útil

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Según las investigaciones de laboratorio, se dice que la alcantarilla no se sumerge si la carga

a la entrada es menor que un determinado valor crítico denominado H, cuyo valor varía de

1.2 D a 1.5 D siendo D el diámetro o altura de la alcantarilla

1.2. TIPOS DE ALCANTARILLAS

1.2.1 Tipos de alcantarilla por el flujo a la entrada y a la salida

Tipo I: Salida sumergida

Figura 1

La carga hidráulica H* a la entrada es mayor al diámetro D, y el tirante a la salida, es

mayor a D, en este caso la alcantarilla es llena:

Luego: H* > D

> D

Alcantarilla llena

Tipo II: salida no sumergida

Figura 2

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H > H*

Yt < D

Alcantarilla llena.

1.2.2 Tipos de Alcantarillas por su capacidad

Alcantarilla de un tubo

Para caudales iguales o menores a 1.2 m3/s

Longitud de Transiciones

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 0.20m.

Longitud de protección

Diámetro interno mínimo

Alcantarilla de 2 tubos

Para caudales que oscilan entre 0.5 m3/s 2.2 m3/s

Longitud de las transiciones

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

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1.2 D.

Longitud de protección en la entrada

Longitud de protección en la salida

Diámetro interno mínimo

Alcantarilla de 2 ojos

Para caudales que oscilan entre 1.5 m3/s y 4.5m3/s

Sección del ojo = Ancho x Altura

Capacidad Máxima de la

Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de roca de

0.25 m. Longitud de las transiciones

b = plantilla del canal

Longitud de protección en la entrada

Longitud de protección en la salida

Diámetro interno mínimo

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Alcantarilla de 3 ojos

Para caudales que oscilan entre 2.3 m3/s y 10.5 m3/s

Sección del ojo = ancho x altura

Entrada y salida con protección de enrocado y con un espesor de la capa de roca

de 0.25 m.

Longitud de las transiciones

b = Plantilla del canal

Longitud de protección de la entrada

Longitud de la protección de la salida

Diámetro interno mínimo:

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TIPOS DE ALCANTARILLAS.

TIPOS SECCIÓN TRANSVERSAL MATERIAL USADO

TUBO SOLO O MULTIPLE

HORMIGÓN SIMPLE O

ARMADO, ARCILLA

VITRIFICADA, HIERRO

DE MOLDE.

ARCO DE TUBO SOLO O

MÚLTIPLE

MATERIAL

CORRUGADO

ALCANTARILLA DE CAJA SOLA

O MÚLTIPLE

HORMIGÓN ARMADO

ALCANTARILLA DE PUENTE

HORMIGÓN ARMADO

TIPO ARCO

METAL CORRUGADO ,

ARCO DE LA

ALBAÑILERÍA

COLLARINES PARA LOS TUBOS.

Estos se construyen cuando existe la posibilidad de una remoción de las partículas del suelo en los

puntos de emergencia y existe peligro de falla en la estructura por turificación. Debido al agua que

se mueve alrededor de la periferia del tubo en toda su longitud.

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DIMENSIONES

Ф Tubo h(m) e(m)

18¨ 1.52 0.15

21¨ 1.60 0.15

24¨ 1.68 0.15

27¨ 1.90 0.15

30¨ 2.13 0.15

36¨ 2.60 0.15

42¨ 2.82 0.20

48¨ 3.00 0.20

54¨ 3.50 0.20

60¨ 3.65 0.20

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1.3. CRITERIOS DE DISEÑO

o El diseño hidráulico de una alcantarilla consiste en la selección de su diámetro de

manera que resulte una velocidad promedio de 1.25m/s, en ciertos casos se suele dar a la

alcantarilla una velocidad igual a la del canal donde esta será construida, solo en casos

especiales la velocidad será mayor a 1.25m/s.

o La cota de fondo de la alcantarilla es la transición de entrada, se obtiene restando a la

superficie normal del agua, el diámetro del tubo, más 1.5 veces la carga de velocidad del

tubo, cuando este fluye lleno o el 20 por ciento del tirante en la alcantarilla.

o La pendiente de la alcantarilla debe ser igual a la pendiente del canal.

o El relleno encima de la alcantarilla o cobertura mínima de terreno para caminos

parcelarios es de 0.60m y para cruces con la panamericana es de 0.9m.

o La transición tanto de entrada como de salida en algunos casos, se conecta a la

alcantarilla mediante una rampa con inclinación máxima 4:1

o El talud máximo de camino encima de la alcantarilla no debe ser mayor a 1.5:1.

o El cruce de canales con camino, las alcantarilla no deben diseñarse en flujos

supercríticos.

o Se debe determinar la necesidad de collarines en la alcantarilla

o Normalmente las alcantarillas trabajan con nivel de agua libre, llegando a mojar toda su

sección en periodos máximos.

o Las pérdidas de energía máxima pueden ser calculadas mediante la fórmula:

o

o Donde los coeficientes de

Pe = Pérdidas por entrada

Ps = Pérdidas por salida

Pf = Pérdidas por fricción en el tubo

Va = Velocidad en la alcantarilla

El factor f de las pérdidas por fricción, se puede calcular mediante el diagrama de

Moody o por el método que más se crea conveniente.

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1.3.1. Selección del tipo de estructura.

a. Las alcantarillas se utilizan:

Cuando no se requieren hidráulicamente puentes.

Cuando son más económicos que un puente (incluidas las preocupaciones de barandas y

seguridad).

Y cuando son tolerables los desechos y el potencial de hielo.

b. Los puentes se utilizan:

Donde las alcantarillas no son prácticos.

Donde es más económico que una alcantarilla.

Para satisfacer los requisitos de uso del suelo.

Para mitigar el daño ambiental causado por una alcantarilla.

Para evitar usurpaciones de Cauce.

Para acomodar hielo y desechos grandes.

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1.3.2. Consideraciones hidráulicas.

El escurrimiento de una alcantarilla esta generalmente regulado por los siguientes factores:

Pendiente del fondo de la alcantarilla.

Pendiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo del lugar.

Tipo de entrada.

Rugosidad de las paredes de la alcantarilla.

Altura de ahogamiento permitido en la entrada.

Altura del remanso de salida.

Estos factores se combinan para determinar las características del flujo a través de una alcantarilla.

El estudio de los tipos de flujo a través de una alcantarilla ha permitido establecer las relaciones

existentes entre la altura de agua a la entrada de conducto, el caudal y las dimensiones de la

alcantarilla.

Para el diseño de una alcantarilla el proyectista deberá fijar:

El caudal de diseño.

La altura de agua permisible a la entrada.

La altura de agua a la salida

La pendiente con que se colocará el conducto.

• Su longitud.

• El tipo de entrada.

• Longitud y tipo de transiciones.

• La velocidad del flujo permisible a la salida.

1.3.3. Consideraciones de diseño

Las siguientes consideraciones para el diseño de una alcantarilla son proporcionadas por el

BUREAU OF RECLAMATION:

1. Las alcantarillas son diseñadas para una presión hidrostática interna mínima, es decir, el

gradiente hidráulico está un poco por encima de la parte superior del tubo y a veces

dentro del tubo mismo.

2. La elección del diámetro de la alcantarilla, se hace en función del caudal de tal forma que

no sobrepase la velocidad admisible, se puede usar la tabla 9.1.

Con la tabla 9.1 se puede definir el diámetro para:

Una velocidad máxima admisible de 1.06 mis (3.5 pies /s), para una alcantarilla con

transición en tierra, tanto a la entrada como para la salida.

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Una velocidad máxima admisible de 1.5 mis (5 pies/s), para una alcantarilla con

transición de concreto, tanto para la entrada como para la salida.

TABLA 9.1 DATOS PARA LA SELECCIÓN DEL DIÁMETRO DE TUBERÍAS

Transición de tierra

Transición de

concreto

Tuberías

Caudal (m3/s) Caudal (m3/s) Diámetro

(pulg.)

Diámetro

(cm)

Área

(m2)

0 - 0.076 0 – 0.110 12 30.48 0.073

0.077 - 0.112 0.111 – 0.173 15 38.10 0.114

0.113 - 0.176 0.174 – 0.249 18 45.72 0.164

0.177 – 0.238 0.250 – 0.340 21 53.34 0.223

0.239 - 0.311 0.341 – 0.445 24 60.96 0.292

0.312 – 0.393 0.446 – 0.564 27 68.58 0.369

0.394 – 0.487 0.565 - 0.694 30 76.20 0.456

0.488 – 0.589 0.695 – 0.841 33 83.82 0.552

0.590 – 0.699 0.842 – 1.000 36 91.44 0.656

0.700 - 0.821 1.001 – 1.175 39 99.06 0.771

0.822 – 0.954 1.176 – 1.362 42 106.68 0.894

0.955 – 1.096 1.363 – 1.563 45 114.30 1.026

1.097 – 1.246 1.564 – 1.778 48 121.92 1.167

1.247 – 1.407 1.779 – 2.008 51 129.54 1.318

1.408 – 1.578 2.009 – 2.251 54 137.16 1.478

1.579 – 1.756 2.252 – 2.509 57 144.78 1.646

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1.757 – 1.946 2.510 – 2.781 60 152.40 1.824

1.947 – 2.146 63 160.02 2.011

2.147 - 2.356 66 167.64 2.207

2.357 – 2.574 69 175.26 2.412

2.575 – 2.803 72 182.88 2.626

3. La máxima elevación del nivel del agua en la entrada de la alcantarilla es igual al diámetro

de la tubería más 1.5 la carga de velocidad en la alcantarilla es decir:

Dónde:

4. La pendiente mínima de la alcantarilla es de

5. Cobertura de tierra mínima entre la corona del camino y el tubo:

En carreteras principales y ferrocarriles coberturas mínimas de 0.90 m (3 pies).

En carreteras de fincas (parcelas) coberturas mínimas de 0.60 m (2 pies).

6. Talud a la orilla del camino: 1.5: 1

7. Las transiciones reducen las pérdidas de carga y previenen la erosión disminuyendo los

cambios de velocidad.

Las transiciones pueden hacerse de concreto, tierra y suelo - cemento.

Las transiciones de concreto son necesarias en los siguientes casos:

En los cruces de ferrocarriles y carreteras principales.

En las alcantarillas con diámetro mayor de 36 pulg. (91.44 cm).

En las alcantarillas con velocidades mayores de 1.06 mis (3.5 pies/s).

La pendiente máxima de la transición admite un talud de 4: 1

8. Collares que incrementan la longitud del movimiento del agua a través del exterior del

tubo.

9. Las pérdidas asumidas son de 1.5 veces la carga de velocidad en la tubería más las

pérdidas por fricción.

10. Para el cálculo de las perdidas en las alcantarillas funcionando llena, se puede usar la

siguiente formula, en el sistema métrico decimal:

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Dónde:

= carga, en m.

=coeficiente de pérdidas a la entrada.

D = diámetro de la tubería, en m.

n = coeficiente de rugosidad.

L = longitud de la alcantarilla, en m

Q = caudal, en m3/s

Se han determinado valores experimentales de K, para las diferentes condiciones de la entrada,

los cuales varían en la forma que se indica:

TIPO DE ENTRADA VARIACIÓN PROMEDIO

Para entradas con aristas rectangulares

instaladas al ras en los muros de cabeza

verticales.

0.43 – 0.70

0.50

Para entradas con arista redondeadas

instaladas al ras en muros de cabeza verticales

0.08 – 0.27

0.10

Para tubo de concreto de espiga o de campana

instalado al ras en el muro de cabeza vertical.

0.10 – 0.33

0.15

Para tubos de concreto salientes con extremos

de espiga o de campana.

------

0.20

Para tubos de acero o de metal ondulado.

0.5 – 0.9

0.85

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2. SIFONES

1.1. GENERALIDADES

Un sifón es un tubo continuo que permite que el líquido drene desde un reservorio a

través un punto más alto que el propio reservorio intermedio, el flujo siendo

impulsado sólo por la diferencia de presión hidrostática sin necesidad de bombeo.

Es necesario que el extremo final del tubo sea inferior a la superficie del líquido en el

reservorio.

La entrada del tubo forma un vacío y extrae el agua a través de la tubería, en un

ascensor designado, y descarga el agua a una ubicación por debajo del nivel de agua

original.

VENTAJAS DEL SIFÓN

Sifones son económicos, de fácil construcción, y han demostrado ser un medio

confiable de transporte de agua.

Generalmente, los materiales son de mayor disponibilidad que las bombas y el

mantenimiento asociado con un sifón en ejecución activa puede ser inferior a un

sistema de bombeo. Aparte de la construcción inicial del sifón, menos personas

pueden ser necesarios para mantener la estructura mientras se está moviendo el

agua.

Los materiales son a la vez rentable y reutilizable en el caso de una situación de

emergencia que requiera la reducción reservorio vuelva a ocurrir en el futuro.

Finalmente, no se requiere ninguna fuente de energía para hacer funcionar un

sifón correctamente instalado una vez en funcionamiento.

DESVENTAJAS DEL SIFON

Las principales anomalías y problemas de funcionamiento que puedan surgir se

realizan durante la puesta en marcha o el funcionamiento normal de un sifón

invertido.

Presencia de aire: la presencia de aire en un conducto presurizado puede

impedir, total o parcialmente, el paso del agua, comprometiendo el

funcionamiento normal. Conociendo el posible mal funcionamiento debido a la

presencia de aire, menciona un sistema para ser instalado en la parte inferior del

sifón con el fin de permitir que el aire salga si es necesario.

Presión hidrostática: roturas de tuberías debido a la presión hidrostática se

pueden evitar usando tubos hechos con materiales adecuados y un espesor

corroído. El uso de los sifones multitramo también es útil para reducir la presión

en las tuberías.

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ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03

COMPONENTES DEL SIFON

Los componentes incluyen el material de la tubería y el tipo, salida de obras,

accesorios, y la ventilación.

Materiales de tubería:

Es especialmente importante que el tubo seleccionado puede soportar las

presiones de vacío negativos de un sifón.

El material de la tubería como el aluminio o de plástico de paredes delgadas

sólo debe utilizarse con precaución y sólo en aplicaciones con elevación

mínima. La disponibilidad local será a menudo un factor determinante para

que el material a utilizar.

Puede ser más económica y oportuna para utilizar varios tubos de menor

diámetro en lugar de una tubería de gran diámetro.

Entrada:

La entrada de un sifón debe estar configurado para evitar la entrada de aire en

la tubería. Si el nivel de agua está dentro de los dos pies de la entrada, el aire

puede ser introducido en el sistema con la creación de un vórtice.

Una solución utilizada para tratar esta condición es colocar una pieza plana de

madera contrachapada encima de la entrada para servir como un "deflector

anti-vórtice".

Una rejilla de escombros puede ser necesaria para evitar que los desechos

grandes entren en la tubería.

Salida:

Para que el sifón pueda funcionar de manera óptima, la salida debe ser

sumergido para evitar el arrastre de aire en el sifón.

Una cuenca de inmersión puede ser un lugar ideal para ubicar la salida del

sifón. Cuanto mayor es la profundidad del agua sobre la salida, menos

probabilidad de arrastre de aire en la tubería.

Para cebar el sifón, ambos extremos de la tubería de sifón deben estar

cerrados y se necesita un ajuste en la parte superior del sifón para llenar el

tubo desde arriba.

Para cerrar los extremos de la tubería, se recomienda instalar una válvula de

compuerta.

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ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03

1.2. TIPOS DE SIFONES

SIFON “NORMAL”

Compuesto por un tubo en forma de U invertida o conducto cerrado que están

llenos o preparados para permitir que la presión atmosférica fuerce el agua

desde un reservorio y a través de una presa de terraplén y por el otro lado de la

tubería.

El tubo o conducto está diseñado para funcionar completa y bajo un diferencial

de presión.

La entrada del tubo forma un vacío y extrae el agua a través de la tubería, en un

ascensor designado, y descarga el agua a una ubicación por debajo del nivel de

agua original.

El sifón sacará el líquido fuera del reservorio hasta que el nivel cae por debajo de

la ingesta o hasta que la salida del sifón es igual al nivel del reservorio

Para el agua a presión atmosférica normal, la altura del sifón máximo es de

aproximadamente 10 metros.

Por supuesto, a 10 metros es un valor teórico que no tiene en cuenta las

condiciones reales en las fricciones que el valor sea menor debido a las pérdidas

de carga. Por otra parte el buen funcionamiento del sifón también se ve

afectada por la presión de aire, por lo tanto según la altitud: el funcionamiento

disminuye con un aumento de la altitud.

Leyenda:

A = reservorio

B = conducta en contra - la presión

C = punto de llenado y respiradero

D = tanque de almacenamiento

H = altura a la que el agua es elevada

Ah = diferencia entre la superficie del agua en el reservorio y el extremo final

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SIFÓN INVERTIDO

El sifón invertido, llamado así porque se presenta una concavidad opuesta con

respecto al sifón, se caracterizan por:

se utilizan para transportar el agua a través de una depresión natural, bajo una

carretera, o en virtud de un canal.

Sifones son generalmente hechas de tubos de hormigón circular o PVC, que

conecta dos canales en series.

Cuando va a través de una depresión, el sifón debe estar completamente

enterrado, por lo general con un mínimo de aproximadamente 1 m de la

cubierta

Diametro tuberia

Velocidad (m/s)

120 1

200 1.5

250 1.55

300 1.6

400 1.7

450 1.8

500 1.9

600 2.2

800 2.4

1000 2.6

1200 2.6

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Los sifones son como las alcantarillas, pero en lugar de que desciende de

entrada a la salida, se inclinan hacia abajo, luego de vuelta hasta la salida

Algunos sifones tienen múltiples tuberías en paralelo; Por ejemplo, cuando la

capacidad de flujo original aumenta.

Los sifones pueden ser muy problemático con agua cargada de sedimentos

debido a los sedimentos puede tender a depositar en el punto más bajo (s)

Leyenda:

A = cuenca de entrada o depósito de compensación

B = presión del conducto por tubería

C = cuenca de salida o depósito receptor

Ah = diferencia entre el depósito de cabecera y el tanque receptor

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1.3. CRITERIOS DE DISEÑO

Componentes estructurales de Sifones

1. Tubería

La mayoría de los sifones se construyen a partir

de prefabricado tubería de concreto (PCP),

reforzado con acero de diámetros mayores

Clase cabeza tubería de concreto puede subir a

200 pies (86 psi) o más

Tubo de cilindro de hormigón pretensado tiene

alambre de acero envuelto alrededor de la tubería

con una capa de mortero

Tubos de hormigón pretensado se utiliza

normalmente en grandes sifones (más de 10 pies

de diámetro), con longitudes de 20 pies, y

colocado en zanja con un vehículo especial.

2. Las transiciones

Las transiciones para sifones son las estructuras de entrada y salida

La mayoría de los sifones tienen estructuras de entrada y salida para reducir la

pérdida de carga, prevenir la erosión y tuberías, y mantener la inmersión ("sello

hidráulico")

Puede ser muy peligroso para omitir las estructuras de entrada y salida, ya que

estos lugares están a menudo en taludes empinados que erosionar muy

rápidamente en caso de incumplimiento o de desbordamiento

Un aliviadero de emergencia a veces se encuentra justo arriba de una entrada

del sifón

Las transiciones en sifones más pequeñas pueden ser del mismo diseño en la

entrada y la salida, y los diseños estándar se puede utilizar para reducir los

costos

Con sifones más grandes, puede ser deseable hacer un diseño de transición

"específica de sitio", posiblemente con diferentes diseños para la entrada y

salida

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3. Compuertas y Controles

Las Compuertas y controles se pueden instalar:

a la entrada de un sifón para controlar el nivel del agua aguas arriba

a la salida de un sifón para controlar la inmersión aguas arriba

El funcionamiento de una compuerta a la entrada de un sifón puede garantizar

la estanqueidad hidráulica, pero no va a garantizar el flujo de tubo lleno en la

sección de descenso (s) de tubería a las descargas por debajo del valor de

diseño

No es común instalar una compuerta a la salida de un sifón (esto nunca se hace

en diseños USBR)

4. Collares

Los collares se pueden utilizar, como con alcantarillas, para evitar la "tubería" y

el daño debido a la madriguera de animales

Sin embargo, con Los sifones no siempre son necesarias porque las estructuras

de entrada y salida deben ser diseñados y construidos para dirigir toda el agua

en la entrada y salir toda el agua en el canal de aguas abajo

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ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03

DISEÑO DE SIFONES

SIFONES NORMALES

Los mayores desafíos con diseño sifón, todos se relacionan con las elevaciones de la tubería

del sifón. Lo más importante son la elevación, coronación de la presa en relación con elevación

mínima superficie del agua. Si esta diferencia de altura es demasiado grande, el sifón no

funcionará.

El funcionamiento del Sifón de se basa en la presión

atmosférica, levantar el agua hasta el sifón, se limita a la

diferencia de elevación que produce la vaporización de

agua. Si la elevación es demasiado grande, el agua se

evaporará, lo que resulta en la incapacidad para crear un

efecto de sifón y puede incluso causar el colapso del tubo.

Al decidir si un sifón funciona para el sitio la ecuación más

importante a entender es la elevación de ecuaciones Máxima del sifón.

Para determinar si las elevaciones en el sistema son apropiados para el diseño de sifón, la

primera medición que se debe tomar es la diferencia de la elevación coronación de la presa

(DCE) para la elevación mínima superficie del agua del depósito (RWS). La Figura 5 muestra la

ubicación de la RWS y DCE.

Este valor se puede utilizar para determinar si un sifón es factible hidráulicamente en el sitio

de acuerdo con la de ecuaciones elevación máxima de sifón.

Si la coronación de la presa es

demasiado alta en comparación con la

elevación de las aguas superficiales,

considere cavar una muesca temporal

en la coronación de la presa para

reducir la elevación requerida.

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ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03

Haciendo muescas en la cresta de una presa para reducir elevación para el sifón

Esta ecuación se basa en la presión atmosférica a nivel del mar. Tenga en cuenta que la presión

disminuye el vapor de agua con el aumento de la elevación.

Es importante tener en cuenta que la elevación de la superficie reservorio cambia a medida

que el sifón atrae hacia abajo del agua.

A medida que el nivel de agua disminuye, la distancia vertical desde el nivel del agua a la parte

superior del terraplén se incrementará.

Esta ecuación, conocida como la de predicción del Caudal del Sifón y es una variación de la

ecuación de Bernoulli simplificada para tener en cuenta las aplicaciones de sifón típicos para

agua limpia.

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donde :

λ = factor de fricción = 0,02 (tubos de acero)

1 = longitud del sifón, m

d = diámetro del sifón, m

Σ k = todos los coeficientes de pérdida local a lo largo del sifón

Diametro tuberia

Velocidad (m/s)

120 1

200 1.5

250 1.55

300 1.6

400 1.7

450 1.8

500 1.9

600 2.2

800 2.4

1000 2.6

1200 2.6

TIPO DE SIFON Diametro (mm) Longitud (m) Caudal (m3/s)

Pequeño, móvil 25-120 < 5 0.00025 - 0.015

Mediano, Semi estable 120-200 < 10 0.015 - 0.050

Largo, Estable 200-1200 < 100 0.050 - 3.10

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SIFONES INVERTIDOS

El diseño de sifones tiene muchas similitudes con el diseño de alcantarillas; Sin

embargo, a diferencia del proyecto de alcantarillas:

1. Los sifones son generalmente diseñados para el flujo de tubería completa

2. Los sifones son generalmente diseñados para reducir al mínimo la pérdida de carga

3. Los sifones llevan el agua hacia abajo y luego la copia de seguridad

Los diseños de sifón son generalmente para una vida útil de 50 años asumido

1. Límite de Velocidad de tuberías

Según el USBR, las velocidades de tubería al momento del alta de diseño debe

estar entre 3,5 y 10 fps

Recientes diseños USBR han llamado principalmente para la velocidad de 8 fps

Muchas pequeñas alcantarillas están diseñados para 10 fps

En general, las velocidades de tubería inferiores están muy bien para los

pequeños sifones, pero en una gran capacidad y sifones o largas es justificable

para diseñar para velocidades más altas

Los sifones largos pueden costar mucho menos aún con un tamaño ligeramente

más pequeño de tubería

2. Las pérdidas de carga

Las alcantarillas se diseñan generalmente para el flujo de tubo lleno de entrada

a la salida (la salida está siempre sumergido casi, y es muy poco probable que el

flujo de canal abierto prevalecería en todo el sifón - el cambio en la elevación

suele ser demasiado grande)

Pérdida de carga total es la suma de: entrada, salida, tubería, y las pérdidas de

carga menores

La mayor parte de la pérdida en un sifón es de fricción en la tubería.

Pérdidas de corriente son típicamente alrededor del doble de las pérdidas de

entrada

Pérdidas menores en curvas de tubo son generalmente insignificantes

La mayoría de los sifones están diseñados para transportar el caudal de diseño

completo sin causar un perfil "M1" (de remanso) en el canal ascendente para

lograr esto, es importante calcular cuidadosamente las pérdidas de carga

Si la pérdida de carga total de sifón en la descarga de diseño sobrepasa el

cabezal disponible (diferencia en elevaciones del canal aguas arriba y aguas

abajo y profundidades de agua) el sifón funcionará a una descarga inferior y

hacer que el nivel de agua aguas arriba aumente.

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Un salto hidráulico en la parte descendente de la (lado aguas arriba) de sifón

aumentará en gran medida la pérdida de carga, y puede causar problemas de

creciente y "vuelta de soplo"

La vuelta de soplo ocurre cuando el aire es arrastrado en el agua debido a un

salto hidráulico en la tubería, o debido al movimiento de un salto hidráulico

dentro de la tubería; agua y aire surgen periódicamente hacia atrás a través de

la entrada.

3. Sello hidráulico

El "sello hidráulico" es el mínimo requerido cabeza aguas arriba, con relación al

borde superior del tubo de sifón en la entrada del sifón, para evitar el arrastre

de aire en esa ubicación

El sello hidráulico recomendado por el USBR es igual a 1.5Δhv, donde Δhv es la

diferencia en las cabezas de velocidad en el canal abierto de aguas arriba y en la

tubería (cuando fluye completo)

Para un valor más conservador del sello hidráulico, use un tubo de 1,5 h, donde

h es la de tubería carga de velocidad en el tubo de sifón cuando fluye completo.

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4. Fases del Diseño

Determinar la ruta que seguirá el sifón

Determine el diámetro de la tubería requerida de acuerdo con la aprobación de

la gestión del diseño y de la velocidad permitida

Determinar los tipos de estructuras de transición apropiadas a la entrada y

salida, o transiciones de diseño personalizados para la instalación en particular

Diseñar la disposición de sifón según el terreno existente y la propuesta (o

existente) elevaciones del canal a la entrada y salida

Determinar los requisitos de presión de la tubería de acuerdo a la cabeza (en el

punto más bajo) durante la operación

Determinar la pérdida de carga total en el sifón en la descarga de diseño

Si la pérdida de carga es demasiado alto, elegir un tubo más grande o diferente

material de la tubería; o, considerar ajustar las elevaciones del canal a la entrada

y salida.

CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO HIDRÁULICO

El perfil de sifón se determina para satisfacer ciertos requisitos de cobertura, las

pendientes, ángulos de curvatura, y sumersión de entrada y salida del sifón.

Sifón requisitos de cobertura son (Aisenbrey, et al., 1974):

1) todos, los sifones cruzan debajo de caminos distintos a caminos agrícolas y los

sifones que cruzan bajo ferrocarriles, deben tener siempre un mínimo de (0.91 m)

de la cubierta de tierra.

Los caminos agrícolas requieren sólo (0,61 m) de la cubierta de tierra y están con frecuencia en

rampa usando 10-1 pendientes (el 10 por ciento de grado) cuando sea necesario para

proporcionar los requisitos mínimos de cobertura.

Si existen cunetas de carreteras y se extendieron por el sifón, la distancia mínima de la zanja a

la parte superior de la tubería debe ser (0,61 m).

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2) En sifones que cruzan bajo los canales de descarga de cruz, un mínimo de (0.91 m) de la

cubierta de la tierra debe siempre menos que los estudios indican una mayor cobertura se

requiere debido proyectadas retrocesos futuros del canal.

3) En los sifones que cruzan bajo un canal de tierra, un mínimo de (0.61 m) de la cubierta de la

tierra debe proporcionar.

4) En sifones que cruzan bajo un canal revestido, un mínimo de (0,15 m) de la cubierta de

tierra debería proporcionar entre el revestimiento de los canales y la parte superior del sifón.

Anchos de calzada y taludes en carreteras y ferrocarril que cruzan con un sifón

deben coincidir con anchos existentes carreteras y taludes laterales, o según se

especifique lo contrario.

Por lo general, las velocidades deben variar desde (1,07 m / s) a (3,05 m / s), en

función de cabezal disponible y las consideraciones económicas (Aisenbrey, et al.,

1974).

Los siguientes criterios de velocidad se pueden utilizar en la determinación de las

dimensiones del sifón:

1. (1,07 m / s) o menos durante un tiempo relativamente corto con sólo transiciones de

tierra proporcionada en la entrada y salida.

2. (1,52 m / s) o menos durante un tiempo relativamente corto sifón, ya sea con una

transición concreto o una estructura de control proporcionada en la entrada y una

transición de concreto proporcionada en la salida.

3. (3,05 m / s) o menos para un tiempo relativamente largo, ya sea con una transición

concreto o una estructura de control proporcionada en la entrada y una transición de

concreto proporcionada en la salida.

Para evitar sedimentaciones, la velocidad mínima que se considera (0,6 m / s).

Para las descargas hasta aproximadamente (2,5 m3 / s), tubos pueden ser usados,

pero para ampliar las descargas se prefiere una sección rectangular, (Jawad,

Kanaan, 1983).

En zonas de ladera donde la pendiente de la alcantarilla espera que sea

relativamente empinada y el flujo a través de la alcantarilla ganancias de energía

considerable, las tuberías de acero corrugado ofrecen ventajas de disipación de

energía. En terrenos planos, la pérdida de energía a través de una alcantarilla no es

deseable; Por lo tanto, tuberías de concreto son más adecuados (Simon, 1997). Para

propósitos de diseño en Irak, las tuberías de concreto y acero se consideran con

coeficiente de rugosidad (n) igual (0.014) y (0.01) respectivamente (Jawad, Kanaan,

1983).

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PÉRDIDAS DE CARGA DE SIFÓN INVERTIDO

Las pérdidas totales de cabeza igual a la suma de la fricción, entrada, salida,

pantallas, codos, transiciones y codos pérdidas. La pérdida de carga total mínima

para sifones invertidos es (0,2 m) (Jawad, Kanaan, 0.1983). Las pérdidas por sifón

pueden calcular utilizando la siguiente fórmula (Garg, Santosh, 1978):

(

)

(4)

Una breve discusión sobre estas pérdidas puede ilustrarse de la siguiente manera:

LAS PÉRDIDAS DE FRICCIÓN

Las pérdidas por fricción a través de los barriles de sifón pueden calcular utilizando

la siguiente fórmula.

(

)

(5)

Dónde

(6)

Dónde se pueden tomar los valores de a y b para diferentes materiales como se indica en la

Tabla.

Materiales de la superficie a b

Tubería de hierro liso 0.00497 0.025

tubería incrustada 0.00996 0.025

Yeso de cemento liso 0.00316 0.030

Sillares o ladrillos 0.00401 0.070

Mampostería de piedra 0.00507 0.250

Los valores de a y b para diferentes materiales.

ENTRADA Y SALIDA PÉRDIDAS

Las pérdidas de entrada pueden calcular a partir de la siguiente ecuación (Jawad,

Kanaan, 1983):

(7)

Dónde:

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K1: coeficiente de entrada, que obtiene a partir de la siguiente tabla.

Pérdidas de salida puede calcular a partir de la siguiente ecuación (5):

(8)

K2: coeficiente de salida que toma como 1,0 para la mayoría de salidas.

Descripcion K1

entrada canteada 0.5

entradas redondeadas, radio r, donde r / D ≤0.15 0.1

tuberías acanaladas finalizados 0.15

proyección de tubos de concreto 0.2

proyección de tubos de acero 0.85

Coeficiente de entrada [5].

CODOS Y PÉRDIDAS DE CODOS

Queda ahora a considerar el efecto de los codos y curvas, en la descarga del sifón.

Las pérdidas en un codo o una curva en una tubería parecen ser debido a la

circulación secundaria y a la contracción del caudal, que se producen, en, e

inmediatamente aguas abajo de, la causa de la perturbación.

Weisbach proporciona la siguiente fórmula para la pérdida de carga en los codos.

Dónde:

Según esta teoría, si el radio de curvatura R no cambia, la longitud ℓb de la parte

doblada de la tubería, y θ ángulo, tienen muy poco efecto (si lo hay) en la pérdida

total de la cabeza atribuible a la curva. Por consiguiente, la fórmula fue como sigue

(Leliavsky, Serrge, 1979).

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Donde:

( (

)

)

D: Diámetro de la tubería.

PÉRDIDAS DE TRANSITION

Una transición de canal se puede definir, como cambio local es sección transversal,

que produce una variación en el flujo de un estado uniforme a otro. En muchas

estructuras hidráulicas la razón principal de constricción del flujo en la entrada

consiste en reducir, los costos de construcción de la estructura y en algunos casos

se pueden proporcionar un dispositivo conveniente para la medición de las

descargas en el cuerpo principal de la estructura. Es importante que las transiciones

hacia y desde las estructuras se diseñan adecuadamente cuando las pérdidas de

carga son críticos. Las transiciones pueden servir para varias otras funciones, a

saber:

1- Para reducir al mínimo la erosión del canal.

2- Incrementar la ruta de filtración y proporcionar así seguridad adicional contra la tubería.

3- Para conservar el terraplén en los extremos de las estructuras.

Todas las transiciones se pueden clasificar ya sea como entrada (contracción) o de

salida (de expansión) de transición.

Pérdidas de expansión y contracción pueden encontrando entre las siguientes

ecuaciones (Jawad, 1983):

(Para estructuras del canal)

(Para estructuras del canal)

(Para las estructuras de drenaje)

(Para las estructuras de drenaje)

Dónde:

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Kex y Kcon: son el coeficiente de dilatación y contracción respectivamente, que

pueden obtenerse de la Tabla (5) en función de los valores de descarga (en función

de la referencia de [5]).

Seccion del sifón Descarga

m3/s Kex Kcon

Rectangular 2.5 – 5 0.6 0.3

> 5 0.2 0.1

Tuberia <0.5 1.0 0.5

0.5 – 2.5 0.7 0.4