caida 1

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA ACDEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

TITULOTRABAJO DE INVESTIGACOIN Y CAMPO

AUTOR:YAULLI COLONIA, MANUEL GUSTAVO

ASESORING. SALAZAR SANCHEZ, DANTE ORLANDO

CURSO:OBRAS HIDRAULICAS

NUEVO CHIMBOTE-PERU2015

INTRODUCCIN

Las alcantarillas son conductos que pueden ser de seccin circulares o de marco (cuadradas o rectangulares) usualmente enterradas, utilizadas en desages o en cruces con carreteras, pueden fluir llenas o parcialmente llenas dependiendo de ciertos factores tales como: dimetro, longitud, rugosidad y principalmente los niveles de agua, tanto a la entada como a la salida. Es as como desde el punto de vista prctico, las alcantarillas se han clasificado en funcin de las caractersticas del flujo a la entrada y a la salida de la misma. Segn las investigaciones de laboratorio, se dice que la alcantarilla no se sumerge si la carga a la entrada es menor que un determinado valor crtico denominado H, cuyo valor vara de 1.2 D a 1.5 D siendo D el dimetro o altura de la alcantarilla.Una alcantarilla tambin es un canal cubierto de longitud relativamente corta diseado para conducir el agua a travs de un terrapln (por ejemplo, carreteras, vas de ferrocarril, presas). Es una estructura hidrulica que puede conducir aguas de creciente, aguas de drenaje, corrientes naturales por debajo de la estructura de relleno en tierras o en rocas. Desde el punto de vista hidrulico, es importante si la alcantarilla fluye llena o no.Dentro de una alcantarilla son muy complicados los comportamientos del flujo, debido a que es controlado por muchas variables, incluidas la geometra de salida, la pendiente, el tamao, la rugosidad, las condiciones de profundidad de aproximacin y de salida, etc. La mayora de las alcantarillas se disean para operar con superficie libre, con condiciones de flujo subcrtico en el barril a fin de maximizar el caudal por unidad de ancho y reducir la seccin transversal del barril (y por consiguiente. su costo).El flujo aguas arriba y aguas abajo de la alcantarilla es de rgimen subcrtico. A medida que el flujo se aproxima a la alcantarilla, la construccin del canal (es decir la seccin de entrada) induce un incremento en el nmero de Froude. Para el caudal de diseo. El flujo se vuelve casi crtico en el barril. En la prctica, condiciones perfectas de flujo critico en el barril son difciles de establecer: se caracterizan por efectos de choques e inestabilidades de superficie libre.

Tipos de alcantarilla por el flujo a la entrada y a la salidaTipo I: Salida sumergida H* > D Yt > D Alcantarilla llena

La carga hidrulica H* a la entrada es mayor al dimetro D, y el tirante Yt a la salida, es mayor a D, en este caso la alcantarilla es llena: Luego:Tipo II: salida no sumergida

H > H* 1.2 H* 1.5 Yt < D Alcantarilla llena

Tipo III: Salida no sumergida H > H Yt < DParcialmente llena Tipo VI: Salida no sumergida H < H* Yt > yc Flujo subcrtico en la alcantarilla Tipo V: Salida no sumergida H < H* Yt < Yc Flujo subcrtico en la alcantarilla Flujo supercrtico en la salida Tipo VI: Salida no sumergida H < H* Yt < Yc Flujo supercrtico en la alcantarilla, Flujo supercrtico en la entrada en diseospreliminares rpidos se recomienda usar H* = 1.5 D Los tipos I y II corresponden a flujo confinado en tuberas y los otros tipos a flujo en canales abiertos.1.1.1. Finalidad y PropsitoEs una obra necesaria para permitir el acceso y la circulacin interna del flujo y externa de vehculos y animales. La solucin alternativa y ms costosa es la ejecucin de un puente de hormign armado. Un sistema de alcantarillado puede ser diseado para diversos propsitos: a.-Puede dejar pasar toda el agua que llega a la alcantarilla sin ningn tipo de retencin. b.-Puede restringir el paso del agua, dejando solo pasar un caudal mximo igual a su capacidad mxima. En estas condiciones la alcantarilla tambin cumple una funcin reguladora, por lo que esta opcin se aplica en obras de retencin con descargas semipermanentes. c.-Permite la instalacin de los instrumentos hidrulicos de aviso y control de escurrimientos, propios de las investigacin cientfica.1.1.2. Partes de una alcantarillaUna alcantarilla consta de 6 partes principales: 1. Bocatoma: entrada o abanico, ( inlet) 2. Barril: cuerpo central o garganta 3. Difusor: salida o abanico de expansin, ( oulet) 4. Batea: es el fondo del barril o cuerpo central. 5. Corona o Clave: es el techo del cuerpo central o garganta. 6. Muros Aleta: son los muros que permiten la transicin del flujo a la entrada y a la salida de la estructura de cruce.1.1.3. Clases de alcantarillaEl requerimiento del diseo de una alcantarilla tiene su origen en la necesidad de cruzar un torrente o para restituir parte del flujo de una ladera cortado por una va, es construido como un dren colector de descarga de aguas excedentes. Por ende las alcantarillas se clasifican segn la seccin geomtrica de su barril, la forma en que el agua fluye sobre la batea y por las obras auxiliares de entrada y salida del flujo a la estructura principal.1.2. Geometra de la seccin de una Alcantarillas (tipo circular o tipo cajn) Circular de Tubo. Rectangular o de Cajn. Esta eleccin va a depender de las condiciones geomorfolgicas del lugar y el hidrograma del Flujo. Por ejemplo una alcantarilla por debajo de un terrapln es una estructura larga, que opera llena(es decir como flujo en tuberas).en cambio una alcantarilla por debajo de un puente o plataforma de una carretera es una estructura corta de seccin rectangular que opera con flujo a superficie libre.1.2.1. Algunos tipos de Alcantarillasa.- Alcantarilla multicelda de cuatro cajones de seccin circular ms canal aliviadero y limpia

b.- Alcantarilla multicelda de tres cajones de seccin rectangular.

c.- Alcantarilla de seccin rectangular de dos cajones.

d.- Alcantarilla de seccin rectangular.

e.- Alcantarilla multicelda de dos cajones de seccin rectangular.

1.2.2. Flujo a travs de una AlcantarillaDentro de una alcantarilla son muy complicados los comportamientos del flujo, debido a que es controlado por muchas variables, incluidas la geometra de salida, la pendiente, el tamao, la rugosidad, las condiciones de profundidad de aproximacin y de salida, etc. Teniendo identificada la superficie de influencia, debe precisarse el hidrograma del flujo y con ste los caudales de recurrencia, sino existe registro o aforos, se recurre, para una primera aproximacin, a la conocida expresin genrica CiAQ =, donde: Q = Caudal descarga mxima de escorrenta. (m3/s) A = rea de la cuenca. (m2) I = Intensidad de la descarga (mm/h) C = Coeficiente de escorrenta; su valor est comprendido entre cero y uno y depende de la geomorfometra de la cuenca y de su cobertura. La mayora de las alcantarillas se disean para operar con superficie libre, con condiciones de flujo subcrtico en el barril a fin de maximizar el caudal por unidad de ancho y reducir la seccin transversal del barril (y por consiguiente. su costo). El flujo aguas arriba y aguas abajo de la alcantarilla es de rgimen subcrtico. A medida que el flujo se aproxima a la alcantarilla, la construccin del canal (es decir la seccin de entrada) induce un incremento en el nmero de Froude. Para el caudal de diseo. El flujo se vuelve casi crtico en el barril. En la prctica, condiciones perfectas de flujo critico en el barril son difciles de establecer: se caracterizan por efectos de choques e inestabilidades de superficie libre.Usualmente, el nmero de Froude en el barril se sita entre 0.7 y 0.9. Y el caudal por Unidad de ancho se acerca al mximo, tal como se muestra en la Tabla 5.1. Tabla 5.1: Tasa de flujo en el barril como funcin del nmero de Froude del barril (alcantarilla en cajn).

Donde: Qmax = caudal mximo por unidad de ancho; E = energa especfica en el barril, Fr= Nmero de Froude en el barril.

CAIDASLas cadas son estructuras que sirven para transportar el agua de un nivel superior a otro nivel inferior y que al hacerlo se disipe la energa que se genera. Existen de varios tipos y estos dependen de la altura y del caudal del agua que se transporta.Una cada por lo general consta de las siguientes partes: Transicin aguas arriba Entrada de la cada Longitud de transicin Cuenco disipador SalidaCada una de estas partes tiene sus criterios especiales para diseo.Las cadas son utilizadas ampliamente como estructuras de disipacin en irrigacin, abastecimiento de agua y alcantarillado y son tambin necesario en presas, barrajes y vertederos. Aparte de costo, que, evidentemente, ser un factor importante a la hora de disear, es necesario considerar los factores tales como: Facilidad de construccin y la disponibilidad de materiales.

Rendimiento en sistemas llevando sedimento, losdesechos y malas hierbas.

Capacidad de realizar otras funciones tales como puente.

Cuando el terreno natural, por el cual debe pasar un canal tiene una pendiente muy fuerte, para evitar velocidades excesivas debern proyectarse tramos de canal como pendientes suaves ligados por estructuras llamadas caidas.

Cuando el terreno presenta pendiente fuerte en una distancia relativamente corta resulta ms conveniente usar una rpida que es una estructura de mayor longitud aunque ambas cumplen la misma funcin que es la de disipar energa del agua evitando con eso la erosin y permitir velocidades bajas en el canal lo cual facilita la operacin.

En la siguiente tabla se dan los valores recomendables para la profundidad (p) y la longitud (l) del colchn amortiguador en funcin del ancho de la plantilla (b) y el desnivel (f).

DISEO DE CAIDAS VERTICALES

Las cadas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario efectuar cambios bruscos en la rasante del canal, permite unir dos tramos (uno 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. El plano vertical es un muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas ocasionan. La finalidad de una cada es conducir agua desde una elevacin alta hasta una elevacin baja y disipar la energa generada por esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una cada se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un canal. Una cada vertical est compuesta por:

Transicin a la entrada: es la que une por medio de un estrechamiento progresivo, la seccin del canal superior con la seccin de control.

Seccin de control, es la seccin correspondiente al punto donde se inicia la cada, cercano a este punto se presentan las condiciones crticas. La cada en s, la cual es de seccin rectangular y puede ser vertical o inclinada.

Poza o colchn amortiguador, es de seccin rectangular, siendo su funcin la de absorber la energa cintica del agua al pie de la cada.

Transicin de salida, une la poza de disipacin con el canal aguas abajo.

Las cadas se utilizan cuando determinados condicionantes, especialmente topogrficos, hacen aconsejable salvar desniveles ms o menos apreciables en sectores cortos del canal. Desde los puntos de vista hidrulico y constructivo, tales estructuras pueden agruparse en cadas inclinadas o rpidas, y en cadas verticales.Analizaremos las inclinadas, que en general se caracterizan por la configuracin del flujo que se mostrara en la figura N1, si el movimiento es subcritico, o, con menos frecuencia, por la indicada tambin en la figura, si el rgimen es supercrtico.

RAPIDAS

La topografa de las cuencas andinas exige en muchos casos la aplicacin de canales de elevada pendiente, que permiten superar diferencias de nivel importantes. En estos canales se desarrollaran grandes velocidades de flujo que debern ser reducidas por medio de disipadores de dimensiones no siempre posibles de ser conseguidas. Estos canales se denominan rpidas.

PARTES DE UNA RAPIDA

La transicin de entrada: transicin de flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo inclinado. Debe proveer un control para impedir la aceleracin del agua y la erosin en el canal. El control es logrado por la combinacin de una retencin, un vertedero o un control notch de entrada. La entrada usada deber ser simtrica con respecto al eje de la rpida, permitir el paso de la capacidad total del canal aguas arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuacin de las aguas del canal cuando la operacin de la rpida sea suspendida.

El tramo inclinado: con canal abierto, generalmente sigue la superficie original del terreno y se conecta con un disipador de energa en el extremo ms abajo.

Poza disipadora o salidas con obstculos: son usadas como disipadores de energa en este tipo de estructuras.

Una transicin de salida: es usada cuando es necesaria para conectar el flujo entre el disipador de energa y el canal aguas abajo. Si es necesario proveer el tirante de aguas abajo al disipador de energa, la superficie de agua en la salida debe ser controlada. Si se construye una transicin de salida de concreto y no hay control del flujo despus en el canal, la transicin puede ser usada para proveer el remanso elevando el piso de la transicin en el sitio de la ua.

Clculos hidrulicos de una rpida

1. Calculo del tirante critico en la seccin de control:

Para obtener este tirante, mediante la grfica 1 debe calcularse el factor de seccin Z.

Entrando en la grfica 1 con si es seccin rectangular o trapecial o con el valor si es circular siendo d el dimetro se obtiene o respectivamente de donde se despeja el valor del tirante critico Yc.

2. Clculo de la seccin de la rampa

Consiste en determinar las dimensiones de la seccin, esto se puede hacer aplicando la frmula de Manning, dado que la rampa es la parte que observe el desnivel por salvar conocemos su pendiente aproximada.

3. Calculo del perfil de la trayectoria

Para definir el perfil de la trayectoria usaremos un sistema de ejes como se muestra en la figura cuyo origen coindice con el final de la rampa.

La longitud horizontal (Xf) de la trayectoria se obtiene con la expresin:

Y pueden obtenerse una serie de puntos para trazar la curva parablica con la expresin:

Siendo en ambas expresiones S y V la pendiente y la velocidad correspondiente a la rampa.

4. Longitud y profundidad del colchn amortiguador.

Para determinar las dimensiones del colchn amortiguador debemos conocer las condiciones en que el agua llega al pie de la trayectoria es decir su tirante (d1) y su velocidad (V1).Estableciendo Bernoulli entre el inicio de la trayectoria y el final del plano 1.5:1 se llega a:

: Carga de velocidad al final del plano 1.5:1

: Carga de velocidad en la rampa.

d: tirante de la rampa

: Proyeccin vertical de la trayectoria

P: altura del plano 1.5:1

: Tirante

Suponiendo valores de (aproximadamente dc/3) se puede calcular V y comprobar el valor de mediante:

Hasta obtener el valor de Ya obtenido el valor lo que procede es obtener el tirante conjugado que forma el salto hidrulico. Esto se facilita usando la grfica N 2 que da la relacin de los tirantes conjugados entrando con el valor: