CAÍDAS VERTICALES

2.1. GENERALIDADES

En este tipo de estructuras interesan las caídas verticales con

bloques de impacto en le poza de disipación más una barrera

transversal al final de la misma (sardinel); que sea adaptable a

grandes fluctuaciones del nivel, aguas abajo en el canal da salida, y

de fácil cálculo y construcción.

Las fluctuaciones del nivel aguas abajo ocurren con frecuencia en

canales de desagüe de escorrentías, generalmente de tierra y sin

ninguna estructura de control o en desagües naturales.

Para esta situación particular se describe un diseño general

desarrollado en el Laboratorio de Hidráulica de SAINT ANTHONY

FALLS SAF), Servicio de Investigación Agrícola de la Universidad de

Minnesota (5); igualmente se desarrolla la caída vertical con simple

poza de disipación y muros de mampostería. La caída vertical SAF se

adapta mejor a las fluctuaciones considerables del nivel de agua en el

canal de salida.

La sucesión de caídas verticales de poca altura o cascadas son

usadas en reemplazo de una solo caída vertical mayor, cuando hay

espacio suficiente para su desarrollo horizontal o el desnivel a salvar

es menos abrupto. Frente a la alternativa de usar varias caídas

sucesivas o una sola caída grande, se deben estudiar las condiciones

o requisitos para su aplicación en cada caso, la magnitud de la obra

comprometida, dificultad de ejecución y costos.

2.2. LA CAÍDA VERTICAL TIPO SAF (5)

A. Condiciones para su aplicaci6n: (Ver Fig. N° 3).

1. El diseño es aplicable a alturas de caída relativas

comprendidas entre 1.0 (ho/Yc) a 15 (ho/Yc) y a

anchuras de cresta (W) superiores a 1.5 Yc. Siendo:

ho, la distancia vertical entre la cresta (o borde superior

de la caída) y el piso de la poza de disipación.

Yc, el tirante o profundidad de agua crítico en la cresta.

2. La condición del flujo del agua tanto en el ingreso como

en la salida debe ser subcrítica*. Se logra modificar una

pendiente natural fuerte a otra suave utilizando caídas

ubicadas a ciertos intervalos y unidas por tramos de

canal con pendiente suave, de manera que no se

desarrollen flujos supercríticos*; este concepto general

es el que determina el uso da estas estructuras.

3. El canal de ingreso debe conectarse con la caída

mediante una transición, cuando la base del canal tiene

un ancho diferente al de la cresta de la caída.

4. La estructura es efectiva para caídas que no excedan los

5m y si as que existe suficiente tirante en el canal de

salida.

5. La sumergencia máxima permisible (s), es decir, la altura

de agua del canal de salida por encima de la cresta de la

caída, no debe exceder a 0.7 Yc.

6. La caída vertical SAF se adapta bien a las grandes

fluctuaciones del tirante de agua en el canal de salida.

7. Para flujos de aproximación cercanos al estado crítico, es

conveniente prever un sardinel transversal que

sobresalga del fondo del canal, a fin de producir una

contracción de fondo en el chorro vertiente, de modo

que se mejoren las condiciones de aereación en la parte

inferior del mismo. El cálculo del vertedero es similar a lo

indicado en 2.3 B, es decir que el ancho W debe

calcularas según:

en donde

Q = descarga en m3/seg.

= 0.55

W = ancho de la cresta en metros

H = carga de agua sobre la cresta en metros.

B. Procedimiento de diseño: (en relación a la Fig. N° 3)

1. Calcular el ancho da cresta W, según

, en donde

Q = descarga en m3/s

= 0.55

g = aceleración de la gravedad, 9.8 m/seg2

W = ancho de la cresta, m

H = altura de agua sobre la cresta, m

Y aumentar al valor de W un 10%, si existieran

contracciones laterales.

2. Calcular el tirante crítico Yc según las condiciones del

canal de ingreso (Fig. N° 4), hallando el factor

en donde Q es el caudal de diseño y “g” es la

aceleración de la gravedad (9.8 m/seg2).

Efectuar Z/b2.5, en donde “b” es el ancho del fondo del

canal y entrar al gráfico de la Fig. N° 4 para hallar el

valor Yc/b y luego despejar el valor de Yc.

3. Calcular el tirante mínimo necesario sobre el piso de la

poza de disipación que controlará el salto hidráulico:

4. Calcular el tirante de agua en el canal de salida, Y4,

según las características del canal. Usase el gráfico de la

Fig. N° 13, para el caso de flujo uniforme.

5. Determinar la cota del piso de la poza de disipación, cota

D; generalmente las cotas A y B son datos conocidos,

según la topografía local, por lo tanto:

Cota C = Cota B + Y4

Cota D = Cote C — Y3, y el desnivel del piso de la poza

con relación al piso del canal de salida será

c = Cota B — Cota D, o lo que es lo mismo,

c = Y3 — Y4

6. Determinar la altura total de caída, ho:

ho = Cota A — Cota D, y calcular el valor ho/Yc

7. Calcular h2, según:

h2 = ho — Y3 = ho — 2.15 Yc

y luego el valor h2/Yc.

8. Utilizando el gráfico de la Fig. N° 5, hallar el valor de

L1/Yc, y despejar el valor de L1. Nótese que en la Fig. N°

5 los valores relativos de h2/Yc negativos representan la

condición de que el nivel de agua en la poza está por

debajo da la cresta y por lo tanto no hay sumergencia.

Los valores positivos representan la condición de que el

nivel de agua en la poza sobrepasa la cresta, es decir,

que hay sumergencia, la cual no debe ser superior a 0.7

Yo.

9. Calcular L2 =0.8 Yc

10. Calcular L3 1.75 Yc

11. Calcular el largo total de la poza, =

12. Calcular dimensiones de los bloques y sardinel

transversal,

a = 0.8 Yc

f = 0.4 Yc

d = 0.4 Yc

13. Considerar la posibilidad de usar el o los sardineles

longitudinales, los cuales deben pasar a través de los

bloques y no entre éstos. Estos sardinales son

construidos con finas estructurales (caso de anchos

considerables) y no producen beneficio ni perjuicio

desde el punto de vista hidráulico.

14. Calcular la altura de borde libre b, por encima del nivel

de agua del canal de salida, b = 0.85 Yc

15. Proveer muros de ala a 45° con respecto al eje

longitudinal.

FIG. N° 3.- ELEMENTOS DE LA CAIDA VERTICAL TIPO SAF

FIG. N° 4.- CURVAS PARA DETERMINAR LA PROFUNDIDAD

CRÍTICA

FIG. N° 5.- CURVAS PARA DETERMINAR L1 DE LA CAÍDA

CERTICAL SAF

C. Ejemplo de Aplicación

Se desea trazar un canal de desviación cuya capacidad máxima

de conducción será de 1.62 m3/seg., habiéndose determinado

una sección revestida; trapezoidal con taludes 1:1, base de 1.0

m, profundidad total de 0.75 m. y con pendiente longitudinal S

= 0.007. Se determinó, del levantamiento topográfico de la faja

por donde se ubicará el trazo, que la pendiente del terreno es

de 0.05 (5 %), y que como es conveniente tener la caja del

canal excavada en corte, la excavación debería estar entra 2.00

y 0.60 m de profundidad, lo cual hace necesario ubicar caídas

verticales cada 32.5 m.

C1. Cálculos hidráulicos

1. Las características del canal de ingreso son iguales al de la

salida, después de la caída:

Q = 1.62 m3/seg. Y = 0.60 m

n = 0.025 S = 0.007

b = 1.0 m V = 1.69 m/seg.

, es decir el flujo es subcrítico.

Yc = 0.54 m

2. Calculamos el ancho de la cresta W, según

, hallando W = 2.15 m, que será necesario

aumentar en un 10% para contrarrestar las contracciones

laterales. Usaremos W = 2.40 m; por lo tanto será necesario

proveer una transición de ingreso con deflexión máxima 1:3.

(El tirante crítico se producirá aproximadamente a una

distancia de 3 a 4 veces Yc, aguas arriba de la cresta (9),

pero conservadoramente y para fines prácticos usaremos el

tirante crítico del canal, sin que haya diferencia significativa

entre ambos valores, para el cálculo de L1 en la poza do

disipación).

3. Tirante crítico del canal de ingreso;

Ancho del canal b = 1.00 m, b2.5 = 1

Entrando al gráfico de Fig. N° 4, Yc/b = 0.54, as decir

Yc = 0.54 m

4. Tirante mínimo necesario para controlar el salto hidráulico,

5. Y4 = tirante canal da salida = 0.60 m

6. Cálculo da la Cota de fondo D: (supongamos cota relativa B

= 100)

Desnivel al piso del canal, c = 100.00 – 99.44

c = 0.56 m

7. ho = Cota A – Cota D = 1.96m;     ho/yc = 3.63

8. h2 = ho – Y3 = 1.96 – 1.16 = 0.80m h2/Yc = 1.48

9. Con el gráfico de la Fig. N° 5, hallamos:

10.

11.

12.

13. Dimensión de los bloques y sardinel transversal:

a = 0.6 Yc = 0.43 m

f = 0.4 Yc = 0.22 m

d = 0.4 Yc = 0.22 m

14. Siendo el ancho W = 2,40 ni, no requiere sardinel

longitudinal.

15. Borda libre por encima del nivel da agua, b = 0.85

Yc = 0.46m

16. Proveer muros de ala a 45°.

FIG. N° 6.- CAÍDA VERTICAL SAF – EJEMP´LO DE

APLICACOIÓN 2-2-C

C.2. Dimensionamiento y detalles estructurales: (Fig. N°

6)

Para alturas de caídas no mayores que 2 m y gastos inferiores a

2 m3/s, se pueden usar los refuerzos, anchos de muro y dientes

de anclaje mostrados. Nótese que los muros laterales deben

tener tubos perforados de PVC con envoltura de grava – gravilla

- arena para contrarrestar la subpresión de la napa freática. El

número de tubos de drenaje está en función del largo de la

poza: 4 hasta longitudes de 2 m, 6 hasta longitudes de 3 m, 8

hasta longitudes de 4.5 m y 10 hasta longitudes da 5.5 m.

Para alturas de caídas mayores a 2 m se recomienda ensanchar

el espesor de los muros en 0.05 m por cada 1/2 metro de altura

adicional (espesor mínimo, 0.15 m). Por ejemplo para 3 m de

altura, el espesor de los muros sería 0.15 + 0.10 = 0.25 m.

Debe aclararse que un cálculo estructural específico, para

condiciones de terreno dadas, prevalecerá sobre una regla

práctica de carácter general. También es recomendable que

para los muros laterales cuya altura sea superior a los dos

metros se diseñen travesaños o tirantes que le den mayor

rigidez a la estructura.

Para otros detalles ver Anexo 1 “Información General para el

Diseño de obras Hidráulicas”.