Diseo Hidrulico De Acueductos

Criterios De Diseo:

1.- Estas obras constan de transicin de entrada y transicin de salida, siendo siempre rectangular la seccin de la canoa.

2.- La energa de la canoa debe ser en lo posible igual a la energa del canal, para lo cual se trata de dar velocidad en la canoa igual a la del canal, desprecindose las prdidas de carga en este caso, normalmente suele drsele a las transiciones, ngulos de 1230.

3.- La pendiente en la seccin de la canoa, debe ajustarse lo ms posible a la pendiente del canal a fin de evitar cambios en la rasante de fondo del mismo.

4.- Normalmente se aconseja disear considerando un tirante en la canoa igual al del canal, si el caso lo permite.

5.- La condicin de flujo en la canoa debe ser subcrtico.

Ejemplo de Diseo

Calculo Del Diseo Hidrulico De Un Acueducto:1.-Caractersticas Del Canal Principal:Hidrulicas: Geometra:Q = 1.50 m3/s B = 3.30mY = 0.987m b = 0.80mA = 1.764m2 H = 1.25mP = 3.592m Z = 1.00R = 0.491m e = 0.075mV = 0.85m/sS = 0.0005n = 0.016

2.- Tramo A Disear:El tramo a disear y ser calculado empieza de la progresiva KM 03 + 624 hasta KM 03 + 700. la longitud de tramo ser de 76.00m.

3.- Calculo Del Acueducto:

3.1.- Calculo de la seccin del flujo en el acueducto:V = 1.00m/s; Q = 1.50m3/sA = Q / V A = 1.50 / 1.00 = 1.50m2A = b*y b (asumido) = 1.20m = y = 1.25m

3.2.- Calculo del tipo de flujo en el acueducto: -Caudal unitario (q ): q = Q / bq = 1.50 /1.20 = 1.25m3/s/m-Tirante critico (Yc) Yc = 3 q2/gYc = 3 1.252 / 9.8 = 0.54m-Velocidad critica (Vc) V = Q / Ac ; Ac = b*YcV = 1.50 / 0.65 = 2.31m/s si Yc < Yn y Vc > Vn tipo de flujo subcritico

3.3.- Calculo De La Longitud De Transicin:Lt = (T1 T2) / 2tg 12 31T1 = 2.77m ; T2 = 1.20mLt = (2.77 1.20) / 2tg 12 31 = 3.54m Lt = 4.00m-Nueva progresiva (KM)Progresiva inicial = KM 03 + 620Pogresiva final = KM 03 + 704

3.4.- Calculo Del Dimensionamiento Longitudinal Del Acueducto: Determinacin de cotas:Cota inicial = 238.51 en la progresiva KM 03 + 620Cota final asumida = 238.41 en la progresiva Km 03 + 624 (cota de inicio del acueducto)

3.5.- Anlisis Hidrulico.-Segn Bernulli

Y3 Y4Y1 Y2

4132

3.6.- Balance De Energa Entre 1 Y 2E1 = E2 + perdidas de cargaE1 = Cf1 + y1 + V12/2gE1 = 238.51 + 0.987 + 0.852/19.6 E1 = 239.53Perdida de carga = 0.20*(V22 V12)/2gPc = 0.20*(V22 0.007)E2 = Cf2 + y2 + V22/2g = 238.41 + y2 + V22/2gReemplazando en Bernulli239.93 = 238.41 + y2 + V22/2g + 0.20*(V22 0.007) 1.127 = y2 + 1.502/1.2*y22*19.6Por tanteos:y2 = 1.038mA2 = 1.20*1.038 = 1.25m2V2 = 1.50 / 1.25 = 1.20m/sE2 = 239.521

3.7.- Determinacin De La Pendiente Del Acueducto (S)S = (Vn/R2/3 )2S = (1.20*0.016/0.3822/3)2 = 0.0013A2 =1.25P2 = 3.276R2 = 0.382S = 0.0013

3.8.- Cota De La Plantilla En 3:Cf3 = Cf2 S*LCf3 = 238.41 0.0013*76Cf3 = 238.311

3.9.- Balance de energa entre 2 y 3:E2 = E3 + perdidas por friccinE2 = 239.521E3 = Cf3 + y3 + V32/2gE3 = 238.311 + y3 + V32/2gpf = 0.0013*76 = 0.0988

239.521 = 238.311 + y3 + V32/2g + 0.09881.1112 = y3 + V32/2gResolviendo por tanteoA3 = 1.25m2V3 = 1.20m/sY3 = 1.038mE = 239.521

10.- Balance De Energa Entre 3 Y 4:E3 = E4 + perdidas por transicin de salidaE3 = 239.521E4 = Cf4 + y4 + V42/2gCf4 = E4 - y4 - V42/2g = 239.521 0.036 0.987Cf4 = 238.498Perdida total Ptotal1-4 = 238.31 238.498 = 0.012

11.- Calculo De La Cota De Rasante De La Siguiente Progresiva:Progresiva de salida KM 03 +704 hasta Km 03 +720 existe 16m Entonces la cota ser de 238.498 con una pendiente de S = 0.0005.

SIFON

Criterios de diseo:Las dimensiones del todo se determinan, satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ngulos de doblados y sumergencias de la entrada y salida.

En aquellos sifones que cruzan caminos principales o de bajo de drenes , se requiere un mnimo de 0.90m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.06 m si el sifn cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura.

La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mnima del tubo horizontal debe ser 5 /oo. Se recomienda transicin de concreto a la entrada y salida cuando el sifn cruce caminos principales en sifones con mayor o igual a 36 y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/seg.

Con la finalidad de evitar desbordes de agua arriba del sifn debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseo, se recomienda aumentar en un50% 0.30 m. como mximo al borde libre del canal en una longitud mnima de 15 m a partir de la estructura.

Con la finalidad de determinar el dimetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierra, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una velocidad de 1 m3 / seg. en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/seg., y entre 3 m /seg., a 2.5 m/seg., en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada.

Las prdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo Cubierta Partida, se pueden calcular rpidamente con los valores 0-4 hv

A fin de evitar remansos aguas arriba, las prdidas totales computadas se incrementan en 10%.

En el diseo de la transicin de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifn, est ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de Agua y en el diseo se toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifn 1.1 como mnimo o tambin 3.

En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6.

En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspeccin y mantenimiento.

En sifones largos bajo ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya sea que el sifn opere al flujo parcial o a flujo lleno con un coeficiente de friccin menor que el sumido en el diseo, por esta razn se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculan las prdidas de energa.

Con la finalidad de evitar la cavitacin a veces se ubica ventanas de aireacin en lugares donde el aire podra acumularse.

Con respeto a las prdidas de cargas totales, se recomienda la condicin de que stas sean iguales o menores a 0.30 m.

Cuando el sifn cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto mximo de la creciente.

Se recomienda los anchos de corona de la Tabla 4.3 en el cruce de sifones o alcantarillas segn el tipo de camino.

Tabla : Anchos de coronas segn el tipo de caminoCruce con Caminos de TipoAncho del Camino en la Corona de la Alcantarilla o Sifn

Cruce SimpleCruce con Sobre Ancho

V1 (3m)V2 (4m)V3 (6m)4 m5.50 m5.80 m4.6. m6.6 m8.0 m

CALCULO DEL DISEO HIDRULICO DE UN SIFON:

CARACTERSTICAS DEL CANAL PRINCIPAL:

Hidrulicas: Geometra:Q = 1.50 m3/s B = 3.30mY = 0.987m b = 0.80mA = 1.764m2 H = 1.25mP = 3.592m Z = 1.00R = 0.491m e = 0.075mV = 0.85m/sS = 0.0005n = 0.0164.475.812.285.01710.55.012.224.781314202012345

1. INFORMACION TOPOGRAFICA

Km03 + 620= 236.95 msnmKm03 + 700= 236.89 msnm

2. SELECCIN DEL DIAMETRO DEL TUBO

Asumimos una velocidad de 1.5 m/seg

A = Q/V = 150 m3 /seg. / 1.50m/seg.A = 1.00 m2

Luego:D = 4 A/D = 4 *1/D =1.128m D =44 dimetro comercial D = 48

3. CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICION

T1 = b +2*y*zT1 = 0.8+2*0.987*1T1 = 2.774 m T2 = 1.2192

LT = T2 T1 . 2* Tg 12.5

LT = 2.774 -1.2192 2 * tg (12.5)

LT = 1.67 m

Por condicin Lt = 4*DLt = 4*1.2192Lt = 4.88 mLT = 5.00 m

Escogemos Lt = 5.00 m

/2 = arctg (2.774-1.2192)/2*50 = 8 50

4. NIVEL DE AGUA EN 1

Segn la figura del Km 3 +600 al punto 1 hay 17.0 mCota 1 = 236.95 -0.0005*17 = 236.94 msnm

5. COTA DE FONDO EN 2

237.9270.987Hd1.5 hv236.941212

1.5hv = 1.5 ( V22 V12)/2g1.5hv = 1.5 ( 1.282 0.852)/19.6 hv = 0.07 mHd = D/cos 20Hd = 1.2192/cos 20Hd = 1.297

Luego:Cota 2 = 237.927 -0.07 -1.297Cota 2 = 236.56 msnm

6. COTA DE FONDO EN 3

H = 236.56 (234.21 -0.9-1.2192) =4.47mCota 3 = cota 2 HCota 3 = 236.56 -4.47 = 232.09 msnm

7. COTA DE FONDO EN 4

Cota 4 = cota 3 L *0.005Cota 4 = 232.09 -58*0.005 = 231.80 msnm

8. COTA DE FONDO EN 5

=20Sen 20 = h/14h = 4.78Cota 5 = 231.80 4.78 = 236.58 msnm

9. CALCULO DEL VALOR P EN LA SALIDA

0.987p5612236.58237.882236.895.882

Pe 3D/4Pe =3 * 1.2192/4Pe = 0.9144 mPs D/2

Ps = 1.21.92/2Ps = 0.6096 mPor otro lado

Cota 6 = 236.89 + 0.005*10.50Cota 6 = 236.895 msnm

P= cota 6 cota 5P = 236.95 236.58 = 0.345P < Ps ok!!

10. INCLINACION DE LOS TUBOS DOBLADOS

A la entrada 12.28/4.47 = 2.75

2.75: 1 es mas plano que 2:1 OK

A la salida 12.22/4.48 = 2.56

2.56: 1 es ms plano que 2:1 OK

11. CARGA HIDRAULICA DISPONIBLE

A la entrada cota 1 + tirante = 236.94 + 0.987 =237.927A la salida cota 6 + tirante = 23.895 +0.987 = 237.882Carga disponible = 0.045

12. CALCULO DE LAS CARGAS DISPONIBLES

A la entradahf = 0.4 ( Vs2 Vc2)/2ghv = 0.4 ( 1.282 0.852)/19.6hv = 0.018 m

A la salidahf = 0.4 ( Vs2 Vc2)/2ghv = 0.65 ( 1.282 0.852)/19.6hv = 0.030 m

Perdida de carga por friccinf L*V12/(D*2*g) = 0.145

f = 0.025L = 85 mD = 1.2192Perdida de carga por codosPcd = 2* (0.25*(20/90) * 1.282/2*9.81) =0.019

Perdida total = 1.10 (0.018+0.030+0.145 +0.019) = 0.233

Perdida de carga hidrulica disponiblePchd = 0.045 0.233 = -0.188

Lo que significa que el diseo tendr problemas hidrulicos NOTA: en visto de ello se opto por variar la cota 6, para tener ms carga disponible; lo cual conlleva a variar las cotas de la rasante del canal aguas abajo del sifn.

Carga disponible > perdida totalCota 1 + tirante (cota 6 + tirante) > 0.233Cota 1 cota 6 > 0.233

Como la cota 1 se mantiene constanteCota 1 0.2333 = cota 6 236.94 0.233 = cota 6Cota 6 = 236.707 obtenemos porCota 6 = 236.610 para mayor seguridad en el funcionamiento

Nueva carga hidrulica disponibleA la entrada = 237.927A la salida = 236.610 +0.987 = 237.597

Carga disponible = 237.927 237.597 = 0.33

Perdida de carga hidrulica disponiblePchd = 0.33-0.233 = 0.097 > 0 OK!!

Lo que significa que no habr problema hidrulico

13. CALCULO DE LA SUMERGENCIA A LA SALIDA

Altura de sumergencia = (0.987 +(cota 1 cota 2) HD)Altura de sumergencia = (0.987 +(0.38) 1.297) = 0.07

Altura permisibleHD/6 = 1.297/6 = 0.216 m

Altura de sumergencia < HD/6 OK

14. LONGITUD DE PROTECCION CON ENROCADO

Lp = 3D = 9* 12192 = 3.65 = 3.70 m

236.94237.927

237.597236.61236.10231.80232.0912.225.8012.285.05.0

DISEO HIDRULICO DE ALIVIADEROS LATERALES:

Estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitndose posibles desbordes que podran causar serios daos, por lo tanto, su ubicacin se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro.

Los caudales de exceso a eliminarse, se originan algunas veces por fallas del operador o por afluencias, que durante las lluvias el canal recibe de las quebradas, estos excesos debe descargar con un mnimo de obras de arte, buscndose en lo posible cauces naturales para evitar obras adicionales, aunque esto ultimo depende siempre de la conjugacin de diferentes aspectos locales (topografa, ubicacin del vertedero, etc.)

Criterios de Diseo :

1.- El caudal de diseo de un vertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel mximo de su caja hidrulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como de mxima avenida.

2.- El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente de caudal, siempre quedar un excedente que corresponde tericamente a unos 10 cm. encima del tirante normal.

3.- La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de ste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn.

4.- Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de frmulas, a continuacin se describe la frmula de Forchheiner citada por el SIMAMOS:Q =2 2g Lh3/2 3

Donde:= 0.95 = coeficiente de contraccinL = longitud del vertederoh = carga promedio por encima de la cresta.

El flujo del canal, deber ser siempre .subcrtico, entonces:

h2 > h1h = h1+h2 2h1= 0.8 h2h = 0.9 h2.

La frmula da buena aproximacin cuando se cumple:

V1 0.75g Y1

h 2 - h1 Y2- Yn

5.-Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar diferentes valores segn la forma que acopte la cresta.

FORMA

a) Anchos de cantos rectangulares 0.49-0.51 b)Ancho de cantos redondeados 0.50-0.65

c)Afilado con aeracin necesaria 0.64

d)En forma de techo con corona redondeada 0.79

6.- El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se est eliminando por la ventana o escotadura del canal, cruza un camino, frecuentemente se utilizan cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del vertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c .d.

7.- Los aliviaderos laterales pueden descargar ". travs de un vertedero con colchn al pie (desniveles pequeos) o mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energa al fina (desniveles grandes).

4.05.DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS

Un canal trapezoidal de rugosidad 0,014 con taludes 1:1 plantilla 1,m y pendiente 1 0/00 recibe en pocas de crecidas un caudal de 9 m3/seg., el canal ha sido construido para 4 m3/seg. pero puede admitir un caudal de 6 m3/seg. Calcular la longitud del aliviadero par eliminar el exceso de agua.

Solucin

1) Calculo de los TirantesYmax=1.71mYn=1.17m Y2=1.42m

2) Clculo de."h''.h2=0.25m.h1= 0.8*h2=0.2m.h=0.2+0.25 = 0.225 m.2

3)Caudal a evacuarQ = 3 m3/ seg

4) Calculo de LPara = 0.5 y aplicando Ec, 4.21L= 3Q .2 x x 2g xh3/2L = 20 m.

TRANSICION

DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS

1. Por un canal de seccin rectangular, fluye un caudal de 6.5 m3/seg. Pasando por una seccin de ancho 3m a otra de 5m en forma gradual sin que el fondo vare de cota, el tirante en la seccin de 5 m es 1.20 y en la de 3m es 1.045; se pide calcular:

a. El ngulo apropiado que debe tener el eje del canal con los aleros de la transicin, segn el U.S.B.R.b. La prdida de la energa en la transicin segn la Ecuacin de BORDA-CARNOT.

SOLUCIN

a. El ngulo apropiado ser:

Tg /2 = 1 3 F

Se calcula el N de Fronde en cada seccin y se obtiene el promedio

V1 = 6.5 . = 2.073; V2 = 6.5 . = 1.083 3 x 1.045 5 x 1.2

F1 = 2.073 . = 2.073; F2 = 1.083 . = 0.316 9.81 x1.045 9.81 x 1.2

F (promedio) = 0.4815

Tg/2 = 1 . =0.6923 3 x 0.4815/2 = 340 47 por medidas prcticas se toma:

/2 =35

b. La prdida de carga se calcula segn la Ec.-General;

Peg = (A2/A1-1)2 V22 /2g = (A2 -A1)2/2g

Y segn grfico 2.18.a., para = 70 y asumiendo, ms o menos la trayectoria para l2/l1, se obtiene: = 1Peg = 1.1 (6/3.135- 1)2 x1.0832/19.62 = 1.1(2.073-1.083)2/19.62Peg = 0.055 m.

Estas prdidas se pueden reducir, si tomamos un valor menor de 1/2.