DISEÑO DE DISIPADOR DE ENERGÍA

En muchas circunstancias, los vertidos de las alcantarillas y canales pueden

causar problemas de erosión. Para mitigar esta erosión, descargue energía

puede disiparse antes de la liberación de aguas abajo. El objetivo de esta

circular es proporcionar procedimientos de diseño para los diseños disipador de

energía para aplicaciones de carretera. Los primeros seis capítulos de esta

circular ofrece información general que se utiliza para apoyar los capítulos

restantes de diseño. Capítulo 1 (este capítulo) discute el marco de análisis

global que se recomienda y proporciona una matriz de disipadores disponibles

y sus limitaciones. Capítulo 2 ofrece una visión general de los riesgos de

erosión que existen en ambas entradas y salidas. Capítulo 3 proporciona un

enfoque más preciso para el análisis de velocidad de salida que se encuentra

en HDS 5. En el capítulo 4 se describen los procedimientos para el cálculo de

la profundidad y la velocidad a través de las transiciones. El capítulo 5

proporciona los procedimientos de diseño para calcular el tamaño de los

agujeros de erosión en los puntos de la alcantarilla. Capítulo 6 proporciona una

visión general de los saltos hidráulicos, que son una parte integral de muchos

disipadores.

Para algunos sitios, la disipación de energía apropiado se puede lograr

mediante el diseño de una transición de flujo (Capítulo 4), anticipando un foso

de erosión aceptable (Capítulo 5), y / o permitiendo un salto hidráulico dado

suficiente aguas abajo (capítulo 6). Sin embargo, en muchos otros sitios

pueden requerir diseños disipador más involucrados. Estos se agrupan de la

siguiente manera:

Disipadores Internos (Capítulo 7)

• Stilling Cuencas (capítulo 8)

• Streambed Nivel Disipadores (Capítulo 9)

• Riprap Cuencas y Delantales (Capítulo 10)

• estructuras de caída (Capítulo 11)

• Stilling Wells (Capítulo 12)

Los diseños incluidos se detallan en la Tabla 1.1. Los diseñadores

experimentados pueden usar la Tabla 1.1 para determinar el tipo de disipador

de usar e ir directamente al capítulo correspondiente. Diseñadores de primera

vez deben familiarizarse con el procedimiento de diseño de disipador de

energía se recomienda que se trata en este capítulo.

La mayor parte de la información presentada se ha tomado de la literatura y

adaptado, en caso necesario, para satisfacer las necesidades de autopista. Los

recientes resultados de investigación han sido incorporados, siempre que sea

posible, y un estudio de campo se realizó para determinar la práctica actual y la

experiencia de los Estados.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE DISIPADOR ENERGÍA

El diseñador debe tratar a la alcantarilla, disipador de energía y diseños de

protección de canal como un sistema integrado. Disipadores de energía

pueden cambiar el rendimiento de la alcantarilla y los requisitos de protección

del canal. Algunas estructuras de control de los desechos representan pérdidas

normalmente no considerados en el procedimiento de diseño alcantarilla. La

velocidad puede ser aumentada o reducida por los cambios en el diseño de la

alcantarilla. Condiciones del canal aguas abajo (velocidad, profundidad y

estabilidad canal) son consideraciones importantes en el diseño de disipador

de energía. Una combinación de disipador y de protección de canal puede ser

utilizado para resolver problemas específicos.

Chapter Dissipator Type

Froude Number7

(Fr)

Allowable Debris 1

Tailwater(TW)

Silt/ Sand

Boulders Floating

4 Flow transitions na H H H Desirable5 Scour hole na H H H Desirable6 Hydraulic jump > 1 H H H Required7 Tumbling flow2 > 1 M L L Not needed7 Increased resistance3 na M L L Not needed

7USBR Type IX baffled apron

< 1 M L L Not needed

7 Broken-back culvert > 1 M L L Desirable7 Outlet weir 2 to 7 M L M Not needed7 Outlet drop/weir 3.5 to 6 M L M Not needed

8USBR Type III stilling basin

4.5 to 17 M L M Required

8USBR Type IV stilling basin

2.5 to 4.5 M L M Required

8 SAF stilling basin 1.7 to 17 M L M Required

9CSU rigid boundary basin

< 3 M L M Not needed

9 Contra Costa basin < 3 H M M < 0.5D9 Hook basin 1.8 to 3 H M M Not needed

9USBR Type VI impact basin4 na M L L Desirable

10 Riprap basin < 3 H H H Not needed10 Riprap apron8 na H H H Not needed11 Straight drop structure5 < 1 H L M Required11 Box inlet drop structure6 < 1 H L M Required12 USACE stilling well na M L N Desirable

Table 1.1. Energy Dissipators and Limitations

1Debris notes: N = none, L = low, M = moderate, H = heavy

1Debris señala: N = ninguno, L = bajo, M = moderado, H = pesada pendiente 2Bed debe estar en el rango de 4% <S0 <25%

3Ver cabecera de control de salida 4Discharge, Q <11 m3 / s (400 ft3 / s) y la velocidad, V <15 m/s (50 ft/s) 5Drop <4,6 m (15 ft)6Drop <3,7 m (12 ft) de punto de liberación 7En de alcantarilla o canal 8Culvert suba inferior o igual a 1.500 mm (60 en)

na = no aplicable

El procedimiento de diseño disipador de energía, que se ilustra en la Figura

1.1, muestra los pasos de diseño recomendadas. El diseñador debe aplicar el

siguiente procedimiento de diseño de un canal de drenaje / alcantarilla y su

estructura asociada a la vez.

Paso 1. Identificar y recopilar datos de diseño. Disipadores de energía deben

ser consideradas como parte de un sistema de diseño más amplio que incluye

una alcantarilla o una rampa, los requisitos de protección del canal (tanto aguas

arriba y aguas abajo), y puede incluir una estructura de control escombros.

Gran parte de los datos de entrada estarán disponibles para la fase de diseño

de disipador de energía a partir de los esfuerzos de diseño anteriores.

a. Alcantarilla de datos: El diseño alcantarilla debe proporcionar: tipo (RCB,

RCP, CMP, etc.); altura, D; anchura, B; longitud, L; rugosidad, n; pendiente, Así

que; caudal de diseño, Q; aguas abajo, TW; tipo de control (entrada o salida);

profundidad de salida, yo; velocidad de salida, Vo; y la salida número de

Froude, Fro. Velocidad de salida de la alcantarilla, Vo, se discute en el Capítulo

3. HDS 5 (Normann, et al., 2001) proporciona procedimientos de diseño de

alcantarillas.

b. Datos de transición: las transiciones de flujo se discuten en el Capítulo 4.

Para la mayoría de los diseños de alcantarilla, el diseñador tendrá que

determinar la profundidad de flujo, y, y la velocidad, V, a la salida de las

combinaciones de pared / delantal ala estándar

c. Canal de datos: Los siguientes datos de canal se utiliza para determinar la

TW para el diseño de alcantarilla: descarga de diseño, Q; pendiente S0;

geometría sección transversal; banco y cama rugosidad, n; profundidad normal,

yn = TW; y la velocidad normal, Vn. Si la sección transversal es un trapecio, se

define por el ancho de fondo, B, y pendiente lateral, Z, que se expresa como 1

unidad vertical a las unidades Z horizontal (1V: zh). HDS 4 (Schall, et al., 2001)

proporciona ejemplos de cómo calcular la profundidad normal en los canales.

El tamaño y la cantidad de desechos deben estimarse utilizando HEC 9

(Bradley, JB, et al., 2005). El tamaño y la cantidad de carga de fondo deben ser

estimados.

d. Scour admisible Estimado: En el campo, el diseñador debe determinar si el

material de la cama a la salida prevista de la alcantarilla es erosionable. Si es

así, el posible alcance de la erosión se debe estimar: profundidad, hs; ancho,

Ws; y la longitud, Ls. Estas estimaciones deben basarse en los límites físicos a

recorrer en el sitio. Por ejemplo, la longitud, Ls, puede ser limitado por un borde

de la roca o la vegetación. Los siguientes parámetros de suelos en la zona de

puntos de venta de alcantarilla prevista deberían ser proporcionados. Para

suelos no cohesivos, se necesita una distribución de tamaño de grano

incluyendo D16 y D84. Para suelos cohesivos, los valores necesarios son la

resistencia al cizallamiento saturada, Sv, y el índice de plasticidad, PI.

e. Evaluación de la Estabilidad: El canal, alcantarilla, y estructuras relacionadas

deben ser evaluados para la estabilidad teniendo en cuenta el potencial de

erosión, así como la flotabilidad, cizalla, y otras fuerzas en la estructura (véase

el capítulo 2). Si el canal, alcantarilla, y estructuras relacionadas se evalúan

como inestables, la profundidad de la degradación o la altura de agradación

que ocurrirá en la vida de diseño de la estructura deben ser estimadas.

Paso 2. Evaluar velocidades. Calcule alcantarilla o velocidad de salida rampa,

Vo, y comparar con la velocidad canal descendente, Vn. (Vea el Capítulo 3.) Si

la velocidad de salida y la profundidad de flujo se aproximan a la condición de

flujo natural en el canal descendente, el diseño de la alcantarilla es aceptable.

Si la velocidad es moderadamente alto, el diseñador puede evaluar la

reducción de la velocidad en el barril o rampa (véase el Capítulo 3) o la

reducción de la velocidad con un foso de erosión (paso 3). Otra opción es

modificar la alcantarilla o conducto (canal) diseño tal que las condiciones de

salida se mitigan. Si la velocidad es sustancialmente mayor y / o el orificio de la

socavación de la etapa 3 es inaceptable, el diseñador debe evaluar disipadores

de energía (paso 4). Definición de los términos "aproximadamente iguales",

"moderadamente más alto" y "sustancialmente superior" es relativa a las

preocupaciones específicas del lugar, como la sensibilidad del sitio y las

consecuencias del fracaso. Sin embargo, respectivamente, se pueden utilizar

como directrices en bruto que se debe volver a evaluar de forma específica del

sitio de los rangos de menos de 10 por ciento, entre 10 y 30 por ciento, y

superior al 30 por ciento.

Paso 3. Evaluar desagüe de fondo del agujero. Calcule el desagüe de fondo

las dimensiones del agujero utilizando los procedimientos descritos en el

Capítulo 5. Si el tamaño del agujero de la socavación es aceptable, el

diseñador debe documentar el tamaño del foso de erosión esperada para el

mantenimiento y tenga en cuenta los requisitos de seguimiento. Si el tamaño

del agujero de la socavación es excesivo, el diseñador debe evaluar

disipadores de energía (paso 4).

Paso 4. Diseño Energía Alternativa Disipadores. Comparar los datos de diseño

identificados en el paso

1. Fr<3, la mayoría de los diseños están en este grupo

2. Fr> 3, el flujo de volteo, cuenca USBR Tipo III aquietar, USBR Tipo IV

cuenco amortiguador, SAF cuenco amortiguador, y USBR Tipo VI cuenca de

impacto de escombros, las condiciones del canal aguas abajo, sitio condiciones

y costos también deben ser considerados en la selección de diseños

alternativos.

Paso 5. Seleccione Energía Disipadora. Comparar las alternativas de diseño y

seleccione el disipador que tiene la mejor combinación de la reducción de

costes y la velocidad. Cada situación es única y el ejercicio de los criterios de

ingeniería siempre será necesario. El diseñador debe documentar las

alternativas consideradas.

SALTO HIDRÁULICO

El salto hidráulico es un fenómeno natural que se produce cuando el flujo

supercrítico se ve obligado a cambiar a flujo subcrítico por una obstrucción al

flujo. Este cambio abrupto en la condición de flujo está acompañado por una

considerable turbulencia y la pérdida de energía. El salto hidráulico se puede

ilustrar mediante el uso de un diagrama de energía específica, como se

muestra en la Figura 6.1. El flujo entra en el salto a una velocidad supercrítica,

V1, y la profundidad, y1, que tiene una energía específica de E = y1 + V12 / (2g).

El término de energía cinética, V2 / (2 g), es la predominante. A medida que la

profundidad de la corriente aumenta a través del salto, la energía específica

disminuye. Flow sale de la zona de salto a una velocidad subcrítico con la

energía potencial, y, predominante.

Figure 6.1. Hydraulic Jump

6.1 TIPOS DE SALTO HIDRÁULICO

Cuando el número de Froude aguas arriba, Fr, es 1,0, el flujo es crítico y en un

salto no puede formar. Para los números de Froude mayor que 1,0, pero

menos de 1,7, el flujo aguas arriba es sólo ligeramente por debajo de la

profundidad crítica y el cambio de flujo supercrítico a subcrítico se traducirá en

sólo una ligera perturbación de la superficie del agua. En el extremo superior

de este rango, el P. acercarse 1.7, la profundidad aguas abajo será

aproximadamente el doble de la profundidad de entrada y la velocidad de

salida de la mitad de la velocidad de la corriente.

La Oficina de Reclamaciones (USBR, 1987) ha relacionado el formulario salto y

caudal características al número de Froude para números de Froude mayores

a 1,7, como se muestra en la Figura 6.2. Cuando el número de Froude de

aguas arriba es de entre 1,7 y 2,5, un rodillo comienza a aparecer, cada vez

más intenso como el número de Froude aumenta. Este es el rango prejump con

la pérdida de energía muy bajo. La superficie del agua es bastante suave, la

velocidad uniforme en toda la sección transversal, y la pérdida de energía en el

intervalo de 20 por ciento.

Figure 6.2. Jump Forms Related to Froude Number (USBR, 1987)

Una forma oscilante de salto se produce para los números de Froude entre 2,5

y 4,5. El chorro entrante fluye alternativamente cerca de la parte inferior y luego

a lo largo de la superficie. Esto da lugar a ondas de superficie objetables que

pueden causar problemas de erosión aguas abajo del salto.

Un salto bien equilibrado y estable se produce cuando el número de Froude

flujo de entrada es mayor que

4.5. La turbulencia del fluido se limita principalmente al salto, y para los

números de Froude hasta 9,0 la superficie del agua aguas abajo es

relativamente suave. Jump pérdida de energía de 45 a 70 por ciento se puede

esperar.

Con números de Froude mayores a 9,0, se produce un salto muy eficiente,

pero la superficie del agua áspera puede causar problemas de erosión aguas

abajo.

El salto hidráulico ocurre comúnmente con las condiciones de flujo naturales y

con un diseño adecuado puede ser un medio eficaz para disipar la energía en

las estructuras hidráulicas. Se necesitan expresiones para calcular la relación

antes y después de la profundidad de salto (profundidades conjugadas) y la

longitud de salto para diseñar disipadores de energía que inducen un salto

hidráulico. Estas expresiones se refieren a la alcantarilla de salida número de

Froude, que durante muchas alcantarillas cae dentro del intervalo de 1,5 a 4,5.

6.2 SALTO HIDRÁULICO EN CANALES HORIZONTALES

El salto hidráulico en cualquier forma de canal horizontal es relativamente

simple para analizar (Sylvester, 1964). Figura 6.3 indica el volumen de control

utilizado y las fuerzas involucradas. La sección de control 1 es antes del salto,

donde el flujo es sin perturbaciones, y la sección de control 2 es después del

salto, lo suficientemente aguas abajo para el flujo a ser de nuevo toma como

paralelo. Distribución de la presión en ambas secciones se supone hidrostática.

El cambio en el momento de la corriente que entra y que sale es equilibrado

por la resultante de las fuerzas que actúan sobre el volumen de control, es

decir, la presión y las fuerzas de fricción de contorno. Dado que la longitud del

salto es relativamente corta, las pérdidas de energía externas (fuerzas de

fricción de contorno) pueden ser ignorados sin introducir error grave. También,

un canal puede ser considerado horizontal hasta una pendiente de 18 por

ciento (10 grados de ángulo con la horizontal) sin introducir error grave. La

ecuación de momento ofrece para solución de la profundidad consecuente, y2,

y la velocidad aguas abajo, V2. Una vez que se conocen, las pérdidas de

energía interna y la eficiencia de salto se pueden determinar mediante la

aplicación de la ecuación de la energía.

Figure 6.3. Hydraulic Jump in a Horizontal Channel

La forma general de la ecuación de momento se puede utilizar para la solución

del salto hidráulico relación consecuente profundidad en cualquier forma de

canal con un suelo horizontal. Definición de una cantidad impulso a medida,

M = Q2 / (GA) + AY y reconociendo que el momento se conserva a través de un

salto hidráulico, el siguiente se puede escribir:

Q2 / (gA1) + A1Y1 = Q2 / (gA2) + A2Y2 (6.1)

Donde,

Q = descarga de canal, m3 / s (ft3 / s)

A1, A2 = zonas de flujo transversal en las secciones 1 y 2, respectivamente, m2

(ft2)

Y1, Y2 = profundidad desde la superficie del agua al centroide de área de

sección transversal, m (ft)

La profundidad de la superficie del agua para el centroide del área de sección

transversal puede ser definida como una función de la forma de canal y la

profundidad máxima: Y = Y En esta relación, K es un parámetro que representa

la forma de canal mientras que Y es el profundidad máxima en el canal.

Sustituyendo esta cantidad en la ecuación 6.1 y reordenando términos se

obtiene:

A1 K 1 y1 - A2 K2 y2 = (1/A2 - 1/A1) Q2/g

Reorganizar y utilizando Fr12= V1

2/ (gy1) = Q2 / (A12gy1), da:

A1 K1 y1 - A2 K2 y2 = Fr12 A1 y1 (A1 /A2 -1).

Dividiendo esta por A1 y1 ofrece:

K2 A2 y2 / (A1 y1) - K1 = Fr12 (1 - A1 /A2) (6.2)

Esta es una expresión general para el salto hidráulico en un canal horizontal.

Las constantes K1 y K2 y la relación A1 / A2 se han determinado para canales en

forma rectangular, triangular, parabólicas, circulares, trapezoidales y por

Sylvester (1964). Las relaciones de formas rectangulares y circulares se

resumen en las siguientes secciones.

6.2.1 Canales rectangulares

Para un canal rectangular, sustituyendo K1 = K2 = 1/2 y A1 / A2 = y1 / y2 en la

ecuación 6.2, la expresión se convierte en:

y22 / Y1

2 -1 = 2Fr12 (1 - y1 / y2)

Si y2 / y1 = J, la expresión para un salto hidráulico en un canal horizontal,

rectangular se convierte

Ecuación 6.3, que se representa como en la Figura 6.4.

La longitud del salto hidráulico puede determinarse a partir de la Figura 6.5. La

longitud del salto se mide a la sección aguas abajo en la que la superficie

media de agua alcanza la profundidad máxima y se convierte en razonable

nivel. Los errores pueden ser introducidos en la determinación de la longitud

desde la superficie del agua es más bien plana cerca del final del salto. Esta es

sin duda una de las razones por lo que muchas fórmulas empíricas para

determinar la longitud del salto se encuentran en la literatura. La longitud salto

para cuencas rectangulares se ha estudiado ampliamente. Stilling diseño

cuenca es una aplicación común para los saltos hidráulicos en canales

rectangulares (véase el capítulo 8). Cuencas libre Saltar pueden ser diseñados

para las condiciones de flujo; pero debido a las características económicas y de

rendimiento que están, en general, sólo se emplean en el rango inferior de los

números de Froude. Los flujos con números de Froude inferiores a 1,7 pueden

no requerir tanques de sedimentación, pero pueden requerir protección como

escollera y ala paredes y delantal. Para los números de Froude entre 1.7 y 2.5,

la cuenca del salto libre puede ser todo lo que se requiere. En este rango, la

pérdida de energía es menor que 20 por ciento; la profundidad conjugado es

aproximadamente tres veces la profundidad de flujo entrante; y, la longitud de

la cuenca requerida es menor de aproximadamente 5 veces la profundidad

conjugado. Muchas alcantarillas de carreteras operan en este rango de caudal.

En números de Froude más altos, el uso de deflectores y umbrales hacen

posible reducir la longitud cuenca y estabilizar el salto sobre una gama más

amplia de situaciones de flujo.

Figure 6.4. Hydraulic Jump - Horizontal, Rectangular Channel

Figure 6.5. Length of Jump for a Rectangular Channel

6.2.2 Canales circulares

Canales circulares se dividen en dos casos: cuando y2 es mayor que el

diámetro, D, y donde y2 es menor que D. Para y2 menos de D:

Para y2 mayor o igual a D:

C y K son funciones de a / D y pueden ser evaluados de la Tabla 6.1.

Table 6.1. Coefficients for Horizontal, Circular Channels

Y/D 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0K 0.410 0.413 0.416 0.419 0.424 0.432 0.445 0.462 0.473 0.500C 0.041 0.112 0.198 0.293 0.393 0.494 0.587 0.674 0.745 0.748C’ 0.600 0.800 0.917 0.980 1.000 0.980 0.917 0.800 0.600

En las ecuaciones 6.4 y 6.5, Fr1 se calcula utilizando la profundidad máxima en

el canal. Figura 6.6 se puede utilizar como una alternativa a estas ecuaciones.

Alternativamente, el diseñador puede calcular un número de Froude basado en

la profundidad hidráulica, Frm. = V / (gym) 1/2. Donde ym = (C/C ') D o ym = A / T.

Por primera expresión, C 'se toma de la tabla 6.1. Para la segunda expresión, A

es el área de la sección transversal de flujo y T es la anchura de la superficie

del agua. Figura 6.7 es el gráfico de diseño para canales horizontales y

circulares utilizando la profundidad hidráulica en el cálculo del número de

Froude.

La longitud del salto hidráulico se mide generalmente a la sección aguas abajo

en la que la media de la superficie del agua alcanza la profundidad máxima y

se convierte razonablemente nivel. La longitud del salto en los canales

circulares se determina utilizando la figura 6.8. Esta curva es para el caso

donde y2 es menor que D. Para el caso en que y2 es mayor que D, la longitud

debe ser tomado como siete veces la diferencia de profundidades, es decir, i.e.,

LJ = 7 (y1 y2).

Figure 6.6. Hydraulic Jump - Horizontal, Circular Channel (actual depth)

Figure 6.7. Hydraulic Jump - Horizontal, Circular Channel (hydraulic depth)

Figure 6.8. Jump Length Circular Channel with y2 < D

6.2.3 Salto de Eficiencia

Una expresión general para la pérdida de energía (HL / H1) en cualquier canal

de forma es:

Donde,

Frm = número de Froude aguas arriba en la sección 1, FRm2 = V2 / (gym)

ym = profundidad hidráulico, m (ft)

Esta ecuación se traza para las diversas formas de canales como la Figura 6.9.

A pesar de que la figura 6.9 indica que las secciones no rectangulares son más

eficientes para los números de Froude más altos, se debe recordar que estas

secciones también implican ya saltos, problemas de estabilidad, y una

superficie del agua corriente abajo áspera.

Figure 6.9. Relative Energy Loss for Various Channel Shapes

6.3 Salto hidráulico en los canales en pendiente

Figura 6.10 (Bradley, 1961) indica un método de delinear saltos hidráulicos en

canales horizontales e inclinadas. Canales horizontales (caso A) se discutieron

en la sección anterior. Canales inclinados se discuten en esta sección. Si se

selecciona el fondo del canal como un dato, la ecuación de momento se

convierte en:

γ = peso

φ = ángulo de canal con la horizontal

B = anchura inferior del canal (canal rectangular), m (ft)

w = peso del agua en volumen de control salto, N (lb)

La ecuación de momento utilizado para los canales horizontales no puede ser

aplicada directamente a saltos hidráulicos en pendiente canales ya que el peso

del agua dentro del salto debe ser considerado. La dificultad encontrada es en

la definición del perfil de la superficie de agua para determinar el volumen de

agua dentro de los saltos para varias pistas de canal. Este volumen puede

despreciarse para pendientes inferiores a 10 por ciento y el salto analizado

como un canal horizontal.

El Oficina of Reclamaciones (Bradley, 1961) llevó a cabo extensas pruebas con

modelos en el caso B y tipo C salta para definir las relaciones de longitud y

profundidad. Esta referencia debe ser consultada si se está considerando un

salto hidráulico en un canal rectangular inclinado. Los ensayos con modelo se

debe considerar si se están considerando otras formas de canal.

Figure 6.10. Hydraulic Jump Types Sloping Channels (Bradley, 1961)