DISEO HIDRULICO DESIFONES

DISENO HIDRULICO DE SIFONES

GENERALIDADES

Cuando un canal debe cruzar una depresin ya sea una quebrada, ro o un camino, etc., se proyecta un sifn invertido quepuede ser de secciona circular, rectangular o cuadrada que trabajara a tubo lleno.

Un sifn consta de un conducto cuya longitud queda determinada por el perfil del terreno y dos transiciones de entrada y desalida, siendo generalmente de seccin trapezoidal a rectangular en la cual se encuentran anclados los tubos.

En el cruce de un canal con una salida quebrada, el sifn se proyecta para conducir el menor gasto y lo suficientementeprofundo para no ser socavado, en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones.

Un sifn se constituye en un peligro, principalmente cuando esta cerca de centros poblados, siendo necesario el uso derejillas pero con la desventaja de que puedan obturarse las aberturas y causar remansos.

Un canal en su trayectoria alcanzar en algunos casos depresiones abruptas o zonas con problemas de estabilidad desuelos, que no podrn ser superados con estructuras elevadas (acueductos), sea por razones tcnicas como econmicas,por lo que podr considerarse como variante una estructura que cruce el desnivel por medio de un conducto que sedesplace por debajo del accidente topogrfico, lo cual dar lugar a la configuracin de un sifn invertido.

DISENO HIDRULICO DE SIFONES

Esquema de un sifn invertido superficial.

El canal, por medio de los sifones, incorporar estructuras que trabajarn bajo presin.

Los sifones pueden ser construidos superficiales o enterrados. Las estructuras superficiales se emplazarn sobre el suelo, entrincheras, tneles o galeras, los cuales permiten una mejor accesibilidad. Las estructuras enterradas son ms simples ynormalmente de menor costo, ya que no cuentan con soportes, sin embargo la desventaja est asociada al mantenimiento, porcuanto su accesibilidad resulta ms complicada.

El sifn contar adems de estructuras de entrada y de salida para lograr condiciones de transicin hidrulicamente eficientes,por lo que su diseo deber lograr que el flujo se desarrolle en lo posible sin perturbaciones superficiales, choques bruscoscontra las paredes y cambios de direccin pronunciados. Las estructuras de entrada y de salida contarn en ambos casos conrejillas y elementos de cierre rpido, que permitirn el control de flujo y los trabajos de mantenimiento.

DISENO HIDRULICO DE SIFONES

Transiciones de entrada y salida

El rea de la seccin transversal de un sifn viene determinada, de acuerdo a la ley de continuidad por el caudal deaduccin y la velocidad de flujo. La magnitud de la velocidad media en el conducto que conforma el sifn, puedevariar entre 2 a 4 m/s, para velocidades menores a 2 m/s, es probable la presencia de procesos de sedimentacin.Sin embargo la velocidad de flujo est asociada tambin al tipo de material del conducto; Zurita considera lossiguientes valores:- Conductos de fbrica 1.0 a 1.5 m/s

- Tubos de hormign 1.5 a 2.5 m/sEn todos los casos se deber incorporar elementos que permitan la limpieza peridica de los sedimentos que seacumulen en los sectores bajos a consecuencia de las reducidas velocidades de flujo que se presenten durante laoperacin del sistema.

DISENO HIDRULICO DE SIFONES

El diseo hidrulico de un sifn tiene como base el clculo de las prdidas de carga, locales y por friccin en elconducto. Entre las prdidas locales se considerarn principalmente prdidas en la estructura de entrada, en loscambios de direccin o codos y en la estructura de salida. El clculo se realizar para cada seccin de conductoconsiderado hasta obtener niveles de prdidas que permitan por un lado el funcionamiento hidrulicamenteeficientes del sifn y represente el menor costo posible.

DISENO HIDRULICO DE SIFONESCRITERIOS 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 decobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.06 m si el sifncruza 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 ser5 /oo. Se recomienda transicin de concreto a la entrada y salida cuando el sifn cruce caminos principales ensifones 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 caudalesmayores al de diseo, se recomienda aumentar en un 50% 0.30 m. como mximo al borde libre del canalen 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 deconcreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/seg., y entre 3 m /seg., a 2.5 m/seg., en sifones largos contransiciones 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 calcularrpidamente con los valores 0.4 hv y 0.65 hv. A fin de evitar remansos aguas arriba, las prdidas totalescomputadas se incrementan en 10%.

DISENO HIDRULICO DE SIFONES

En el diseo de la transicin de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifn, estligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida comosello de Agua y en el diseo se toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifn 1.1 como mnimo o tambin3.

En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6. En sifones relativamente largos, se proyectanestructuras 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 flujoparcial o a flujo lleno con un coeficiente de friccin menor que el sumido en el diseo, por estas razn serecomienda 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 airepodra acumularse.

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

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

DISENO HIDRULICO DE SIFONES

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

Cruce conCaminos de Tipo

Ancho del Camino en laCorona de la Alcantarilla o SifnCruceSimple

Cruce con SobreAncho

V1 (3m)V2 (4m)V3 (6m)

4. m5.50 m5.80 m

6. m6.6 m8.0 m

Tabla: Anchos de coronas segn el tipo de camino

EJEMPLO DE DISEO

1. Disear un sifn invertido en el cruce de un canal con la panamericana las caractersticas de cruce sepresentan en la figura y las caractersticas del canal agua arriba y aguas al bajo del cruce son:

Z=1.5Q=1.5 /S=0.001b=1 mn=0.025Y=0.85 mV=0.77 m/seg.

0.03 m.==

Caractersticas Del Canal Aguas Arriba Y Aguas A Bajos Son:

La pendiente aguas arriba y aguas a bajo es 0.001 y la cotas segn el perfil del canal son=Km. 1+0.30 = 46.725 m.s.n.m.Km. 1+0.70 = 46.443 m.s.n.m.

SIFON INVERTIDO

DATOS:Km. 1+0.30 = 46.725 m.s.n.m.Km. 1+0.70 = 46.443 m.s.n.m.

EJEMPLO DE DISEOSolucin:

1.- Con la informacin topogrfica del perfil del terreno en el cruce y el perfil del canal, se efectuara eldimensionamiento previo de la figura adjunta, el cual si cumple con los requisitos hidrulicos necesarios, se puedeaceptar como solucin el problema, en caso contrario, se ara los ajustes necesarios:

2.- Seleccin del dimetro del tubo:

por criterio: asumimos una velocidad de 1.5 m/segA = = .. = 1A = Despejandoel dimetro Di = 1.13 m Di = 44.49 pulg Di = 48 pulg:Escojo undimetrocomercialEl nuevo valor del dimetro serA = . = 1.167

Di = 1.2192 mDi = 1.2192 m

EJEMPLO DE DISEOLa velocidad del diseo seraV = QA = 1.51.167 = 1.29 .2g = 1.292 9.81 = 0.085 m

Cargas de velocidad en el ducto o tubo:

3.- Longitud de transicin:T1 = b + 2zy = 1 + 2 1.5 0.85 = 3.5 .T2 = = 1.2192 .Lt = 2 ; 2 = 25.Lt = 3.5 1,2192 = 2.50. = = 4 1.2192 = 3.88 = 3.90Lt = 3.90 .

EJEMPLO DE DISEO

2 = 2 = ; 3.5 1,21922 3.90 = 13 30 .El ngulo de la transicin ser:

4.- Nivel del agua en 1:

El canal de entrada desde la cota 1+0.30 es = 5.21

Cota de fondo en 1:

46.725-(5.21*0.001)= 46.720 m.s.n.m.

El nivel del agua en 1: 46.720+0.85= 47.570 m.s.n.m.

EJEMPLO DE DISEO

5.- Cotas de fondo en 2:

EJEMPLO DE DISEOCotas de fondo en 2: 47.570 (Hte + 1.5 hv)Hte = Dicos12 = 1.2192cos12 = 1.246 m.1.5 hv = = 1.5 0.085 0.030 = 0.08 mCotas de fondo en 2: 47.570 (1.246 + 0.08)= 46.244 m.s.n.m.

6.- Cotas de fondo en 3: = 12h= sen12 x 5=1.04 m.

Cotas de fondo en 3: 46.244 1.04=45.204 m.s.n.m.

7.- Cotas de fondo en 4:

Longitud del tuve horizontal= 10 m.10 x 0.005= 0.05

Cotas de fondo en 4: 45.204 0.05=45.154 m.s.n.m.

EJEMPLO DE DISEO

8.- Cotas de fondo en 5: = 12h= sen12 x 4=0.832 m.

Cotas de fondo en 5: 45.154 + o.8316=45.986 m.s.n.m.

9.- Nivel del agua en 6:

El canal de salida desde la cota 1+0.70 es = 6.188

Cota de fondo en 6:

46.443-(6.188*0.001)= 46.437 m.s.n.m.

El nivel del agua en 6: 46.437+0.85= 47.287 m.s.n.m.

EJEMPLO DE DISEO

10.- Calculo del valor P en la salida

EJEMPLO DE DISEO

El mximo valor de P en la salida es: = 12 xDi = 1.21922 = 0.6096Cota 6 cota 5 = 46.437 45.987= 0.45

Escogemos el valor de P= 0.45 para que la cota 6 de la transicin coincida con la de la rasante del canal.

11.- Inclinacin de los tubos doblados.

- A la entrada .. = 4.74.7: 1 es mas plano que 2:1, se acepta la inclinacin

- A la salida.. = 4.7

4.7: 1 es mas plano que 2:1, se acepta la inclinacin

EJEMPLO DE DISEO

12.- Carga hidrulica dinmica

Cota 1 + tirante = 46.720 + 0.85 = 47.570 m.s.n.m.Cota 6 + tirante = 46.437 + 0.85= 47. 287 m.s.n.m.

Carga disponible= 47.570 47.287 = 0.283 m

13.- Calculo de las perdidas de carga.

Perdidas por entrada: 0.4xhv = 0.4x(0.0819) =0.033 mPerdidas por salida : 0.65xhv 0.65x(0.0819) =0.053 mPerdidas por friccin : f = 0.025 . . . = 0.33Perdidas por codo: 2 0.25 = 2 0.25 . . = 0.

0.134m

EJEMPLO DE DISEO

Para mayor seguridad las perdidas totales se incrementan en un 10%Tenemos: 1.10 x 0.134 = 0.147 m.

- Podemos deducir que las cargas disponibles menos las perdidas totales son:0.283 0.147= 0.136 m. Lo que significa que no habr problemas hidrulicos

14.- Calculo de la sumergencia a la salida

- Altura de sumergencia:( y + P) Hte

Y= 0.85P= 0.45= = 1.2192 = 1.246 .

( 0.85 + 0.35) 1.246 = 0.054 m

EJEMPLO DE DISEO

Este valor no debe exceder a = . = 0.208Luego= 0.054 < 0.208

- Se acepta el valor de la sumergencia puesto que es menor a la altura permisible

15.- Longitud de proteccin del enrocado

Lp= 3 Di = 3 * 1.2192 = 3.66 3.70 m

El proyecto preliminar trazado en la figura, se considera la solucin al problema puesto que cumplecon los requisitos hidraulicos