informe ucv

UNIVERSIDAD “CESAR VALLEJO” – TRUJILLO

Facultad de IngenieríaEscuela Profesional de Ingeniería Civil

TEMA : SALTOS DE AGUA Y SIFON

NOMBRE DEL CURSO : OBRAS HIDRAULICAS

PROFESOR : ING. OSCAR MAZA ESPINOZA

FECHA : Trujillo 03 de Noviembre del 2014

OBSERVACIONES:

1.- ………………………………………………………………………………………

2.- ………………………………………………………………………………………

3.- ………………………………………………………………………………………

NOTA:……............................. ...........................................

EN NÚMERO EN LETRA FIRMA DEL PROFESOR

Nº INTEGRANTES CÓDIGO

1 CHIRINOS ASCOY, Ramón

2 ESTRADA SALAZAR, Pamela 2102058782

3 NEYRA CARBONELL, Pamela

4 UCEDA MOSTACERO, Vania

Saltos de Agua, Gradas Escalonadas Escuela De Ing. Civil

INFORME Nº 04 – 2014 I – UCV/FI/EIC

DE : VANIA UCEDA MOSTACERO

AL : ING. ORCAR MAZA ESPINOZA

ASUNTO : “SALTOS DE AGUA Y SIFON”

FECHA : TRUJILLO 03 DE NOVIEMBRE DEL 2014

Me es grato dirigirme a su persona para saludarla cordialmente y así mismo presentarle el desarrollo del informe: “SALTOS DE AGUA Y SIFON”.

Es todo cuanto tengo que presentar.

Atentamente.

__________________________Vania Uceda Mostacero

Ramón Chirinos Ascoy , Vania Uceda Mostacero, Pamela Neyra Carbonell, Pamela Estrada Salazar


INTRODUCCIÓN

Muchas veces en los proyectos hidráulicos como canales, se requiere salvar desniveles

bruscos en la rasante de fondo, es aquí donde se requiere de los llamados “saltos de

agua”, que son estructuras de caída.

Una estructura de caída es una estructura de regulación que disminuye el nivel del agua

a lo largo de su curso.

En general, la pendiente de un canal es más moderada que la del terreno, como

resultado de lo cual un canal construido en corte en su cabecera, pronto superará la

superficie del terreno. Para evitar rellenos excesivos, el nivel del lecho del canal aguas

abajo se disminuye y los dos tramos se conectan mediante una estructura de caída

apropiada

Gómez Navarro hace una diferenciación de estas obras y conviene en llamarles caídas

cuando los desniveles son ¡guales o menores a 4m.

Para desniveles mayores a 4.0m la estructura toma el nombre de rápida y en estos

casos es conveniente un estudio económico entre rápida o una serie de caídas,

denominadas gradas.

En el presente trabajo de investigación, se presentara los saltos de agua como: caídas

verticales, caídas inclinadas.

Así como los criterios necesarios para el diseño hidráulico de las mismas, así mismo se

presentara ejemplos de aplicación a manera de la mejor comprensión del tema.



OBJETIVOS

Objetivo General

- Dar a conocer los requerimientos para el diseño de saltos de agua (caídas,

gradas escalonadas y rápidas) así como de sifones y brindar herramientas

complementarias para el análisis de éstos, todo coordinado y trabajado en

equipo.

Objetivos Específicos

- Conocer y manejar las ecuaciones básicas de cada uno de los criterios de

diseño.

- Definir los parámetros geométricos e hidráulicos para el diseño de caídas de

agua y sifones.

- Conceptualizar y diferenciar los tipos de caídas de agua.

- Resolver ejercicios prácticos sobre caídas de agua (gradas) y sifones

invertidos.



SALTOS DE AGUA

Se le denomina saltos de agua a las estructuras hidráulicas proyectadas para salvar

desniveles, entre ellas tenemos:

FIGURA: LOCALIZACION DE CAIDAS DE UN CANAL

1. Caídas. Son estructuras proyectadas en canales o drenes para salvar desniveles bruscos en la

rasante del fondo. Las caídas se localizan de tal manera que los cortes y rellenos del

canal se equilibren en lo posible. Para controlar la velocidad en tramos de alta pendiente

se pueden utilizar combinaciones entre caídas verticales, escalonadas o rápidas según

las variaciones del terreno. Las caídas del canal pueden utilizarse para desarrollos

hidroeléctricos, utilizando turbinas de tipo propulsión o bulbo. Al hablar sobre caídas se

debe de tener en cuenta el concepto de sección de control; que no es más que una

sección donde ocurre el tirante crítico y por lo tanto se puede medir el flujo o cantidad de

agua que está circulando, pero no significa que tenga que medirse en forma obligada, ya


RAPIDAS

GRADAS ESCALONADAS

CAIDAS INCLINADAS

CAIDAS VERTICALES

SALTOS DE AGUA

CAIDAS


que una sección de control siempre va a ocurrir en una caída y el objetivo de la caída no

es medir el flujo, ahora que quiera aprovecharse la ocurrencia de la sección de control

para medir el caudal, es otra cosa, que depende ya de los criterios de planificación del

sistema de riego.

1.1Caídas verticales

Las caídas verticales pueden ser de varios tipos y se podría decir que no tienen

limitaciones en cuanto al caudal y altura de caída, sin embargo, es recomendable

su uso hasta desniveles de 1.0 m y solo cuando la naturaleza del problema así lo

exija, se construirán para desniveles mayores a 1.0 m.

Existen ciertas limitaciones de orden técnico, que impiden el uso de una caída

vertical.

a) El asentamiento inaceptable del canal en la parte superior de la caída

ocasionando por la excavación para construir la poza de disipación.

b) Problemas de tubificación debido a la remoción del material para la

construcción de la caída.

c) Al ser la longitud total de la caída vertical menor que la longitud total de una

caída inclinada, resulta un gradiente hidráulico más fuerte, en el caso de la

caída vertical, el chorro cae con más fuerza siendo necesario ventilar el vacío

que se forma debajo del chorro de caída.

A. Elementos de una caída vertical

En el diseño de una caída, se pueden distinguir los siguientes elementos:

ELEMENTOS DE UNA CAIDA VERTICAL

Transición de entrada: une por medio de un estrechamiento

progresivo la sección del canal superior con la sección de control.



Sección de control: es la sección correspondiente al punto donde se

inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones

críticas.

Caída en sí: la cual es de sección rectangular y puede ser vertical o

inclinada.

Poza o colchón amortiguador: es de sección rectangular, siendo su

función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída.

Transición de salida, une la poza de disipación con el canal aguas

abajo.

B. Clasificación

A continuación presenta una diferenciación entre los tipos de caídas más usuales:

1. Caída con poza de disipación de sección rectangular, que puede ser.

a) De poza con obstáculos para el choque

b) De poza con obstáculos para el choque - tipo SAF

2. caída vertical con muro de mampostería de piedra y poza rectangular sin

obstáculos

3. caída vertical con poza de disipación de sección trapezoidal.

C. Criterios de diseño 1. Se construyen caídas verticales, cuando se necesitan salvar un desnivel

de 1m como máximo, solo en caso excepcionales se construyen para

desniveles mayores.

2. Se recomienda que para caudales unitarios mayores a 300 l/seg. x m de

ancho, siempre se debe construir caídas inclinadas, además manifiesta

que la ejecución de estas obras debe limitarse a caídas y caudales

pequeños, principalmente en canales secundarios construidos en

mampostería de piedra donde no se necesita ni obras de sostenimiento ni

drenaje.

3. Cuando el desnivel es < 0.30m y el caudal < 300 l/seg. x m de ancho

canal, no es necesario poza disipación.

4. El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la

fórmula para caudal unitario “q":

q=1.48 H 3 /2

Siendo el caudal total:

Q=23

μ∗B∗√2 g H 3/2

Dónde:



μ=0.50

B=anchode la caida.

5. La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que

vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado.

6. Por debajo de la lámina vertiente en la caída se produce un depósito de

agua de altura Yp que aporta el impulso horizontal necesario para que el

chorro de agua marche hacia abajo.

7. Rand (1955) encontró que la geometría del flujo de agua en un salto

vertical, puede calcularse con un error inferior al 5% por medio de las

siguientes funciones:

Ld∆ Z

=4.30∗D 0.27 Y 2

∆ Z=1.66∗D0.27

Y P

∆Z=1.00∗D0.22 Lj=6.9 (Y 2−Y 1 )

Y 1

∆Z=0.54∗D1.425

Dónde:

D= q2

g∗∆ Z3

Que se le conoce como numero de salto y:

Cosθ= 1.06

√ ∆ZYc

+32

FIGURA: CARACTERISTICAS DE UNA CAIDA VERTICAL



8. Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire dela

cámara indicada en la figura anterior la cual se debe reemplazar para

evitar la cavitación o resonancias sobre la estructura.

9. Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones

siguientes:

a. Contracción lateral completa con cresta vertiente, disponiéndose de

este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la

lámina vertiente.

b. Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/s qa=0.1∗qw

(YpY

)1.5

Dónde:

qa=¿Suministro de aire por metro de ancho de cresta

Y=¿Tirante normal aguas arriba de la caída

qw=¿Maxima descarga unitaria sobre la cresta.

( Ppϑ )= ρa

ρw(Ke+ fl

D+Kb+Kex)

V a2

2 g

Dónde:

( Ppϑ )=¿Baja presión permisible debajo de la lámina vertiente, en metros

de columna de agua (Se puede suponer un valor de 0.04 m de columna de

agua)

Ke=¿Coeficiente de perdida de entrada (Usar Ke=0.5)

f= coeficiente de fricción en la ecuación de Darcy Weisbach.



h f=f

LD

∗V 2

2g

L=¿Longitud de la tubería de ventilación (m)

D=¿Diametro del agujero de ventilación (m)

Kb=¿Coeficiente de perdida por curvatura (usar Kb=1.1)

Kex=¿Coeficiente de perdida por salida (Kex=1.0)

Va=¿Velocidad media del flujo de aire a través de la tubería de

ventilación.

ρa

ρw=¿Aproximadamente 1/830 par aire a 20°C.

D. Procedimiento para el diseño de una caída sin obstáculos 1. Diseño del canal, aguas arriba y aguas abajo de la caída Utilizar las

consideraciones prácticas que existen para el diseño de canales.

2. Cálculo del ancho de la caída y el tirante en la sección de control

En la sección de control se presentan las condiciones críticas. Para una

sección rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes:

Se puede asumir que Emin, = En (energía específica en el canal), para inicio

de los cálculos y realizar la verificación.

También se puede suponer un ancho en la sección de control de la caída,

calcular el tirante crítico y por la ecuación de la energía calcular el tirante al

inicio de la transición.

Existen fórmulas empíricas para el cálculo del ancho de la rápida, las cuales

son:

De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse:

Otra fórmula empírica:

Por lo general el ancho de solera con esta última fórmula, resulta del mayor

magnitud que con la fórmula de Dadenkov.

3. Diseño de la transición de entrada



Para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es:

T1 = espejo de agua en el canal

T2 = b = ancho de solera en la caída

4. Cálculo de la transición de salida

Se realiza de la misma forma que la transición de entrada

5. Dimensiones de la caída

Caídas pequeñas: De acuerdo con los diseños realizados por el

SENARA, en canales con caudales menores o iguales que 100 l.p.s (Q

< 0.1 m3/s), se tiene:

Dónde:

Y

E. Proceso de cálculo de una caída sin obstáculos El proceso de cálculo para caídas verticales sin obstáculos es como sigue:

Calcular el número de caída utilizando la siguiente relación:

; sabiendo: q=Q

b

Donde:

D= numero de la caida

yc=tirante critico de la seccion de control

h=desnivel

q= caudal unitario.

Calcular los parámetros de la caída vertical, Estos parámetros, según

Rand (1955), se calculan con un error inferior al 5 %, con las siguientes

ecuaciones:



Yp es la altura que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro

de agua marche hacia abajo.

CAIDA VERTICAL SIN OBSTACULOS

Calcular la longitud del resalto, se puede calcular con la formula se

Sieñchin:

Debe evitarse que en la cámara de aire se produzca vacío, porque esto

produce una succión que puede destruir la estructura por cavitación,

para evitar esto se puede hacer agujeros en las paredes laterales o

incrementar en la poza 10 o 20 cm a ambos lados.

Para filtraciones que se producen en la pared vertical se recomienda

hacer lloraderos (drenes de desagüe).

F. Caídas verticales con obstáculos para el choque El bureau of reclamation, ha desarrollado para saltos pequeños, un tipo de

caída con obstáculos donde choca el agua de la lámina vertiente y se ha

obtenido una buena disipación de energía para una amplia variación de la

profundidad de la lámina aguas abajo, a tal punto que puede considerarse

independiente del salto.



FIGURA: CAIDA VERTICAL CON OBSTACULOS PARA EL CHOQUE

Anchura y espaciamiento de los obstáculos =0.4Yc,

Longitud mínima de la cubeta = Ld+2.55Yc

Ld=4.30∗D0.27∗H

D= q2

g H3

q=QB

Con contracciones laterales

Q=C∗L∗H3 /2

Sin contracciones laterales

Q=23∗B∗h

32 (0.605+ 1

1050 h−3+0.08 h

P∗√2 g)

Dónde:

B = Ancho de la caída

Q = Caudal en vertedero o caudal de la caída

P = El mínimo valor de P, será la diferencia de energías aguas arriba de la cresta y en la cresta donde se produce Yc

h = Carga sobre cresta

Se calcula primeramente B, puesto que “Q” es el caudal en el canal y por lo tanto es ya conocido. La anchura y espaciamiento entre los obstáculos será aproximadamente 0.4 Yc.



1.2Caídas rectangulares inclinadas Una caída rectangular inclinada es una estructura de forma rectangular y de

ancho constante que lleva agua de un lugar alto a uno de menor elevación. La

altura de la caída puede estar comprendida entre 90 cm y 4,5 m. Estas caídas no

sólo conducen agua, sino también aquietan el agua una vez que llega a la parte

inferior de la estructura, disipando el exceso de energía. La estructura de ingreso

debe servir de control para regular el tirante aguas arriba de la caída.

Las caídas rectangulares inclinadas son de fácil diseño, construcción y operación.

Las entradas y salidas pueden ser fácilmente adaptadas a canales de tierra o con

recubrimiento. Las entradas pueden ser hechas para incluir una estructura de

control, inspección (check), o un vertedero.

Los principales elementos hidráulicos de una caída rectangular inclinada son, la

transición de aguas arriba, la entrada, el canal inclinado, el cuenco disipador, la

salida y la transición de aguas abajo.



A. Elementos:

Transición de aguas arriba: La transición de aguas arriba produce un cambio gradual

en la velocidad desde el canal a la estructura.

Cuando se usa un control de entrada no hay un cambio en la elevación del fondo del

canal y la transición de entrada usualmente debe proveer un decrecimiento gradual de

la elevación de solera desde el canal a la abertura de la estructura. La pendiente de

fondo de un control de entrada no debe ser mayor que 4:1. Una transición de tierra

puede requerir una protección contra la erosión.

Entrada: la entrada a una caída rectangular inclinada puede ser alguna de las que se

describe a continuación:

1) Sección de control por tirante crítico (control): en un canal de tierra que no

requiere una estructura de control, la entrada a la caída debe ser diseñada para

proveer una sección de control, la cual prevendrá la aceleración de la corriente

aguas arriba y la erosión del canal. La entrada debe ser diseñada entonces para la

máxima capacidad de descarga de la caída con tirante normal en el canal.

La entrada debe ser simétrica con respecto al eje, y siempre que sea posible, a una

distancia suficiente de una curva horizontal aguas arriba tal que limite la acción

indeseable de las ondas debido al flujo asimétrico. El control de tirante crítico

trapezoidal debe guardar una proporción entre el ancho de fondo y la pendiente del

talud para una variación del flujo de diseño a uno del 20% del caudal de diseño.

Para cualquier flujo dentro de este rango la muesca hace que el tirante del canal

aguas arriba sea o esté muy cerca del tirante normal. Esto también puede ser

regulado para controlar sólo una descarga específica.

Las paredes laterales de sobre-flujo, (figuras 12 y 13) son lo suficientemente largas

como para permitir que el flujo de diseño vaya encima de las paredes laterales con

la muesca completamente bloqueada. El fondo de la estructura de entrada (El. B,

figuras 12 y 13) se sitúa lo suficientemente bajo como para que el flujo al principio

de la inclinación no afecte al flujo que atraviesa la muesca de control. Expresado de

otra manera, la elevación B se sitúa lo suficientemente baja como para prevenir que

el flujo en la sección inclinada controle el nivel del agua en el canal. La estructura de

entrada además tiene muros de ala y obturadores con el fin de contener el terraplén

del canal y para reducir la filtración en el mismo.

2) Inspección (check): Las estructuras de inspección están habitualmente

combinadas con la entrada de las caídas. Las inspecciones en estos casos son

utilizadas como un control para prevenir la aceleración de la corriente de agua



aguas arriba de la entrada, además de la función usual de levantar el nivel del agua

para permitir la desviación a través de ella aguas arriba durante los períodos de flujo

parcial en el canal. Las inspecciones deben además ser usadas para interrumpir el

flujo del canal si existe algún desperfecto tal como una pérdida aguas arriba para

permitir que el flujo del canal se derive hacia otra parte. Esta interrupción en la

entrada puede proveer un aislamiento de la extensión del canal en caso de falla de

almacenamiento o para propósitos de mantenimiento. El área de la apertura de la

entrada debe estar proporcionada para limitar la velocidad del flujo de diseño

aproximadamente a 1 m/s. Esta velocidad es considerada como la máxima deseable

para un fácil manejo de la barrera de tablas. El ancho es usualmente el mismo que

el determinado como ancho requerido para el cuenco disipador. La elevación de la

apertura de entrada puede ser la misma o más baja que la del fondo del canal, pero

nunca mayor. Las compuertas de deslizamiento pueden ser operadas

automáticamente.

3) Vertedero: algunas veces es necesario poner a la entrada de una caída

rectangular inclinada un vertedero de medición. Para un canal revestido,

generalmente la revancha mínima en la entrada debe ser la misma que para el resto

del canal con recubrimiento.

Para canales sin recubrimiento con capacidades mayores que 2,7 m³/s, la mínima

revancha debería ser de 15 cm para tirantes de agua de 37,5 cm, 22,5 cm para

tirantes de 38 cm a 60 cm, 30 cm para tirantes de 61 cm a 1,50 m, 37,5 cm para

tirantes de 1,51 m a 2,10 m, y de 45 cm para tirantes de 2,11 m a 2,7 m.

Canales rectangulares inclinados: el canal es de sección rectangular, y esto es

usualmente práctico para hacer el mismo ancho de base que el requerido por la pileta o

por la sección de entrada. La altura vertical delas paredes deben ser determinadas

computando el tirante en la sección con velocidad teórica y agregando una revancha de

30 cm para flujos por arriba de 2,7 m³/s. La parte inclinada puede tener una pendiente de

1½:1 pero es usual 2:1. Las caídas rectangulares inclinadas con flujos de más de 2,7

m³/s no requieren trayectorias curvadas, por lo tanto la inclinación interceptara el nivel de

fondo en la entrada, y también el nivel de fondo de la pileta.

Cuenco disipador: los cuencos disipadores para saltos hidráulicos están ubicados en la

parte más baja del final de las caídas rectangulares inclinadas para obtener las pérdidas

de energía requeridas entre la parte más baja del canal inclinado y la pileta aguas abajo.

La transición de salida, aguas abajo del cuenco disipador, reduce la velocidad y la

turbulencia del agua, minimizando la erosión en el canal aguas abajo.

Los distintos tipos de disipadores de energía se ven en la sección correspondiente.



1) Salida: la salida de una caída rectangular inclinada conecta el cuenco disipador

con un canal de tierra, un canal recubierto de hormigón, o un canal natural y

previene o disminuye la erosión aguas abajo. Algunos de los tipos de salida más

utilizados son: las transiciones de espaldón quebrado, muros divergentes verticales

curvos o rectos, y un canal rectangular recto con paredes verticales cuya altura

disminuye desde la altura de las paredes del cuenco hasta la altura del canal aguas

abajo. Una porción de la transición debe ser hecha de tierra procurando que la

velocidad en el final no sea demasiado grande para el suelo. En la sección de

transición con la tierra se usa piedra bola o grava como protección.

B. Procedimiento de cálculo

Los datos que se deben conocer son:

El caudal (Q), la elevación aguas arriba de la caída (ElA), la elevación aguas abajo de la caída (ElD), la geometría y propiedades hidráulicas del canal.

Los pasos para la resolución son los siguientes:

Datos del canal:

1. Tipo de canal, se debe conocer el tipo de revestimiento del canal.

2. Determinación del tipo de transición a ser utilizado aguas arriba de la estructura de caída y de la protección necesaria si el canal es de tierra.

3. Determinación de las propiedades hidráulicas del canal, tirante normal (dn), velocidad (V), altura de velocidad (hvC).

4. Determinación del tipo de estructura a realizar.

5. Determinación del nivel de la superficie de agua, aguas arriba de la caída (punto A).

NS A A=E I A+dn

6. Determinación de la altura de energía aguas arriba de la caída (punto A).

EA=NS A A+hv A

7. Determinación de la elevación del borde del canal.

8. Determinación del nivel de la superficie de agua, aguas abajo de la caída (punto D).

NS A D=E ID+dn

9. Determinación de la altura de energía aguas abajo de la caída (punto D).

ED=NS AD+h vD

10. Determinación del tipo de estructura de entrada a utilizar.

Determinación de las dimensiones de la estructura de entrada:



11. Determinación del ancho de base de la caída y de la estructura de entrada.

b (m )=18.46∗√Q (m3

s)

Q(m3

s )+9.91

Las dimensiones estándar se obtienen de la tabla 2 y 3, en función del caudal.

Estas dimensiones son: ancho de base de la caída (b), longitud de la estructura

de control (Lo), altura de las paredes de la estructura de control (Ho), altura de

las paredes a la entrada de la caída (HF), muro de ala a la entrada de la caída

(a).

12. Si se utiliza a la entrada una estructura de control, se procederá como se explica

a continuación.

Un control es una estructura constituida por una caja de hormigón con una

ranura en forma trapezoidal ubicada aguas arriba. Esta estructura se exige para

minimizar la erosión en el canal para flujos que van desde el caudal de diseño al

20% de este. Se determina la altura de energía para el caudal de diseño

(E1=dn+hv) y la altura de energía para el 20% del caudal de diseño (E2=d20%

+hv20%).

Para determinar el tipo de control adecuado, se utiliza el grafico 21 del anexo, se

selecciona la figura que tiene el valor de P más pequeño que abarca el rango

lleno de descarga del caudal de diseño y del 20% de dicho caudal. Luego se

entra al gráfico con el valor de la energía (E1), se mueve verticalmente hasta la

intersección con la línea horizontal correspondiente al caudal de diseño y se lee

el valor de S de la curva que esté ubicada a la derecha del punto.

Posteriormente se verifica de la misma manera (se entra al gráfico con el valor

de la energía, E2, se mueve verticalmente hasta la intersección con la línea

horizontal correspondiente al caudal del 20% del de diseño y se lee el valor de S

de la curva que está ubicada a la derecha del punto) para ver si la misma curva

controlará al 20% del caudal de diseño. Si la curva de pendiente (S) no es la

misma para los dos rangos de caudales, se vuelve a repetir el procedimiento

expuesto para los próximos valores mayores de P hasta que se verifica que la

misma curva controla los dos rangos de caudales.



Una vez que esto sucede se obtiene de la figura correspondiente los siguientes

valores:

Ancho de base de la ranura de control (P).

Pendiente de la ranura de control (S).

Altura de la muesca del control (T): T ≥ dn.

Ancho de boca del control (N): N = P + 2ST� �

(U. S. Bureau of Reclamation, 1978)

Luego se verifica la altura de las paredes de la estructura de control: Ho>T.

Altura de las paredes a la entrada a la caída: HF = Ho + 0,45m.

Ancho de base mínimo de la estructura de control:

bmín = N + 2—0,075m (se adopta el mayor valor de b calculado).

Determinación de la elevación de la muesca:

Elevación de muesca = Elevación A + T

Determinación de la elevación del piso del control (punto B):

Elevación de B = Elevación de la muesca – Ho.

13. Si se utiliza a la entrada una estructura de inspección (check), el procedimiento

para determinar sus dimensiones es el siguiente.

Una inspección es una estructura tipo caja, cuyo ingreso esta constituido por una

abertura prevista para la instalación de una compuerta o barreras.

Determinación de la altura máxima de las paredes:

Altura máx = NSAA

Determinación de la elevación del piso del chequeo (punto B):

Elevación de B = NSAA – Ho (mínimo) < Elevación A.

Determinación de las dimensiones de la compuerta: el tamaño de la compuerta,

la altura del marco y el número de plataformas se obtienen en función del caudal

de diseño.

Diseño hidráulico de la estructura de disipación.

14. Determinación de la mínima energía en el punto D (E’D).



El mínimo gradiente de energía aguas abajo se calcula mediante el uso de un

valor de n reducido (n’). Esta reducción debe ser del 80% del valor de n de

Manning asumido para el diseño del canal. Esta reducción se realiza como factor

de seguridad por si el nivel de agua en el canal es inferior al indicado por el valor

de rugosidad n.

Con n’=80%—n se calcula mediante la fórmula de Manning, el tirante normal

(dn’), la velocidad (V’) y la altura de velocidad (hv’).

E’D = Elevación D + dn’ + hv’

15. Determinación del desnivel.

Desnivel (H): H = EA – E’D.

De las tablas 2 y 3 del anexo, se obtienen en función del caudal y el desnivel, las

dimensiones de la caída rectangular inclinada y de la pileta de aquietamiento.

Longitud de la estructura de entrada a la caída (LF).

Longitud desde el inicio de la estructura de disipación hasta la primera hilera de

bloques (LB).

Longitud de la estructura de disipación (Lp).

Altura de las paredes de la estructura de disipación (Hp).

(d2 + hv2).

Altura de los bloques (h).

Longitud del bloque (1,25—h).

Ancho del bloque = 0,20 m.

Espesor de las paredes de la estructura de disipación (t).

Espesor de la losa de la estructura de disipación (t’).

Longitud a la salida de la estructura de disipación (LT).

Número de bloques en la estructura de disipación (c).

Distancia del primer bloque a las paredes (d).

Ancho de base a la salida de la estructura de disipación (bT).

Número de drenes.

Armadura transversal.



Armadura longitudinal en la losa.

Armadura longitudinal en las paredes.

16. Elevación al inicio y final de la estructura de disipación (punto C).

Elevación C = Elevación D – (d2+hv2)

17. Determinación del tipo de transición a ser utilizado aguas debajo de la estructura

de disipación y de la protección necesaria.

1.3Gradas: Diseño Ejemplo

Son caídas verticales continuas, que se proyectan para salvar desniveles abruptos

siendo recomendable no proyectar en este caso caías o gradas con alturas mayores

s 0.80 m. Por considerarlo un ejemplo didáctico, a continuación se presenta el

ejercicio desarrollado por Domínguez (3) Pág. 390, el cual resulta de bastante

utilidad práctica.

Ejercicio 2: Proyectar un desnivel en forma de gradas siendo éstas de 0.5, 0.30,

0.8, 0.5 y la última de 0.40 m en un canal de 2.00 m de anchura, cuyo gasto es de

1.4 m3/s, de tal manera que entre grada y otra se asegure la formación perfecta del

flujo supercrítico que sigue a cada grada, el canal aguas arriba y aguas abajo tiene

pendiente 1% y es de tierra.

Solución

Figura 3



Es lógico suponer que en la sección 1 se va a producir un tirante crítico cuyo valor

es: ¿QB

=1.42

=0.7m3/s∗m

luego :Yc=0.368m

El análisis hidráulico consiste en llegar a determinar la longitud necesaria para

grada y grada siendo necesario confeccionar el siguiente cuadro:

Columna 1: Número de grada

Columna 2: Altura de grada

Columna 3: Resulta de dividir la altura de grada entre el tirante crítico que se produce en la primera grada, es decir en el punto 1 y cuyo valor es de 0.368 m.

Columna 4: En la grada 1 se tiene:

Agua arriba: Yc = Yo = 0.368

Aguas abajo: Y1= tirante de flujo supercrítico y a la vez es el valor Yo aguas arriba de la segunda grada.

En la primera grada se tiene:

X 0=YoYc

=0.3680.368

=1

Con este valor y la respectiva altura de grada: Xo = 1 y K = 1.359 el valor

Y 1Yo

=0.53∴Y 1=0.53∗0.369=0.196

Y 1=0.169 m

Columna 5: Sería el valor Xo = 1

Columna 6: El valor obtenido en la fig. 4.22:

Y 1Yo

=0.53



Columna 7: Sería el valor:

Y1 = 0.53 x 0.369

Y1= 0.196 m

Desde la columna 4 hasta la columna 7, la operación se repite de la siguiente manera:

En la grada 2: tenemos

Yo = 0.196

Xo=0.1960.368

=0.533 y X=0.815

Y 1Yo

=0.91

Y1=0.178 m

En la grada 3:

Yo = 0.178

Xo=0.1780.368

=0.484 y k=2.174

Y 1Yo

=0.02

Y1=0.146 m

FIG. 4 GRADAS DE BAJADA ANTECEDIDAS Y SEGUIDAS DE FLUJO SUPERCRITICO



FIG.5 DISTANCIA ENTRE GRADAS EN FLUJO SUPERCRITICO



En la grada 4:

Yo = 0.146:

Xo=0.1460.368

=0.397 k=1.359

Y 1Yo

=1.05

Y 1=0.153m

En la grada 5:

Yo = 0.153

Xo=0.1530.368

=0.416 k=1.087

Y 1Yo

=1.05

Y 1=0.16 m



Columna 8 y 9: se obtiene de la Fig. 4

Grada 1: Grada 2:K = 1.359 K = 0.815Xo = 1.0 Xo = 0.533Se obtiene: Se obtiene:dYc=3.3

dYc=3.4

d=3.3x0.368 d = 3.4 x 0.368d=1.21 m d = 1.25 m

Grada 3: Grada 4:K = 2.174 K = 1.359Xo = 0.484 Xo = 0.397Se obtiene: Se obtiene:dYc=5.3

dYc=4.8

d=5.3x0.368 d = 4.8 x 0.368d=1.95 m d = 1.77 m

Grada 5: K = 1.087Xo = 0.416Se obtiene:dYc=4.2

d=4.2x0.368d=1.55 m

Figura 6.

En la grada 5 la situación es la siguiente:

El tirante conjugado menor es: 0.16

Luego:

A = 0.15 x 2

A = 0.50 m2

V = 4.67 m/sRamón Chirinos Ascoy , Vania Uceda Mostacero, Pamela Neyra Carbonell, Pamela Estrada Salazar


El tirante conjugado mayor será:

Y 2=−0.16

2+√ 0.162

4+ 2∗0.16∗4.62

9.81

2

Y 2=0.77 m

V 2=0.91m /s

Longitud del resalto:

Lr = 6 (Y 2 – Y 1)

Lr = 4.50 m

Profanidad del colchón:

Si: b = 2.0 m

n = 0.025

S = 0.001

Z = 0 (rectangular)

Q = 1.4 m3/s

El tirante normal Yn es:

Yn = 0.91 m

Vn = 0.77 m/s

La situación final sería:

Figura 7

Como Yn > Y2 en 0.19 m no es necesario colchón o poza, pero por seguridad podría

considerarse una profundidad de colchón de unos 0.3 ó 0.25 m, según criterio del

diseñador.



DISEÑO HIDRÁULICO DEL SIFÓN INVERTIDO

1. Teoría Del Sifón Invertido

Para cruzar una depresión, se debe recurrir a una estructura de cruce, en cada caso se

escoge la solución más conveniente para tener un funcionamiento hidráulico correcto, la

menor pérdida de carga posible y la mayor economía factible. Los cuales pueden ser:

Puente canal

Sifón invertido

Alcantarilla

1.1 Elección del tipo de estructura

Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar

una alcantarilla.

Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del

obstáculo, se puede utilizar como estructura de cruce; un puente canal o un sifón invertido o la combinación de ambos.

El puente canal se utilizará cuando la diferencia de niveles entre la rasante del

canal y la rasante de la quebrada o río, permita un espacio libre, suficiente para

lograr el paso del agua.

El sifón invertido se utilizará si el nivel de la superficie libre del agua es mayor

que la rasante del obstáculo.

1.2 Concepto de acueducto

El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal,

logrando atravesar una depresión. Está formado por un puente y un conducto, el

conducto puede ser de concreto, acero, madera u otro material resistente, donde el

agua escurre por efectos de la gravedad.

1.3 Concepto de sifón invertido

Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para

conducir el agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica o quebrada,

también para pasar por debajo de un camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso

otro canal.



1.4 Criterios de Diseño

Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de

cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencia de la entrada y

salida.

En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se

requiere un mínimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios

o canales d riego sin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifón cruza un canal

revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura.

En el caso particular del cruce con una quebrada o río de régimen caudaloso,

deberá hacerse un estudio de profundidad de socavación para definir la

profundidad en la que deberá cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin

que esta sea afectada.

La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente

mínima del tubo horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda transición de concreto

a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con ∅ mayor o igual a 36’ y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/s.

Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifón debido a la ocurrencia

fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un 50% o

0.30 m como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15 m a

partir de la estructura.

Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos

con transiciones de tierras, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una

velocidad de 1 m3

Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo “Cubierta

Partida”, se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4 y 0.65 hv

respectivamente (Ver. Fig. 2.15) o con lo manifestando en los ítems 2.4 y 2.5. /s,

en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/s

y entre 3 a 2.5 m/s en sifones largos con transiciones de concreto cono sin control

en la entrada.

A fin de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales computadas se

incrementan en 10%.

En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la

abertura del sifón, esté ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta

profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseño se

toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifón o 1.1 como mínimo o también 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 inspección y mantenimiento.

En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse ya sea

que el sifón opere a flujo parcial o a flujo lleno, con un coeficiente de fricción

menor que el sumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n = 0.008

cuando se calcula las pérdidas de energía.

Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en

lugares donde el aire podría acumularse.

Con respecto a las pérdidas de carga totales, se recomienda la condición de que

estas sean iguales o menores a 0.30 m.

Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto

máximo de la creciente.

Se debe considerar un aliviadero de demasías y un canal de descarga

inmediatamente aguas arriba de la transición de ingreso.

Se recomienda incluir una tubería de aeración después de la transición de ingreso

Se debe analizar la necesidad de incluir válvulas rompe presión en el desarrollo

de la conducción a fin de evitar el golpe de ariete, que podría hacer colapsar la

tubería (solo para grandes caudales).

Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el diseño

hidráulico

Se debe tener en cuenta los criterios de sugerencia (tubería ahogada) a la entrada

y salida del sifón, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubería.

1.5 Cálculo hidráulico de un sifón

Para que cumpla su función el diseño del sifón, se debe de proceder como sigue:



Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplicamos la ecuación de energía

especifica: Ei=Z i+ y i+v i

2

2 g

Dónde:Zi: carga de posición

Zi: carga de presi6n

V 12/2g: carga de velocidad (g =9.81 m/s2)

ΔH: carga hidráulica

Se debe de cumplir que la AH debe de ser mayor a la suma de todas las pérdidas que se

generen en el sifón. Esto se demostrará en el cálculo del siguiente capítulo.

A. Partes de un sifón invertido

Los sifones invertidos, constan de las siguientes partes:

a. Transiciones de entrada y salida Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es diferente a la adoptada

en el conducto o barril, es necesario construir una transición de entrada y otra de

salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda. En el diseño de una

transición de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la abertura de la

parte superior del sifón un poco más abajo de la superficie normal del agua. Esta

práctica hace mínima la posible reducción de la capacidad del sifón causada por



la introducción del aire. La profundidad de sumergencia de la abertura superior del

sifón se recomienda que este comprendida entre un mínimo de 1.1 hv y un

máximo de 1.5 hv.

hh = carga de velocidad =V 2/2g

Donde:

v: velocidad en el canal (m/s)

g: aceleración gravedad (9.81 m/s)

b. Rejilla de entrada y Salida:

La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8" de diámetro o

varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 cm2(3/8" x 3/8") colocados a cada 10 cm, y

soldadas a un marco de 2.54 x 1.27cm2 (1" x 1/2"). Su objeto de la rejilla de

entrada es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y objetos

extraños que impidan el funcionamiento correcto del conducto y la rejilla de salida

para evitar el ingreso de objetos extraños o personas.

c. Tuberías de presión: Son tuberías que transportan agua bajo presión. Para que los costos de

mantenimiento sean bajos hay que colocar soportes y los anclajes de la tubería en

pendientes estables y encontrar buenos cimientos. No deber haber peligro de

erosión por desprendimiento de laderas, pero si acceso seguro para hacer

mantenimiento y reparación.

c.1 Material usado para tubería de presión: El acero comercial fue

fabricado con plancha de acero roladas y soldada. En general las tuberías

de acero que están protegidas por una capa de pintura u otra capa de

protección pueden durar hasta 20 años. Además, son efectivas en

resistencia a impactos pero son pesadas, se unen mediante bridas,

soldadura o juntas metálicas. Evitar enterrar las tuberías de presión debido a

que corren el riesgo de corroerse.

c.2 Velocidades en el conducto: Las velocidades de diseño en sifones

grandes es de 2.5 - 3.5 m/s, mientras que en sifones pequeños es de 1.6

m/s. Un sifón se considera largo, cuando su longitud es mayor que 500

veces el diámetro.

d. Funcionamiento del sifón:

El sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada

y a la salida. Aplicamos Energía en 1 y 2:



Otra fórmula usada es:

Polikouski y Perelman

Donde:

Vt: velocidad media en la tubería (m/s)

D: diámetro de la tubería de acero (m)

El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe

absorber todas las pérdidas en el sifón. La diferencia de carga AZ debe ser mayor

a las pérdidas totales.

e. Válvula de purga de agua y lodos:Se coloca en la parte más baja de los barriles, permite evacuar el agua que se

quede almacenada en el conducto cuando se para el sifón o para desalojar lodos.

Para su limpieza o reparación, y consistirá en válvulas de compuerta deslizante de

las dimensiones que se estime conveniente de acuerdo con el caudal a desalojar.



Ejemplo de diseño Diseñar un sifón invertido en el cruce de un canal con la panamericana las características

del cruce se presenta en la Fig. 1 y las características del canal arriba y aguas debajo del

cruce son:

Z = 1.5Q = 1 m3/sS = 1 %b = 1.0 mn = 0.025Y = 0.7 mV = 0.7 m/sV 2

2g= 0.025 m

La pendiente aguas arriba y aguas abajo es de 1 % y las cotas según el perfil del canal

son:

Km. 1 + 030 = 46.725 m.s.n.m.

Km 1 + 070 = 46.443 m.s.n.m.

FIGURA 1

Solución

Con la información topográfica del perfil del terreno en el cruce y el perfil del canal, se

efectúa el dimensionamiento previo de la figura adjunta, el cual si cumple con los

requisitos hidráulicos necesarios, se puede aceptar como solución al problema, en caso

contrario, se hará los ajustes necesarios.

1. Selección del diámetro del tubo Asumimos una velocidad de 1.5 m/segA=Q/V=1.0/1.5

A=0.67m2

A=πD1

2

4Di = 0.92, escogemos Di = 36” = 0.9144 m



El nuevo valor del área será:

A=0.637 m2

Y la velocidad de diseño:V = 1.52 m/s

V 2

2g=0.118m

2. Longitud de transicionesT

1 = b + 2 Z Y = 1 + 2 x 1.5 x 0.7 = 3.1

T2= 0.9144 m

Lt=T 1−T 2

2tg∝/2; para ∝

2=25°

Lt = 2.35 mLt = 4 Di Lt = 3.67 ≈ 3.70Escogemos:Lt = 3.70 mα/2 = 16º30’

3. Nivel de agua en 1 Del km 1+030 al punto 1 según la Fig. 2 adjunta, hay 6.41 m, luego la cota de fondo en 1 será:36 46.725 – (6.41 x 0.001) = 46.719 m.s.n.m. El nivel del agua en 1: 46.719 + 0.7 = 47.419 m.s.n.m.

4. Cota de fondo en 2 FIGURA 2

Cota de fondo en 2: 47.419 = (Hte – 1.5 Hv)

Hte=Di

cos12°=0.9144

0.9787=0.935 m

1.5 hv=(Vt2

2 g−

V 12

2g )=1.5(0.118−0.025)



1.5hv=0.14 mCota de fondo en 2: 46.344 m.s.n.m.

5. Cota de fondo en 3 α

1= 12º escogido previamente

Sen 12º = h/5.0h = 1.04 mLuego: 46.344 – 1.04 = 45.304Cota de fondo en 3: 45.304 m.s.n.m.

6. Cota de fondo en 4 Longitud de tubo horizontal: 10 m

10 x 0.005 = 0.05 45.304 – 0.05 = 45.254Cota de fondo en 4: 45.254 m.s.n.m.

7. Cota de fondo en 5 α

2= 12º

Sen 12º = h/4 h = 0.8316 mLuego: 45.254 + 0.8316 = 46.086Cota de fondo 5: 46.086 m.s.n.m.

8. Cálculo del valor P en la salida FIGURA 3

El máximo valor en P en la entrada debe ser ¾ D y en la salida ½ D; luego P en la salida: 0.9144÷ 2 = 0.4572De otro lado se tiene que la cota en 6 será: La distancia entre el punto 6 y el km 1 + 070: 7.388La cota en 6 es: 46.443 – 0.0074 = 46.436 m.s.n.m. Cota 6 – cota 5 = 46.436 – 46.086 = 0.35 m Escogemos el valor P = 0.35 para que la cota 6 de la transición coincida con la de la rasante del canal.



9. Inclinación de los tubos doblados (codos)

A la entrada:4.891.04

=4.7

4.7:1 es más plano que 2:1, se acepta la inclinación

A la salida:3.9120.832

=4.7

4.7:1 igual que la entrada aceptamos la inclinación

10. Carga hidráulica disponible Cota 1 + tirante = 46.719 + 0.7 = 47.419 m.s.n.m.Cota 6 + tirante = 46.346 + 0.7 = 47.136 m.s.n.m. Carga disponible = 0.283 m

11. Cálculo de las pérdidas de carga Pérdida por entrada: 0.4 (0.0938) = 0.037 Pérdida por salida: 0.65 (0.0939) = 0.060

Pérdidas por fricción: f LD

Vt 2

2 g=0.061

Pérdidas por codos: Pcod.f = 0.025 L = 19.0 m D = 4R = 0.9144

Pcod. =[0.25√ 12 °90 °

x Vt2

2g ]=0.022

Para mayor seguridad las pérdidas totales se incrementaran en un 10%. Luego: 1.1 x 0.16 = 0.198 m Podemos deducir que la carga disponible menos las pérdidas totales son de: 0.283 – 0.198 = 0.085 m Lo que significa que no habrá problema hidráulico.

12. Cálculo de la sumergencia a la salida

Altura de sumergencia (0.70 + 0.35) – Hte

Hte=Di

cos12°=0.9144

0.9787=0.935 m

Altura de sumergencia: 1.05 – 0.035 = 0.115 m

Este valor no debe exceder a: Hte6

=¿156.06m

Luego: 0.115 < 0.156 Se acepta el valor de sumergencia puesto que es menor a la altura permisible.



13. Longitud de protección con enrocado Lp = 3 Di = 2.74 ≈ 2.80 m

El proyecto preliminar trazado en la Fig. 6 - 3, se considera la solución al problema puesto que cumple con los requisitos hidráulicos.

CONCLUSION

- La calidad de la información es vital para realizar los cálculos en el diseño

tanto de saltos de agua como de sifones, ya que de no ser así se realizarán

estructuras que no se ajuste a las necesidades y alcance los fines para los que

fue destinada su construcción.

- Se dio a conocer a la perfección las ecuaciones básicas que servirán para el

diseño de caídas de agua y sifones.

- Se han desarrollado ejercicios de diseño de sifón y caídas, en concordancia a

las Normas Técnicas Vigentes y la buena práctica de la ingeniería hidráulica

comprendiendo a fondo los temas ya mencionados.


informe ucv

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