INDICE

I.- INTRODUCCION 02

II.- OBJETIVOS03

III.- DISEÑO HIDRAULICO DE OBRAS DE ARTE 04

4.01. Diseño Hidráulico de Transiciones 03 4.01.01. Desarrollo de Problemas Aplicados

064.02. Diseño Hidráulico de Aliviaderos laterales07 4.02.01. Criterios de Diseño07 4.02.02. Desarrollo de Problemas Aplicados084.03. Diseño Hidráulico de Sifones 09 4.03.01. Generalidades 09 4.03.02. Criterios de Diseño11 4.03.03. Desarrollo de Problemas Aplicados134.04. Diseño Hidráulico de Acueductos23 4.04.01. Generalidades 23 4.04.02. Criterios de Diseño25 4.04.03. Desarrollo de Problemas Aplicados254.05. Saltos de agua, caídas y rápidas 294.06. El Aforador Parshall 32 4.06.01. Uso y ventajas 38 4.06.02. Funcionamiento Hidráulico 38 4.06.03. Criterios Para elección del tamaño más

adecuado del Parshall 39

IV.- CONCLUSIONES 41

V.- RECOMENDACIONES 41

VI.- BIBLIOGRAFIA 41

I.- INTRODUCCIÓN

Para poner en funcionamiento un canal de riego, este debe contar con la totalidad de sus elementos estructurales que lo componen, tanto para en el control del flujo y para su acondicionamiento a la topografía del terreno.

Cada uno de estos elementos debe contar con un diseño especial que se adecue a la realidad de la misma.

Dentro de las obras de arte que necesariamente se diseñan en un canal, tenemos los siguientes:

Transiciones: debido al cambio de dimensiones del canal o su sección transversal.

Aliviaderos laterales: cuando hay peligro de que el canal reciba una sobrecarga de agua.

Sifones: cuando el eje del canal pasa por una quebrada, rio, depresiones, etc.

Acueductos: cuando exista depresiones pronunciadas en el relieve del terreno.

Caídas: proyectadas para salvar desniveles bruscos en el canal.

Rápidas: proyectadas para conectar canales de diferente desnivel en una longitud corta.

Aforador parshall: para medir caudales.

Cada una de estas obras cumple una función relativamente importante para el normal funcionamiento de toda la estructura en su conjunto.

II.- OBJETIVOS

Conocer la importancia y función que cumple cada obra de arte dentro del canal de riego.

Aprender a diseñar obras de arte que vayan de acuerdo con la realidad de cada proyecto.

Conocer y diferenciar las obras de arte en un sistema de riego.

III.- DISEÑO HIDRAULICO DE OBRAS DE ARTE

4.01. Diseño Hidráulico de Transiciones

Estructura que es necesaria en el cambio de las dimensiones del canal, de su sección transversal, pendiente y en las conexiones del canal con otras obras de arte (sifones, acueductos, etc.).

Como criterios para el dimensionamiento hidráulico se pueden mencionar:

a. Minimización de las pérdidas de energía por medio de estructuras económicamente justificables.

b. Eliminación de las ondulaciones grandes y de los vórtices (por ejemplo, los vórtices de entrada con el consecuente peligro de introducción de aire.

c. Eliminación de zonas con agua tranquila o flujo muy retardado (por ejemplo: las zonas de separación traen consigo e! riesgo de depósito de material en suspensión).

Las pérdidas de carga en las transiciones, dependen del ángulo que .forman los aleros de la transición con el eje del canal, si Bureau Of Reclamation, recomienda un ángulo de 12° 30' en aquellas estructuras donde las pérdidas deben reducirse al mínimo y 250 cuando se pierde carga, tales como caídas, rápidas, sifones, etc.

Cuando se toma el ángulo 12° 30’; a veces resultan transiciones muy largas con el consecuente desmedro económico, por lo tanto se debe saber solucionar estas dificultades. El coeficiente de pérdidas se puede calcular analíticamente, ya que para cada ángulo corresponde un coeficiente de pérdida, distinto, para cálculos rápidos se puede utilizar las tablas y gráficos.

Una ayuda valiosa en el cálculo hidráulico es el diagrama de energía con las curvas Ho-y. Se recomienda trazar, con el caudal dado Q, una familia de curvas para varias secciones transversales de la estructura, donde los cambios en la sección transversal de la estructura de transición están limitados únicamente a cambios en el ancho B del canal, de tal modo que las secciones transversales consecutivas están caracterizadas por valores definidos del caudal unitario q=Q/B.

Ilustración 1. Curvas Ho - y

Se supone que se conocen las secciones transversales de los canales aguas arriba y aguas abajo, los cuales deben ser unidos con la estructura de transición y también, el caudal, la profundidad de agua, la altura de energía en la sección transversal final y su forma.

Tipos de TransiciónLas estructuras de transición de un canal trapezoidal a uno rectangular pueden agruparse en tres tipos:

a. Transición con curvatura simpleb. Transición de forma cuñac. Transiciones con doble curvatura.

Scobey (1933).

Las dos primeras formas deberían limitarse a casos con velocidades

muy pequeñas de flujo , y ninguna de las tres formas son apropiadas para flujo supercrítico. El tipo c) se recomienda para estructuras muy grandes no sólo porque satisface mejor los requerimientos hidráulicos, sino también porque, en estos casos, las superficies con doble curvatura se pueden construir dentro de términos económicamente rentables.

Debido a que una estructura de ingreso a un canal representa el problema extremo de un estrechamiento, son válidos para ella los mismos criterios de diseños anteriores. En lo posible, se debe evitar una entrada hacia un canal con cantos sin redondeamiento, a menos que el ahorro en los costos de construcción para estructuras pequeñas, sea más importante que las ventajas del flujo más hidrodinámico, el que puede obtenerse si la forma sigue aproximadamente el perfil de las líneas de corriente.Para estructuras de tamaño intermedio se debe disponer, en lo posible, transiciones con simple curvatura tanto en el fondo como en las paredes entre el embalse y el canal. Criterios de referencia para la relación entre el radio de redondeo y el ancho, o bien, la profundidad del canal, se pueden obtener de la ilustración 4, que originalmente fue formulada para entradas en tuberías (Hubbard, Ling, 1952).

4.01.01. Desarrollo de Problemas Aplicados

Por un canal de sección rectangular, fluye un caudal de 7.2 m3/seg. Pasando por una sección de ancho 3.4 m. a otra de 5.6 m en forma gradual sin que el fondo varíe de cota, el tirante en la sección de 3.4 m es 1.06 y en la de 5.6 m es 1.30; se pide calcular:

El ángulo apropiado-que debe tener el -eje del canal con los aleros de la transición, según el U.S.B.R.

Solución

a) El ángulo apropiado será:

Tgα/2 = 1 . 3 F

Se calcula el Nº de Fronde en cada sección y se obtiene el promedio

V1 = 7.2 . = 1.998 ; V2 = 6.5 . = 0.989 3.4x1.06 5.6 x 1.3

F1 = 1.998 . = 0.62 ; F2 = 0.989 . = 0.277 9.81 x1.06 9.81 x 1.3

F( promedio) = 0.449

Tgα/2 = 1 . =0.742 3 x 0.449

α/2 = 360 35’ por medidas prácticas se toma:

α/2 =36°

4.02. Diseño Hidráulico de Aliviaderos laterales

Estructura que es necesaria para descargar el agua excedente proveniente de las precipitaciones o de avenidas que no caben en el espacio destinado para almacenamiento o conducción y dejar pasar los excedentes que no se envían al sistema de derivación.

Consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que podrían causar serios daños, por lo tanto, su ubicación 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 mínimo de obras de arte, buscándose en lo posible cauces naturales para evitar obras adicionales, aunque esto último depende siempre de la conjugación de diferentes aspectos locales (topografía, ubicación del vertedero, etc.).

Clasificación de los aliviaderos según el tipo de vertimiento

1. Vertedores automáticos. Son aquellos en que el agua al sobrepasar su cresta vierten automáticamente, es decir, no llevan ningún dispositivo para controlar el vertimiento.

2. Vertedores regulados por compuertas Son aquellos en los que tal y como lo indica su nombre el vertimiento es regulado por compuertas.

4.02.01. Criterios de Diseño

1.- El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel máximo de su caja hidráulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como de máxima avenida.

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

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

4.- Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de fórmulas, a continuación se describe la fórmula de Forchheiner citada por el SIMAMOS:

Q =ύ2µ 2g Lh3/2

3

Dónde:

ύ= 0.95µ = coeficiente de contracciónL = longitud del vertederoh = carga promedio por encima de la cresta.

El flujo del canal, deberá ser siempre subcrítico, entonces:

h2 > h1

h = h1+h2

2h1= 0.8 h2

h = 0.9 h2.

La fórmula da buena aproximación 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 µ según la forma que acepte la cresta.

FORMA µ

a) Anchos de cantos rectangulares 0.49-0.51

b) Ancho de cantos redondeados 0.50-0.65

c) Afilado con aeración 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 está 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 ó.d.

7.- Los aliviaderos laterales pueden descargar, través de un vertedero con colchón al pie (desniveles pequeños) o mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes).

4.02.02. Desarrollo de Problemas Aplicados

Un canal trapezoidal de rugosidad 0,014 con taludes 1:1 plantilla 1m y pendiente 1 0/00 recibe en épocas 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.

Solución

1) Cálculo de los Tirantes

Ymáx=1.71m

Yn=1.17m

Y2=1.42m

2) Cálculo de."h''.

h2 =0.25m.h1= 0.8*h2=0.2m.

h =0.2+0.25 = 0.225 m. 23) Caudal a evacuar

Q = 3 m3/ seg.

4) Cálculo de L

Para µ= 0.5 y aplicando Ec, 4.21

L= 3Q . 2 x ύ x µ 2g xh3/2

L = 20 m.

4.03. Diseño Hidráulico de Sifones

Estructura necesaria, cuando el eje del canal pasa por una quebrada, rio, depresiones, etc.

4.03.01. Generalidades

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

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

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

Un canal en su trayectoria alcanzará en algunos casos depresiones abruptas o zonas con problemas de estabilidad de suelos, que no podrán ser superados con estructuras elevadas (acueductos), sea por razones técnicas como económicas, por lo que podrá considerarse como variante una estructura que cruce el desnivel por medio de un conducto que se desplace por debajo del accidente topográfico, lo cual dará lugar a la configuración de un sifón invertido.

Esquema de un sifón invertido superficial .

Los sifones pueden ser construidos superficiales o enterrados. Las estructuras superficiales se emplazarán sobre el suelo, en trincheras, túneles o galerías, los cuales permiten una mejor accesibilidad. Las estructuras enterradas son más simples y normalmente de menor costo, ya que no cuentan con soportes, sin embargo la desventaja está asociada al mantenimiento, por cuanto su accesibilidad resulta más complicada.

El sifón contará además de estructuras de entrada y de salida para lograr condiciones de transición hidráulicamente eficientes, por lo que su diseño deberá lograr que el flujo se desarrolle en lo posible sin perturbaciones superficiales, choques bruscos contra las paredes y cambios de dirección pronunciados. Las estructuras de entrada y de salida contarán en ambos casos con rejillas y elementos de cierre

rápido, que permitirán el control de flujo y los trabajos de mantenimiento.

Transiciones de entrada y salida

El área de la sección transversal de un sifón viene determinado, de acuerdo a la ley de continuidad por el caudal de aducción y la velocidad de flujo. La magnitud de la velocidad media en el conducto que conforma el sifón, puede variar entre 2 a 4 m/s, para velocidades menores a 2 m/s, es probable la presencia de procesos de sedimentación. Sin embargo la velocidad de flujo está asociada también al tipo de material del conducto; Zurita considera los siguientes valores:

- Conductos de fábrica 1.0 a 1.5 m/s- Tubos de hormigón 1.5 a 2.5 m/s

En todos los casos se deberá incorporar elementos que permitan la limpieza periódica de los sedimentos que se acumulen en los sectores bajos a consecuencia de las reducidas velocidades de flujo que se presenten durante la operación del sistema.

El diseño hidráulico de un sifón tiene como base el cálculo de las pérdidas de carga, locales y por fricción en el conducto. Entre las pérdidas locales se considerarán principalmente pérdidas en la estructura de entrada, en los cambios de dirección o codos y en la estructura de salida. El cálculo se realizará para cada sección de conducto considerado hasta obtener niveles de pérdidas que permitan por un lado el funcionamiento hidráulicamente eficientes del sifón y represente el menor costo posible.

4.03.02. Criterios de Diseño

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

En aquellos sifones que cruzan caminos principales o de bajo de drenes, se requiere un mínimo de 0.90m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.60 m si el sifón 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 mínima del tubo horizontal debe ser 5 °/oo. Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con Þ 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 sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un 50% ó 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 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 pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo “Cubierta Partida”, se pueden calcular rápidamente con los valores 0-4 hv

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 ó 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 la entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere al flujo parcial o a flujo lleno con un coeficiente de fricción menor que el sumido en el diseño, por estas razón se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculan 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 respeto a las pérdidas de cargas totales, se recomienda la condición de que éstas 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 recomienda los anchos de corona de la Tabla 4.3 en el cruce de sifones o alcantarillas según el tipo de camino.

Tabla: Anchos de coronas según el tipo de camino

Cruce con Caminos de Tipo

Ancho del Camino en la Corona de la Alcantarilla o Sifón

Cruce Simple

Cruce con Sobre Ancho

V1 (3m)

V2 (4m)

V3 (6m)

4 4.00 m5.50 m

5.80 m

4.6. 5.60m6.60 m

8.00 m

4.03.03. Desarrollo de Problemas Aplicados

CARACTERÍSTICAS DEL CANAL PRINCIPAL:

Hidráulicas: Geometría:

Q = 1.50 m3/s B = 3.30m

Y = 0.987m b = 0.80m

A = 1.764m2 H = 1.25m

P = 3.592m Z = 1.00

R = 0.491m e = 0.075m

V = 0.85m/s

S = 0.0005

n = 0.016

1. INFORMACION TOPOGRAFICA

Km 03 + 620 = 236.95 msnmKm 03 + 700 = 236.89 msnm

5

43

21

2020

14134.78

12.22 5.0 10.517 5.0 12.28 5.8

4.47

2. SELECCIÓN DEL DIAMETRO DEL TUBO

Asumimos una velocidad de 1.5 m/seg

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

Luego:D = 4 A/D = 4 *1/D =1.128m D =44” diámetro 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 condición 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

Según 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

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

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

9. CALCULO DEL VALOR P EN LA SALIDA

12

21

236.9

1.5

H

0.987

237.92

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 más 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

236.89

237.8

236.5

12

65

p

0.987

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 fricciónf 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 hidráulica disponiblePchd = 0.045 – 0.233 = -0.188

Lo que significa que el diseño tendrá problemas hidráulicos NOTA: en visto de ello se opto por variar la cota 6, para tener más carga disponible; lo cual conlleva a variar las cotas de la rasante del canal aguas abajo del sifón.

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 hidráulica disponibleA la entrada = 237.927A la salida = 236.610 +0.987 = 237.597

Carga disponible = 237.927 – 237.597 = 0.33

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

Lo que significa que no habrá problema hidráulico

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

4.04. Diseño Hidráulico de Acueductos

Estructura necesaria cuando existan depresiones pronunciadas en el relieve del terreno.

4.04.01. Generalidades

Los acueductos son obras de arte que tiene la función de superar depresiones que se encuentren en el terreno, formados normalmente por quebradas, ríos y cárcavas originadas por la erosión. Un acueducto, es virtualmente un puente que sostiene un canal de corta longitud, el cual contiene agua en movimiento.

Desde el punto de vista de la estructura civil, los acueductos pueden ser de dos tipos: Acueducto sobre una estructura de soporte (puente), y canal cuyas paredes y base forman parte estructural del puente.

Los materiales de construcción de los acueductos dependerán de las condiciones de estabilidad, definida normalmente por las dimensiones del canal y la longitud del acueducto, así como del análisis económico de las variantes consideradas.

El acueducto servirá entonces para vencer algún accidente topográfico y acortar la longitud del canal en el tramo considerado. Este puente-canal servirá así mismo para el paso de peatones, por lo que se deberá prever en la estructura estas formas de utilización. Eventualmente se dispondrá para el uso peatonal una cubierta superior o veredas laterales.

Esquemas un acueducto

Es importante considerar también las necesidades de mantenimiento del acueducto, incorporando obras de limpieza y evacuación, como compuertas, que permitan aislar y desviar las aguas en una sección anterior al puente, principalmente en situaciones de emergencia. Por lo tanto, algunas obras de limpieza del canal podrán coincidir con las secciones indicadas.

Transiciones

Entre las transiciones que con mayor frecuencia se presentan en canales de montaña, se pueden mencionar a las caídas y las rápidas.

Estas estructuras pueden utilizarse en los casos de desniveles originados por las características topográficas. De igual modo las transiciones se aplican en entradas o salidas de estructuras específicas de un sistema hidráulico y alcantarillas en carreteras. 

4.04.02. Criterios de Diseño

Estas obras constan de transición de entrada y de salida, siendo siempre rectangular la sección del acueducto.

La energía del acueducto debe ser en lo posible igual a la energía del canal, para lo cual se trata de dar velocidad en acueducto y a la del canal, despreciándose las pérdidas de carga en este caso normalmente suele darse a las transiciones, ángulos de 12° 30’.

La pendiente en la sección del acueducto debe ajustarse lo más posible a la pendiente del canal a fin de evitar cambios a la rasante de fondo del canal.

Normalmente se aconseja diseñar considerando un tirante en el acueducto al igual del canal.

La condición de flujo del acueducto debe ser subcrítico.

4.04.03. Desarrollo de Problemas Aplicados

4.05. Saltos de agua, caídas y rápidas

Las caídas y rápidas son estructuras que se usan para unir dos tramos de canal que están a diferente nivel topográfico. Se denomina caída inclinada cuando la caída en el gradiente de energía en una estructura no es mayor de 4.50m. Cuando la caída en el gradiente de energía que tiene que ser disipada por la estructura es mayor de 4.50m la estructura se denomina rápida. Las rápidas pueden tener secciones rectangulares o trapezoidales de acuerdo con las condiciones del terreno a lo largo de su localización. Las caídas y rápidas son estructuras disipadoras de energía que se construyen en lugares donde la topografía lo exige.

Caídas:

Proyectadas para salvar desniveles bruscos en el canal.

Son obras proyectadas en canales o zanjas, para salvar desniveles bruscos en la rasante de fondo, Gómez Navarro, hace una diferenciación de estas obras y conviene en llamar las caídas cuando los desniveles son iguales o menores a 4 m., estas a su vez pueden ser verticales o inclinadas.

Para desniveles mayores a 4.0 m. la estructura toma el nombre de rápida y en estos casos es conveniente un estudio económico entre la rápida o una serie de caídas que Domínguez, denomina gradas.

En el presente ítem, se estudia el diseño hidráulico de caídas verticales e inclinadas, rápidas y gradas, no se trata el caso de caídas entubadas puesto que su diseño se basa en los mismos principios que los sifones.

Caídas verticales

Criterios de Diseño hidráulico

1.- Son construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1 m como máximo, solo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores.

2.- El SINAMOS, 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 i obras de sostenimiento ni drenaje.

3.- Cuando el desnivel es ≤: 0.30 m y el caudal ≤ 300 L/seg.x m de ancho de canal, no es necesario poza de 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 = 2 µ B 2g Lh3/2

3B = ancho de caída

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.- Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara indicada en la Fig., el cual se debe reemplazar para evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura.

8.- Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes:

a) Contracción lateral completa en 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/sxm. de ancho de cresta de la caída.

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.

Caídas Inclinadas.

Estas estructuras se proyectan en tramos cortos de canal con pendientes fuertes, siendo la velocidad del flujo en la caída siempre mayor que la del propio canal, causando serios; daños por erosión si no se pone un revestimiento apropiado; mediante el análisis hidráulico se verifican los fenómenos del flujo, que a su vez serán el fundamento para la determinación de la clase de revestimiento y de su extensión.

Una caída inclinada se divide desde arriba hacia abajo en las siguientes partes:

- Transición de entrada con sección de control

- Caída propiamente dicha

- Colchón

- Transición de salida.

En algunos casos la caída propiamente dicha y el colchón, pueden ser de sección rectangular o trapezoidal, la selección depende de las condiciones locales y en todo caso del criterio del diseñador.

Sección de Control

La sección de control tiene por finalidad, mantener el flujo aguas arriba en régimen tranquilo, de manera que es en la misma sección de control donde ocurre el cambio de régimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad crítica.

La sección de control consiste en una variación de la sección del canal en el punto donde, se inicia la caída o en una rampa en contra pendiente, de manera que la energía en el canal aguas arriba sea igual a la energía en el punto donde se inicia la caída.

Criterios de Diseño en Caídas Inclinadas: Sección rectangular

1.- La rampa inclinada en sentido longitudinal de la caída en sí se recomienda en un valor de 1.5:1 a 2:1, su inclinación no debe ser menor a la del ángulo de reposo del material confinado.

2.- El ancho de la caída B es igual a;

B = Q/q

Dónde:

q = .171 H2/3

Q =valor conocido =Q = 2 µB 2g H3/2

3µ = 0.58 (valor promedio aceptado en este caso)

Finalmente el valor B, debe ser tal que, al pie de la caída el Número de Froude nos permita seleccionar la poza de disipación que más se ajuste a nuestro criterio.

3.- Es muy importante tener en cuenta la supresión, por lo que se recomienda seguir las indicaciones para calcular el número de lloradores.

4.- Estructuralmente la caída estará dispuesta con las precauciones del caso, para evitar su falla por deslizamiento.

Rápidas Proyectadas para conectar canales de diferente desnivel en una longitud corta.

Son canales abiertos, pavimentados o revestidos, en los que el agua corre con gran velocidad. Pueden establecerse como secciones de canal de poca longitud en tramos de mucha pendiente.

Para el diseño es necesario conocer las propiedades hidráulicas, las elevaciones de las rasantes y de las secciones del canal aguas arriba y aguas abajo de la rápida, así mismo un perfil longitudinal del tramo donde se ubica la estructura.

Una rápida constante de las siguientes partes:

Transición de entrada. Sección de control, es la sección correspondiente al punto donde

comienza la pendiente fuerte de la rápida. Canal de la rápida, es la sección comprendida entre la sección de

control y el principio de la trayectoria, puede tener de acuerdo a la configuración del terreno una o varias pendientes, pudiendo ser de sección trapezoidal o rectangular, es necesario poner atención en el

aumento del volumen de la corriente por acción del aire incorporado cuando las velocidades halladas exceden 10 m/seg.

Trayectoria, es una curva parabólica vertical, que une la pendiente última de la rápida con el plano inclinado del principio del colchón amortiguador, de tal manera que debe diseñarse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacíos.Si la trayectoria se calcula con el valor de la aceleración de la gravedad como componente vertical, no habrá presión de agua sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentará, limitándose así la capacidad del canal. Por tal razón es conveniente usar como componente vertical un valor inferior a la aceleración de la gravedad o incrementar el valor de la velocidad para que la lámina de agua se adhiera al fondo del canal.

Tanque o colchón amortiguador. Transición de salida.

4.06. El Aforador Parshall

Es una estructura que sirve para medir caudales en un rango muy amplio. Debido a que la velocidad del agua es muy grande en la estructura no se deposita sedimentos y la precisión del aforo queda dentro del 5% de error. El medidor consta de las siguientes partes:

- Entrada- Garganta- Salida

4.06.01. Uso y ventajas

1.- El diseño es simple y su construcción suele resultar barata si se ubica en lugares que deben revestirse o si se combina entre caidas y sifones, etc.

2.- La estructura trabajada aun teniendo gran variación en el gasto y este se puede determinar con bastante precisión pues cuando el medidor trabaja con descarga libre de error es menor de 3% y cuando trabaja ahogado el error es de 5%.

3.- No se produce el problema de avenamiento en la estructura ni aguas arriba de ella conservando siempre su misma presión.

4.- Su conservación es casi nula y su fácil lectura permite un control a nivel de usuario y sectorista de riego, sin mayor experiencia.

5.- Hidráulicamente funciona bien por su baja perdida de carga con relación a otros tipos de medidores.

4.06.02. Funcionamiento Hidráulico

El medidor Parshall funciona en dos casos bien diferenciados.

A. Con descarga libre.B. Con descarga sumergida y ahogada.

A. Descarga libre.

Cuando el escurrimiento es libre, el caudal aguas debajo de la estructura no obstaculiza a la descarga por la garganta y en este caso la descarga Ha, la descarga libre puede acontecer de 2 maneras:

Sin salto hidráulico: este caso se presenta cuando el tirante aguas abajo del medidor es muy pequeño en relación al nivel de la cresta del medidor y físicamente se manifiesta con una circulación libre del agua en el medidor, sin producir ninguna turbulencia o cambio brusco del Tirante de agua.

Con salto hidráulico: este caso se presenta, cuando el tirante aguas abajo del medidor es suficientemente grande con respecto al nivel de la cresta y por lo tanto el agua trata de recuperar el nivel de aguas abajo, lo cual se hace bruscamente, produciéndose el salto hidráulico, siempre y cuando el salto hidráulico se produzca fuera de la garganta el escurrimiento será libre.

B. Descarga sumergida.

Cuando el caudal aguas debajo de la estructura obstaculizaba la descarga por la garganta, se tiene escurrimiento sumergido, y en este caso la carga Hb difiere poco de la carga Ha siendo el caudal función de dos cargas: Ha y Hb ; es decir , cuando la mira en “b” marca una altura de agua (Hb) se dice que el medidor funciona con cierto grado de sumergencia.

4.06.03. Criterios Para elección del tamaño más adecuado del Parshall El tamaño es designado por el ancho de la garganta (W), antes del diseño del Parshall , debe ser seleccionado la sección transversal de canal, el rango de descargas a ser medido , la pérdida de carga admisible a través del canal, y la profundidad normal del flujo en canal deben ser conocidos.

Según Trueba Coronel, desde el punto de vista de la economía en la construcción de la estructura, el menor de los medidores con la capacidad requerida será el más favorable, por otra parte, un medidor demasiado grande resultará impreciso toda vez que en éste, a una variación pequeña en la carga corresponde una variación considerable en el gasto , sin embargo h ay otras consideraciones que hacen que en la mayoría de los casos, el medidor que se instala no sea el más pequeño , por ejemplo , un medidor pequeño origina una pérdida de carga fuerte, que se traduce en un apreciable aumento en el tirante del canal aguas arriba del medidor, que

se puede traducir en una completa variación de las condiciones de escurrimiento en dicho canal pues a ese aumento de tirante y disminución de velocidad puede corresponder un depósito de azolve, por otra parte puede poner en peligro la estabilidad de los bordos al reducirse el borde libre y también, si el medidor está colocado , cerca de la bocatoma que alimenta el canal lateral en donde está instalado , ese aumento de tirante en el canal principal, lo cu al no siempre es posible y en consecuencia la derivación es de un gasto menor que aquel p ara el cual fue proyectado .

La fuerte velocidad que se produce a la salida, obliga instalar un medidor de tamaño mayor que el mínimo necesario y con el objeto de evitar erosionar aguas abajo de la estructura, se tiene que colocar u n revestimiento que eleva el costo de instalación y es necesario por lo tanto optar por un tamaño un poco mayor, lo que también reduce la longitud de las paredes laterales o aleros cuando éstos se hacen necesarios.

Usualmente el tamaño del medidor varía de 1/3 a 1/2 del ancho del canal cuando se trata de canales rectangulares pequeños, y de 2/3 aproximadamente cuando se trata de canales trapezoidales.

El buen funcionamiento de la estructura no sólo depende de un tamaño adecuado sino también de una correcta instalación, para ello es necesario conocer la pérdida de carga que origina la estructura para adoptar la adecuada elevación de la cresta sobre el fondo del canal.

Cuando el tamaño del medidor se disminuye, se reduce la elevación de la cresta sobre la plantilla del canal y a mayor gasto corresponde mayor grado de sumersión, así que se deberá tener en cuenta que para un correcto funcionamiento del medidor, no debe hacerse trabajar con un grado de sumersión mayor que 0.95 y de ser posible se procurará que trabaje siempre con descarga libre.

CONDICIONES PARA EL DIMENSIONAMIENTO:

a) Para dimensionar el medidor parshall se debe conocer los siguientes elementos:

Sección transversal de los canales aguas arriba y aguas abajo

Intervalo de caudal Profundidad normal del agua en los canales Carga disponible

b) Admitir flujo libre en el medidor, con el ahogo máximo posible en la condición de caudal máximo.

c) Se considera que el diseño del medidor parshall con flujo libre es adecuado, cuando satisface las siguientes condiciones:

carga total en la cresta del medidor no superior a la carga total en la sección de entrada.

Perdida de carga en el medidor

IV.- CONCLUSIONES

El diseño hidráulico de transiciones reduce las pérdidas de

carga, debidas al cambio de las secciones del canal o la

pendiente de la misma.

Los aliviaderos son de vital importancia, ya que estos protegen

al canal de riego de colapsar por aumento de su caudal de

conducción.

En el diseño de la transición de entrada del sifón, se

recomienda que la parte superior de la abertura esté

ligeramente debajo de la superficie normal del agua, para evitar

problemas de remanso de agua.

Los materiales de construcción de los acueductos dependerán de

las condiciones de estabilidad, definida normalmente por las

dimensiones del canal y la longitud del acueducto, así como del

análisis económico de las variantes consideradas.

Las caídas y las rápidas están diseñados para salvar desniveles

bruscos en la rasante del canal.

El aforador parshall es una Estructura de medición de caudales

en los canales con fines de riego, aprovechando la gran

velocidad del agua existente en la estructura.

V.- RECOMENDACIONES

Para el diseño de transiciones se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón este ligeramente debajo de la superficie normal del agua.

Para la ubicación de los aliviaderos se debe conocer todos los puntos del canal donde exista peligro de desborde o inundación.

Es necesario tener muy presente las dimensiones del sifón para que la velocidad del agua no provoque daños en la estructura.

Se recomienda que los materiales de construcción para un acueducto se encuentren en buen estado ya que de estas depende su estabilidad y duración.

Para el diseño de caídas y rápidas se debe tener muy en

consideración los materiales a utilizar y la resistencia del concreto.

Para construir un aforador Parshall se debe tomar en cuenta su ubicación en lugares donde el canal necesita revestimiento o combinado entre caídas y sifones.

VI.- BIBLIOGRAFIA

PALACIOS VELEZ, Enrique. “Manual de operación de Distritos de riego”. 3ra. edición. Chapingo, MX: Universidad Autónoma de Chapingo.-. 1980.

VEN TE CHOW. “Hidráulica de canales abiertos”. Mac Graw Hill

www.monografias .com. “Transiciones y cuencos disipadores”. 10 de Mayo de 2011.

http://es.wikipedia.org/wiki/Canal de riego. 11 de mayo de 2011.

VILLON BEJAR, Máximo. “Hidráulica de canales”. 1ra edición. Editorial- tecnología de costa rica 1995.