10. SIFONES

10.1 GENERALIDADES

En el diseño de obras de conducción es muy frecuente encontrarse con otra obra, río, quebrada, carretera, etc., en el mismo nivel, lo cual obliga a cruzarlo por debajo o por encima. Ahora veremos el caso cuando pasa por debajo del nivel de la otra estructura, es por eso que se proyecta un sifón invertido que puede ser de sección circular, rectangular o cuadrada que trabajará a tubo lleno.

Un sifón consta de un conducto cuya longitud queda determinada por el perfil del terreno y dos transiciones, una de entrada y otra de salida. Normalmente tenemos que los canales son de sección trapezoidal por lo que la transición de entrada la transforma a sección rectangular.

En el cruce de un canal con una 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 está cerca a centros poblados, siendo necesario el uso de rejillas pero con la desventaja de que puedan obturarse las aberturas y causar remansos.

10.2 CRITERIOS DE DISEÑO

1. Las secciones más comunes son la circular y la rectangular. La forma y el número de los conductos se determinan por las condiciones locales y de economía.

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

3. 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 de riego sin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m. de cobertura.

4. 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 diámetro mayor o igual a 36'' y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/s.

5. Con la finalidad de evitar desbordes aguas arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al del 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.

6. 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 m/s. En sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/s y entre 3 m/s a 2.5 m/s en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada.

7. En el caso que el agua acarree arenas u otros materiales abrasivos es conveniente limitar la velocidad a un máximo de 3 m/s, y con el objeto de no tener obstrucciones y dificultades durante la operación, la velocidad mínima del agua debe ser de 1.5 m/seg.

8. Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo "Cubierta Partida", se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4 hv y 0.65 hv respectivamente, o con las fórmulas de pérdidas por fricción de tuberías.

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

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.

11. En la salida, la sumergencia no debe exceder el valor Hte/6.

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

13. En sifones largos, bajo ciertas condiciones, la 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 asumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculan las pérdidas de energía.

14. Con la finalidad de evitar la cavitación, a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse. Debemos tener en cuenta que se recomienda no exceder los 15 m/s para no correr riesgos de cavitación.

15. Con respecto a las pérdidas de cargas totales, se recomienda la condición de que éstas sean iguales o menores a 0.30 m.

16. Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la avenida. Deberá efectuarse un cálculo de la erosión potencial.

TABLA : ANCHOS DE CORONAS SEGUN EL TIPO DE CAMINOS

Cruce con Caminode tipo

Ancho del Camino en la Coronade la Alcantarilla o Sifón

Cruce Simple Cruce con SobreAncho

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

4 m5.5 m8.0 m

6.6 m6.6 m8.0 m

10.3 SIFONES CON SECCIÓN CIRCULAR

La tubería de presión de concreto precolado y la tubería monolítica de concreto son los tipos más comunes de conductos circulares para sifones que usen cargas de 40 a 50 metros. Para cargas mayores se usan tuberías de placa de acero, tubo de concreto monolítico con revestimiento interior de placa de acero, tubo de concreto precolado con cilindros de acero, tubo de concreto preesforzado, tubos de asbesto cemento y tubería de acero fundido.

Para el diseño estructural se usa el método de la rotura.

Con el objeto de disminuir las grietas en el concreto, para evitar fugas de agua y deterioro de las varillas de acero, es recomendable utilizar esfuerzos reducidos del acero.

Tabla 13. Valores de esfuerzo del acero para efectuar el diseño estructural propuestos por la USBR.

Esfuerzo reducido del aceroKg/cm2

Carga máximaen metros

1125 15.24984 22.86879 38.10

El considerar un esfuerzo reducido del acero, nos permite tener mayor garantía de impermeabilidad del tubo de concreto, porque el acero no lo va a someter a deformaciones considerables.

10.4 SIFONES CON SECCIÓN RECTANGULAR

Normalmente se diseñan sifones rectangulares, cuando la longitud de la estructura es relativamente pequeña, y la carga sea como máximo de 9 a 10 metros referida al tramo principal.

Ejemplo de diseño

Diseñar un sifón invertido en el cruce de un canal con la carretera Panamericana las características del cruce se presentan en la figura adjunta y las características del canal aguas arriba y aguas abajo son:

Z = 1.4Q = 1.2 m3/sS = 1.5 o/oo

b = 0.80 mn = 0.024Y = 0.739 mV = 0.89 m/s

La pendiente aguas arriba y aguas abajo es de 1.5 o/oo y las cotas según el perfil del canal son:

Km 2 + 050 = 12.164 m.s.n.m.Km 2 + 090 = 11.861 m.s.n.m.

Solución

Con la información topográfica del perfil del terreno en el cruce y el perfil del canal, se efectúa el dimensionamiento previo de la manera mostrada a continuación, el cual si cumple con los requisitos hidráulicos necesarios, se puede aceptar como solución al problema, en caso contrario, se harán los ajustes necesarios.

1) Selección del diámetro del tuboAsumimos una velocidad de 1.5 m/s

A = 0.80 m2

Di = 1.01 m , por tanto escogemos Di = 40'' = 1.01 m.

En este caso el diámetro elegido coincide con el área necesaria, por lo tanto no será necesario un recálculo.V = 1.50 m/s

2) Longitud de transiciones

T1 = b + 2 Z Y = 0.80+ 2 * 1.4 * 0.739 = 2.87 mT2 = 1.01 m

Además la longitud de la transición de entrada debe ser Lt = 4 Di

Lt = 4.04 m

Por tanto escogemos : Lt = 4.04 m.

3) Nivel del agua en 1

Del Km. 2 + 050 al punto 1 según la figura adjunta, hay 5.07 m, luego la cota de fondo en 1 será :

12.164 - (5.07 * 0.0015) = 12.156 m.s.n.m.

El nivel de agua en 1 : 12.156+ 0.739 = 12.895 m.s.n.m.

4) Cota de fondo en 2

Cota de fondo en 2: 12.895 - (Hte + 1.5 hv)

Entonces, cota de fondo en 2: 11.7517 m.s.n.m.

5) Cota de fondo en 3

= 12º escogido previamenteh = 5 sen 12ºh = 1.04 m

Luego : 11.7517- 1.04 = 10.712

Cota de fondo 3: 10.712 m.s.n.m.

6) Cota de fondo en 4

Longitud de tubo horizontal: 12 m.12 * 0.005 = 0.0610.712 - 0.06 = 10.652

Cota de Fondo en 4: 10.652 m.s.n.m.

7) Cota de fondo en 5

= 12ºh = 4 sen 12ºh = 0.8316 m

Luego: 10.652 + 0.8316 = 11.484

Cota de Fondo 5: 11.484 m.s.n.m.

8) Cota de fondo en 6

La distancia de la sección 6 al Km 2+090

20- (6+3.912+4.04) = 6.048

La cota de fondo en 6 es :

11.861 + (0.0015x 6.048) = 11.87 m.s.n.m.

La mayor diferencia entre las secciones 1 y 2 en la entrada debe ser 3/4 D y en la salida 1/2 D; luego: en la salida: 1.01/2 = 0.505, de otro lado se tiene que la cota en 6 será 11.87 m.s.n.m.

Cota 6 - Cota 5 = 11.87 - 11.484 = 0.386 m.

9) Inclinación de los tubos doblados

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

A la salida: 4.7: 1 igual que la entrada aceptamos a inclinación

10) Carga hidráulica disponible

Cota 1 + Tirante = 12.156 + 0.739 + 0.0403 = 12.9353 m.s.n.m.Cota 6 + Tirante = 11.87 + 0.739 + 0.0403 = 12.6493 m.s.n.m.

Carga disponible = 0.286 m.

11) Cálculo de las pérdidas de carga

Pérdidas por entrada: 0.4 (0.074228) = 0.02969

Pérdidas a la salida: 0.65 (0.074228) = 0.0482482

Pérdidas por fricción:

Debemos calcular primero el factor de fricción f, según la fórmula para flujo turbulento:

f= 0 .25

[ log(e

3 .7D+

5 .74

Re0 .9)]

2

e es el coeficiente de imperfecciones superficiales del tubo y lo sacaremos de la siguiente tabla

Valor del coeficiente e en milímetros

Tipo deRevestimiento

Condiciónnuevo-viejo

Valor normalde diseño

Latón 0.0015 0.0015Cobre 0.0015 0.0015

Hormigón 0.3 a 3 1.2Hierro

galvanizado0.06 a 0.24 0.15

Acero comercial 0.03 a 0.09 0.06Acero Roblonado 0.9 a 9 1.8

Madera 0.18 a 0.9 0.6

El valor del número de Reynolds es:

Donde v es la velocidad del flujo en el tuboD es el diámetro

es la viscosidad del agua

Tomando nuestros valores tendremos que:

Velocidad 1.50 m/sDiámetro 1.01 me para hormigón 1.2 mm

Re= 1 515 000 (agua a temperatura de 20°C)Verificamos que se trata de un flujo turbulento

Aplicando la fórmula:

f= 0 . 25

[ log( 1 .2 x10−3

3 .7 x 1.01+ 5 . 74

15150000. 9)]

2

f = 0.0207L = 21.0 mD = 1.01 m

Pérdidas por codos

2[0 . 25√1290V t

2

2g ]=0 .021

Las pérdidas totales son:

0.02969+0.0482482+0.05491+0.021= 0.1538 m

Para mayor seguridad las pérdidas totales se incrementarán en un 10%Luego : 1.1 * 0.1657 = 0.1692 m

Podemos deducir que la carga disponible menos las pérdidas totales son de:0.286 - 0.1692 = 0.117 m.lo que significa que no habrá problema hidráulico.

El proyecto trazado, se considera la solución al problema puesto que cumple con los requisitos hidráulicos.

Nota: En el Perú existen numerosos Sifones, a manera de ejemplo mencionaré que en el Proyecto Chavimochic recién ha terminado la construcción de un Sifón de grandes dimensiones como es el Sifón Virú (ver anexo referente al proyecto Chavimochic), en Piura destaca el Sifón en el Río Piura cerca al puente Independencia, este sifón incluso pasó la dura prueba del año 1983 para avenidas para las que no estaba diseñado. Además en Piura tendremos en funcionamiento un sifón en el Río Chira que conectará los canales Norte y Sur de la Presa Derivadora de Sullana (Sifón Sojo).