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UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO

Alumno: Castillo Daz Juan francisco Asignatura: Obras hidrulicas

Tema:Sifones

Docente: Ing. Daniel Daz

SALTOS DE AGUA1. INTRODUCCION

Muchas veces en los proyectos hidrulicos como canales, se requiere salvar desniveles bruscos en la rasante de fondo, es aqu donde se requiere de los llamados saltos de agua, que son estructuras de cada.Una estructura de cada es una estructura de regulacin que disminuye el nivel del agua a lo largo de su curso. En general, la pendiente de un canal es ms moderada que la del terreno, como resultado de lo cual un canal construido en corte en su cabecera, pronto superar 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 cada apropiadaGmez Navarro hace una diferenciacin de estas obras y conviene en llamarles cadas cuando los desniveles son guales o menores a 4m. Para desniveles mayores a 4.0m la estructura toma el nombre de rpida y en estos casos es conveniente un estudio econmico entre rpida o una serie de cadas, denominadas gradas.En el presente trabajo de investigacin, se presentara los saltos de agua como: cadas verticales, cadas inclinadas. As como los criterios necesarios para el diseo hidrulico de las mismas, as mismo se presentara ejemplos de aplicacin a manera de la mejor comprensin del tema.

2. GENERALIDADESSe le denomina saltos de agua a las estructuras hidrulicas proyectadas para salvar desniveles, entre ellas tenemos:

SALTOS DE AGUACAIDAS VERTICALESCAIDAS INCLINADASGRADAS ESCALONADASRAPIDAS

CAIDAS

FIGURA: LOCALIZACION DE CAIDAS DE UN CANAL

3. MARCO TEORICO3.1. Cadas.Son estructuras proyectadas en canales o drenes para salvar desniveles bruscos en la rasante del fondo. Las cadas 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 cadas verticales, escalonadas o rpidas segn las variaciones del terreno. Las cadas del canal pueden utilizarse para desarrollos hidroelctricos, utilizando turbinas de tipo propulsin o bulbo. Al hablar sobre cadas se debe de tener en cuenta el concepto de seccin de control; que no es ms que una seccin donde ocurre el tirante crtico y por lo tanto se puede medir el flujo o cantidad de agua que est circulando, pero no significa que tenga que medirse en forma obligada, ya que una seccin de control siempre va a ocurrir en una cada y el objetivo de la cada no es medir el flujo, ahora que quiera aprovecharse la ocurrencia de la seccin de control para medir el caudal, es otra cosa, que depende ya de los criterios de planificacin del sistema de riego.

3.1.1. Cadas verticalesLas cadas verticales pueden ser de varios tipos y se podra decir que no tienen limitaciones en cuanto al caudal y altura de cada, sin embargo, es recomendable su uso hasta desniveles de 1.0 m y solo cuando la naturaleza del problema as lo exija, se construirn para desniveles mayores a 1.0 m.Existen ciertas limitaciones de orden tcnico, que impiden el uso de una cada vertical.a) El asentamiento inaceptable del canal en la parte superior de la cada ocasionando por la excavacin para construir la poza de disipacin.b) Problemas de tubificacin debido a la remocin del material para la construccin de la cada. c) Al ser la longitud total de la cada vertical menor que la longitud total de una cada inclinada, resulta un gradiente hidrulico ms fuerte, en el caso de la cada vertical, el chorro cae con ms fuerza siendo necesario ventilar el vaco que se forma debajo del chorro de cada.

3.1.1.1. Elementos de una cada verticalEn el diseo de una cada, se pueden distinguir los siguientes elementos:

ELEMENTOS DE UNA CAIDA VERTICALTransicin de entrada: une por medio de un estrechamiento progresivo la seccin del canal superior con la seccin de control.Seccin de control: es la seccin correspondiente al punto donde se inicia la cada, cercano a este punto se presentan las condiciones crticas.Cada en s: la cual es de seccin rectangular y puede ser vertical o inclinada.Poza o colchn amortiguador: es de seccin rectangular, siendo su funcin la de absorber la energa cintica del agua al pie de la cada.Transicin de salida, une la poza de disipacin con el canal aguas abajo.

3.1.1.2. Clasificacin A continuacin presenta una diferenciacin entre los tipos de cadas ms usuales:1. Cada con poza de disipacin de seccin rectangular, que puede ser.a) De poza con obstculos para el choqueb) De poza con obstculos para el choque - tipo SAF2. cada vertical con muro de mampostera de piedra y poza rectangular sin obstculos3. cada vertical con poza de disipacin de seccin trapezoidal.

3.1.1.3. Criterios de diseo1. Se construyen cadas verticales, cuando se necesitan salvar un desnivel de 1m como mximo, 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 cadas inclinadas, adems manifiesta que la ejecucin de estas obras debe limitarse a cadas y caudales pequeos, principalmente en canales secundarios construidos en mampostera 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 disipacin.4. El caudal vertiente en el borde superior de la cada se calcula con la frmula para caudal unitario q":

Siendo el caudal total:

Dnde:5. La cada 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 lmina vertiente en la cada se produce un depsito de agua de altura Yp que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo.7. Rand (1955) , encontr que la geometra del flujo de agua en un salto vertical, puede calcularse con un error inferior al 5% por medio de las siguientes funciones:SALTOS DE AGUA - RAPIDASDISEO DE OBRAS HIDRULICAS

PginaPgina

Dnde:Que se le conoce como numero de salto y:

FIGURA: CARACTERISTICAS DE UNA CAIDA VERTICAL

8. Al caer la lmina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cmara indicada en la figura anterior la cual se debe reemplazar para evitar la cavitacin o resonancias sobre la estructura.9. Para facilitar la aireacin se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes:a) Contraccin lateral completa con cresta vertiente, disponindose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lmina vertiente.

b) Agujeros de ventilacin, cuya capacidad de suministro de aire en m3/s x m de ancho de cresta de la cada, es igual a:

Dnde:Suministro de aire por metro de ancho de crestaTirante normal aguas arriba de la cadaMaxima descarga unitaria sobre la cresta.

Dnde:Baja presin permisible debajo de la lmina vertiente, en metros de columna de agua (Se puede suponer un valor de 0.04 m de columna de agua)Coeficiente de perdida de entrada (Usar Ke=0.5)f= coeficiente de friccin en la ecuacin de DarcyWeisbach.

Longitud de la tubera de ventilacin (m)Diametro del agujero de ventilacin (m)Coeficiente de perdida por curvatura (usar Kb=1.1)Coeficiente de perdida por salida (Kex=1.0)Velocidad media del flujo de aire a travs de la tubera de ventilacin.Aproximadamente 1/830 par aire a 20C.

3.1.1.4. Procedimiento para el diseo de una cada sin obstculos1. Diseo del canal, aguas arriba y aguas abajo de la cada Utilizar las consideraciones prcticas que existen para el diseo de canales.2. Clculo del ancho de la cada y el tirante en la seccin de controlEn la seccin de control se presentan las condiciones crticas. Para una seccin rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes:Se puede asumir que Emin, = En (energa especfica en el canal), para inicio de los clculos y realizar la verificacin.Tambin se puede suponer un ancho en la seccin de control de la cada, calcular el tirante crtico y por la ecuacin de la energa calcular el tirante al inicio de la transicin.Existen frmulas empricas para el clculo del ancho de la rpida, las cuales son: De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse:

Otra frmula emprica:

Por lo general el ancho de solera con esta ltima frmula, resulta del mayor magnitud que con la frmula de Dadenkov.3. Diseo de la transicin de entradaPara el caso de una transicin recta la ecuacin utilizada es:

T1 = espejo de agua en el canal T2 = b = ancho de solera en la cada4. Clculo de la transicin de salidaSe realiza de la misma forma que la transicin de entrada5. Dimensiones de la cadaCadas pequeas: De acuerdo con los diseos realizados por el SENARA, en canales con caudales menores o iguales que 100 l.p.s (Q < 0.1 m3/s), se tiene:

Dnde:y

3.1.1.5. Proceso de clculo de una cada sin obstculosEl proceso de clculo para cadas verticales sin obstculos es como sigue: Calcular el nmero de cada utilizando la siguiente relacin:; sabiendo: Donde:D= numero de la caida yc=tirante critico de la seccion de controlh=desnivelq= caudal unitario. Calcular los parmetros de la cada vertical, Estos parmetros, segn 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 Siechin:

Calcular la longitud total del colchn, la cual ser:

Debe evitarse que en la cmara de aire se produzca vacio, por que esto produce una succin que puede destruir la estructura por cavitacin, 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 desage).

3.1.1.6. Cadas verticales con obstculos para el choqueEl bureau of reclamation, ha desarrollado para saltos pequeos, un tipo de cada con obstculos donde choca el agua de la lmina vertiente y se ha obtenido una buena disipacin de energa para una amplia variacin de la profundidad de la lmina aguas abajo, a tal punto que puede considerarse independiente del salto

FIGURA: CAIDA VERTICAL CON OBSTACULOS PARA EL CHOQUE

Anchura y espaciamiento de los obstculos =0.4Yc, Longitud mnima de la cubeta = Ld+2.55Yc

Con contracciones laterales

Sin contracciones laterales

Dnde:B = Ancho de la cada Q = Caudal en vertedero o caudal de la cada P = El mnimo valor de P, ser la diferencia de energas aguas arriba de la cresta y en la cresta donde se produce Ych = 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 obstculos ser aproximadamente 0.4 Yc.

3.1.2. Cadas rectangulares inclinadasUna cada rectangular inclinada es una estructura de forma rectangular y de ancho constante que lleva agua de un lugar alto a uno de menor elevacin. La altura de la cada puede estar comprendida entre 90 cm y4,5 m. Estas cadas no slo conducen agua, sino tambin aquietan el agua una vez que llega a la parte inferior de la estructura, disipando el exceso de energa. La estructura de ingreso debe servir de control para regular el tirante aguas arriba de la cada.Las cadas rectangulares inclinadas son de fcil diseo, construccin y operacin. Las entradas y salidas pueden ser fcilmente adaptadas acanales de tierra o con recubrimiento. Las entradas pueden ser hechaspara incluir una estructura de control, inspeccin (check), o un vertedero. Los principales elementos hidrulicos de una cada rectangular inclinada son, la transicin de aguas arriba, la entrada, el canal inclinado, el cuenco disipador, la salida y la transicin de aguas abajo.

3.1.2.1. Elementos:Transicin de aguas arriba: La transicin 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 elevacin del fondo del canal y la transicin de entrada usualmente debe proveer un decrecimiento gradual de la elevacin 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 transicin de tierra puede requerir una proteccin contra la erosin.Entrada: la entrada a una cada rectangular inclinada puede ser laguna de las que se describe a continuacin:1) Seccin de control por tirante crtico (control): en un canal de tierra que no requiere una estructura de control, la entrada a la cada debe ser diseada para proveer una seccin de control, la cual prevendr la aceleracin de la corriente aguas arriba y la erosin del canal. La entrada debe ser diseada entonces para la mxima capacidad de descarga de la cada con tirante normal en el canal.La entrada debe ser simtrica con respecto al eje, y siempre quesea posible, a una distancia suficiente de una curva horizontal aguas arriba tal que limite la accin indeseable de las ondas debido al flujo asimtrico. El control de tirante crtico trapezoidal debe guarda runa proporcin entre el ancho de fondo y la pendiente del talud para una variacin del flujo de diseo a uno del 20% del caudal de diseo. Para cualquier flujo dentro de este rango la muesca hace que el tirante del canal aguas arriba sea o est muy cerca del tirante normal. Esto tambin puede ser regulado para controlar slo una descarga especfica.Las paredes laterales de sobre-flujo, (figuras 12 y 13) son lo suficientemente largas como para permitir que el flujo de diseo 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 sita lo suficientemente bajo como para que el flujo al principio de la inclinacin no afecte al flujo que atraviesa la muesca de control. Expresado de otra manera, la elevacin B se sita lo suficientemente baja como para prevenir que el flujo en la seccin inclinada controle el nivel del agua en el canal. La estructura de entrada adems tiene muros de ala y obturadores con el fin de contener el terrapln del canal y para reducir la filtracin en el mismo.2) Inspeccin (check): Las estructuras de inspeccin estn habitualmente combinadas con la entrada de las cadas. Las inspecciones en estos casos son utilizadas como un control para prevenir la aceleracin de la corriente de agua aguas arriba de la entrada, adems de la funcin usual de levantar el nivel del aguapara permitir la desviacin a travs de ella aguas arriba durante los perodos de flujo parcial en el canal. Las inspecciones deben adems ser usadas para interrumpir el flujo del canal si existe algn desperfecto tal como una prdida aguas arriba para permitir que eflujo del canal se derive hacia otra parte. Esta interrupcin en la entrada puede proveer un aislamiento de la extensin del canal encaso de falla de almacenamiento o para propsitos de mantenimiento. El rea de la apertura de la entrada debe estar proporcionada para limitar la velocidad del flujo de diseo aproximadamente a 1 m/s. Esta velocidad es considerada como la mxima deseable para un fcil manejo de la barrera de tablas. El ancho es usualmente el mismo que el determinado como ancho requerido para el cuenco disipador. La elevacin de la apertura de entrada puede ser la misma o ms baja que la del fondo del canal, pero nunca mayor. Las compuertas de deslizamiento pueden ser operadas automticamente. 3) Vertedero: algunas veces es necesario poner a la entrada de una cada rectangular inclinada un vertedero de medicin. Para un canal revestido, generalmente la revancha mnima en la entrada debe ser la misma que para el resto del canal con recubrimiento.Para canales sin recubrimiento con capacidades mayores que 2,7m/s, la mnima revancha debera 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 a2, 10 m, y de 45 cm para tirantes de 2,11 m a 2,7 m.Canales rectangulares inclinados: el canal es de seccin rectangular, y esto es usualmente prctico para hacer el mismo ancho de base que el aquerido por la pileta o por la seccin de entrada. La altura vertical de las paredes debe ser determinada computando el tirante en la seccin con velocidad terica y agregando una revancha de 30 cm para flujos por arriba de 2,7 m/s. La parte inclinada puede tener una pendiente de 1:1 pero es usual 2:1. Las cadas rectangulares inclinadas con flujos de ms de 2,7 m/s no requieren trayectorias curvadas, por lo tanto la inclinacin interceptara el nivel de fondo en la entrada, y tambin el nivel de fondo de la pileta.Cuenco disipador: los cuencos disipadores para saltos hidrulicos estn ubicados en la parte ms baja del final de las cadas rectangulares inclinadas para obtener las prdidas de energa requeridas entre la parte ms baja del canal inclinado y la pileta aguas abajo. La transicin de salida, aguas abajo del cuenco disipador, reduce la velocidad y la turbulencia del agua, minimizando la erosin en el canal aguas abajo.Los distintos tipos de disipadores de energa se ven en la seccin correspondiente.1) Salida: la salida de una cada rectangular inclinada conecta el cuenco disipador con un canal de tierra, un canal recubierto de hormign, o un canal natural y previene o disminuye la erosin aguas abajo. Algunos de los tipos de salida ms utilizados son: las transiciones de espaldn 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 porcin de la transicin debe ser hecha de tierra procurando que la velocidad en el final no sea demasiado grande para el suelo. En la seccin de transicin con la tierra se usa piedra bola o grava como proteccin.3.1.2.2. Procedimiento de clculoLos datos que se deben conocer son:El caudal (Q), la elevacin aguas arriba de la cada (ElA), la elevacin aguas abajo de la cada (ElD), la geometra y propiedades hidrulicas del canal.Los pasos para la resolucin son los siguientes:Datos del canal:1. Tipo de canal, se debe conocer el tipo de revestimiento del canal.2. Determinacin del tipo de transicin a ser utilizado aguas arriba de la estructura de cada y de la proteccin necesaria si el canal es de tierra.3. Determinacin de las propiedades hidrulicas del canal, tirante normal (dn), velocidad (V), altura de velocidad (hvC).4. Determinacin del tipo de estructura a realizar.5. Determinacin del nivel de la superficie de agua, aguas arriba de la cada (punto A).

6. Determinacin de la altura de energa aguas arriba de la cada (punto A).

7. Determinacin de la elevacin del borde del canal.8. Determinacin del nivel de la superficie de agua, aguas abajo de la cada (punto D).

9. Determinacin de la altura de energa aguas abajo de la cada (punto D).

10. Determinacin del tipo de estructura de entrada a utilizar.Determinacin de las dimensiones de la estructura de entrada:11. Determinacin del ancho de base de la cada y de la estructura de entrada.

Las dimensiones estndar se obtienen de la tabla 2 y 3, en funcin del caudal. Estas dimensiones son: ancho de base de la cada (b),longitud de la estructura de control (Lo), altura de las paredes de laestructura de control (Ho), altura de las paredes a la entrada de la cada (HF), muro de ala a la entrada de la cada (a).12. Si se utiliza a la entrada una estructura de control, se proceder como se explica a continuacin.

Un control es una estructura constituida por una caja de hormign con una ranura en forma trapezoidal ubicada aguas arriba. Esta estructura se exige para minimizar la erosin en el canal para flujos que van desde el caudal de diseo al 20% de este. Se determina la altura de energa para el caudal de diseo (E1=dn+hv) y la altura de energa para el 20% del caudal de diseo (E2=d20%+hv20%).Para determinar el tipo de control adecuado, se utiliza el grafico 21del anexo, se selecciona la figura que tiene el valor de P ms pequeo que abarca el rango lleno de descarga del caudal de diseo y del 20% de dicho caudal. Luego se entra al grafico con el valor de la energa (E1), se mueve verticalmente hasta la interseccin con la lnea horizontal correspondiente al caudal de diseo y se lee el valor de S de la curva que est ubicada a la derecha del punto. Posteriormente se verifica de la misma manera (se entra al grfico con el valor de la energa, E2, se mueve verticalmente hasta la interseccin con la lnea horizontal correspondiente al caudal del 20% del de diseo y se lee el valor de S de la curva que est ubicada a la derecha del punto) para ver si la misma curva controlar al 20% del caudal de diseo. 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 prximos 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 cada: HF = Ho + 0,45m.Ancho de base mnimo de la estructura de control:bmn = N + 20,075m (se adopta el mayor valor de b calculado).Determinacin de la elevacin de la muesca:Elevacin de muesca = Elevacin A + TDeterminacin de la elevacin del piso del control (punto B):Elevacin de B = Elevacin de la muesca Ho.13. Si se utiliza a la entrada una estructura de inspeccin (check), el procedimiento para determinar sus dimensiones es el siguiente.Una inspeccin es una estructura tipo caja, cuyo ingreso esta constituido por una abertura prevista para la instalacin de una compuerta o barreras.Determinacin de la altura mxima de las paredes:Altura mx. = NSAADeterminacin de la elevacin del piso del chequeo (punto B):Elevacin de B = NSAA Ho (mnimo)< Elevacin A.Determinacin de las dimensiones de la compuerta: el tamao de la compuerta, la altura del marco y el nmero de plataformas se obtienen en funcin del caudal de diseo.Diseo hidrulico de la estructura de disipacin.14. Determinacin de la mnima energa en el punto D (ED).El mnimo gradiente de energa aguas abajo se calcula mediante el uso de un valor de n reducido (n). Esta reduccin debe ser del 80%del valor de n de Manning asumido para el diseo del canal. Esta reduccin 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 frmula de Manning, el tirante normal (dn), la velocidad (V) y la altura de velocidad (hv).ED = Elevacin D + dn + hv15. Determinacin del desnivel.Desnivel (H): H = EA ED.De las tablas 2 y 3 del anexo, se obtienen en funcin del caudal y el desnivel, las dimensiones de la cada rectangular inclinada y de la pileta de aquietamiento.Longitud de la estructura de entrada a la cada (LF).Longitud desde el inicio de la estructura de disipacin hasta la primera hilera de bloques (LB).Longitud de la estructura de disipacin (Lp).Altura de las paredes de la estructura de disipacin (Hp).(d2 + hv2).Altura de los bloques (h).Longitud del bloque (1,25h).Ancho del bloque = 0,20 m.Espesor de las paredes de la estructura de disipacin (t).Espesor de la losa de la estructura de disipacin (t).Longitud a la salida de la estructura de disipacin (LT).Nmero de bloques en la estructura de disipacin (c).Distancia del primer bloque a las paredes (d).Ancho de base a la salida de la estructura de disipacin (bT).Nmero de drenes.Armadura transversal.Armadura longitudinal en la losa.Armadura longitudinal en las paredes.16. Elevacin al inicio y final de la estructura de disipacin (punto C).Elevacin C = Elevacin D (d2+hv2)17. Determinacin del tipo de transicin a ser utilizado aguas debajo de la estructura de disipacin y de la proteccin necesaria.

BIBLIOGRAFIA MANUAL: CRITERIOS DE DISEOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HIDRICO: AUTORIDAD NACIONAL DEL AGUA.

SALTOS DE AGUA Y PRESAS DE EMBALSE : GOMEZ NAVARRO Y ARACIL