cap 7-2 obras de conduccion
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Cap 7- Obras de Conduccin
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VI I .ESTRUCTURAS H IDRAUL ICAS EN CANALES DECONDUCCION
7.1 ClasificacinLas estructuras que se pueden requerir en los canales de conduccin se clasifican de
acuerdo a su funcin:
Obras de conduccin: cadas, rpidas, cruce de va, sifn invertido, flume. Obras de regul acin:
De Caudales: Partidores o repartidoresDe Niveles: Barrajes / Vertederos laterales
Obras de proteccin: Canal techado, Alcantarilla, Vertedero lateral o vertedor dedemasas
Obras de medicin Af oro:Vertederos: rectangular / triangular / trapezoidal
Aforadores de profundidad crtica: Aforador tipo Parshall, Venturi, Crump .
7.2 Obras de Conduccin
Son obras destinadas a transportar el agua desde una fuente hasta el sitio donde se
produce el aprovechamiento de la misma. El canal en s es una obra de conduccin y las
estructuras que se requieren para salvar desniveles y seguir conduciendo el agua son:
cadas, rpidas, cruce de va, sifn invertido y flume.
Cadas y RpidasLos cadas rpidas en el trazo de canales, son necesarios cuando la pendiente del
terreno es ms pronunciado que la mxima permisible, o hay desniveles naturales en el
terreno. El uso de estas estructuras se debe considerar con cuidado ya que se pierde
bastante energa.
Las cadas son usadas normalmente en desniveles desde 1m hasta 4.5m. Pueden ser cadas
verticales cadas inclinadas (Figs. 7.2.1 y 7.2.2), la energa se disipa en pozas
amortiguadoras.
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Fig. 7.2.1 Cada Vertical
Fig. 7.2.2 Cada Inclinada
Las rpidas son usadas en desniveles mayores de 4.5m y cuando el desnivel se efecta en
una distancia larga, la disipacin de energa se lleva a cabo en la parte inclinada y en la
poza amortiguadora. Se puede usar una serie de cadas o una sola rpida la decisin se
toma luego de un estudio econmico de las alternativas.
7.2.1 CadasPartes de una Cada Transicin de entrada
Seccin de Control
Cada
Poza de amortiguacin
Transicin de salida
Cada Vertical sin Obstculos
La napa de cada libre aireada en un vertedero de cada recta invertir su curvatura y
girar suavemente dentro de un flujo supercrtico sobre la losa. Consecuentemente se
puede formar un salto aguas abajo.Basado sobre sus propios datos experimentales y los de Moore, Bakhmeteff yFeodoroff,Rand encontr que la geometra del flujo en vertederos de cada recta, se pueden describir
como funciones del nmero de cada (D), el cual se define como:
Ec 7.2.1
yc:tirante critico
h: altura de la cada.
Las funciones son:
Ecs 7.2.2O.37dD4.30=
h
L 0.22p D1.00y
h
O.4251 D0.54y
h
0.272 1.66Dh
y
3
c
h
y
D
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Ld: longitud de la cada, distancia desde el muro de cada a la profundidad yl
yp: profundidad del estanque bajo la napayl: tirante conjugado menor del resalto
y2: tirante conjugado mayor del resalto
Fig. 7.2.3 Cada Vertical
La posicin de la profundidad y1se puede determinar aproximadamente por la lnea rectaABC que une al punto A sobre la losa en la posicin de y1,el punto B sobre el eje de lanapa a la altura de la profundidad del estanque, y el punto Csobre el eje de la napa en lacresta de la cada. El hecho de que estos tres puntos caigan en una lnea recta, fuetambin verificado por experimentos.
Para evitar que en la cmara de aire se produzca vaco (succin), se hacen agujeros en lasparedes laterales o se incrementa el ancho a ambos lados.
Para controlar las filtraciones en la pared vertical se disean drenes (lloraderos).
yp
By2
Yc
Q
y1
Ld L
h
A
C
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7.2.2 Rpidas
Las rpidas (chutes) son usadas para
conducir agua desde una elevacin mayor
a una ms baja, cuando el desnivel se
efecta en una distancia larga.
Par tes de una RpidaTransicin de entrada
Seccin de Control
Canal de la rpida
Trayectoria
Poza de amortiguacin
Transicin de salida
Zona de proteccin
Consideraciones de Di seo:
Coef iciente de rugosidad de Manning
Se asumen valores conservadores: para
calcular altura de muros en una rpida de
concreto n = 0.014 y para el clculo de
niveles de energa n = 0.010Fig. 7.2.4 Rpida con formacin de ondas
Transiciones
La parte de la entrada de la estructura transiciona el flujo desde el canal aguas arriba dela estructura hacia el tramo inclinado.
Se disea esta estructura para prevenir la formacin de ondas. Un cambio brusco de
seccin sea convergente divergente, puede producir ondas que podran causar
perturbaciones, puesto que ellas viajan a travs del tramo inclinado y el disipador de
energa, el mximo ngulo de deflexin de la superficie de agua en la transicin de
entrada puede ser aproximadamente 30.
Seccin de ControlSeccin en el punto donde se inicia la rpida y se regula por dos razones:
Prevenir descenso del nivel del agua y por ende prevenir el incremento de erosin
aguas arriba de la seccin de control. Para mantener el nivel del agua, aguas arriba de la seccin de control durante flujos
bajos.
La seccin de control puede ser: una seccin donde se produzca flujo crtico, un vertedero
de cresta ancha sin contraccin , un vertedero de cresta aguda sin contraccin.
El ancho de la seccin de control es usualmente la misma que la del colchn disipador.
La entrada usada deber ser simtrica respecto al eje de la rpida, permitir el paso de lacapacidad total del canal aguas arriba hacia la rpida con el tirante normal de aguasarriba, y donde sea requerido, permitir la evacuacin de las aguas del canal cuando laoperacin de la rpida sea suspendida.
Si las prdidas de carga a travs de la entrada son pequeas se pueden despreciar. De otramanera, las prdidas a travs de la entrada deberan ser calculadas y usadas en ladeterminacin del nivel de energa en el inicio del tramo inclinado.
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Fig. 7.2.5 Perfil Longitudinal de una Rpida
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Cap.7 Cadas y Rpidas
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Tr amo I ncl inado Canal de la Rpida
El tramo inclinado es la seccin comprendida entre la seccin de control y el principio dela trayectoria, puede ser un tubo o una seccin abierta. De acuerdo a la configuracin del
terreno puede tener una o varias pendientes.
La seccin usual para una rpida abierta es rectangular, cuando sea necesarioincrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan dentellones paramantener la estructura dentro de la cimentacin.
Para calcular los tirantes en los diferentes tramos de la rpida, se puede usar el Mtodo deTramos Fijos u otros mtodos que permitan determinar el perfil de flujo.
Para rpidas menores de 9m de longitud, la friccin en la rpida puede ser despreciable.
La altura de los muros en el tramo inclinado de seccin abierta ser igual al mximo
tirante calculado en la seccin, ms un borde libre, a 0.4 veces el tirante critico en eltramo inclinado, ms el borde libre cualquiera que sea mayor. El borde libre mnimorecomendado para tramos inclinados de rpidas en canales abiertos (hasta 2.8 m3/s) es0.30m. El tirante y el borde libre son medidos perpendicularmente al piso del tramoinclinado.
En velocidades mayores que 9 m/seg, el agua puede incrementar su volumen, debido alaire incorporado que est siendo conducido. El borde libre recomendado para los murosresultar de suficiente altura para contener este volumen adicional.
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F ig 7.2.6 Rpida con poza disipadora
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Diseo de Transiciones
Cuando se requiere realizar un cambio de seccin en un canal es necesario intercalar
una estructura en la cual el cambio se realice en
forma gradual, a fin de:
Reducir perdida de energa Minimizar erosin en canales
Eliminar ondas transversales y otras
turbulencias
Suministrar seguridad para la estructura y
el curso de agua
Si el cambio en profundidades es muy rpido se
produce FRV en forma de ondas estacionarias.
Tipos de Transicin
La forma de transicin puede variar desde muros enlnea recta normales al flujo de agua hasta muy
elaboradas estructuras curvas, los muros en lnea
recta son ptimos para estructuras pequeas.
Las estructuras de transicin de un canal
trapezoidal a uno rectangular pueden agruparse en
tres tipos:
a. Transicin con curvatura simpleb. Transicin de forma cuac. Transiciones con doble curvatura. Fig 7.2.7 Tipos de Transicion
Fig 7.2.8 Transicion de entrada a desarenador
Diseo de Transicin entre canal y canaleta o tnel
Longitud de Transicin
tg
TTL
2
21
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: de acuerdo al U. S. Bureau of Reclamation (USBR), se recomienda que el
ngulo mximo, no exceda los 12.5.
T1,T2: anchos de superficie de agua mayor y menor respectivamente
Para disminuir las perdidas conviene no realizar cambios de direccin bruscos y se
procura redondear las esquinas.
Prdidas de energaLas prdidas que se producen en una transicin se debe a la friccin y al cambio de
velocidad, la primera es pequea y la segunda es una funcin de la diferencia entre las
cargas de velocidad.
Transiciones de entr adaV1< V2
Cada en la superficie del agua: y
Prdida por convergencia: hp= Cihv
Transiciones de sali daV
1> V
2
Levantamiento en la superficie del agua:y
Prdida por divergencia: hp= Cohv
Los valores medios de diseo para los coeficientes Ciy Co, se dan en la Tabla 7.2.1
Tabla 7.2.1Coeficientes de entrada y salida en transiciones
Tipo de Transicin
En curva 0.10 0.20
En cuadrante de crculo 0.15 0.25
En lnea recta 0.30 0.50
Extremos cuadrados 0.30+ 0.75Fuente: Hidrulica de Canales de Ven Te Chow
b2b1
y
b1 b2
y
Ci Co
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Las transiciones se
pueden ubicar en:
Entrada y salida entre
canales de diferentes
secciones
Entrada y salida entre
canal y tnel
Entrada y salida entre
canal y sifn invertido
Fig 7.2.9Transiciones de
entrada y salida
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Problemas
1. Un canal de seccin rectangular de 2.2m. de ancho que transporta 1.75m 3/s, tiene que salvar un desnivel vertical de 3.5m de alto.a) Disear una cada vertical.b) Calcular la altura delos muros.
2. El sistema mostrado en la figura consta de un canal trapezoidal de concreto donde se desarrolla un flujo uniforme, el canal cambia deseccin trapezoidal a rectangular mediante una transicin la cual conecta a la rpida de seccin rectangular. Sabiendo que Q =2 m3/s,
b1= 1.75m, z1= 0.75, S1= 0.0003, b3=1.2 m, cota1= 1129 msnm, cota6= 1120 msnm y que existe prdida de carga debido a la transicin.
a) Dimensionar la longitud de la transicinb) Calcular la cota de fondo de la seccin 2
c) Se forma Resalto hidrulico?, si se formara determinar los tirantes conjugados del Resalto Hidrulico que se forma aguas abajo dela rpida.
d) Calcular la cota del colchn disipador, de tal modo que se forme un resalto claro en el mismo, considerando que el canal de la
seccin 6 tiene la misma seccin y pendiente que el del primer tramo.
e) Graficar el perfil de flujo4 5 63
Cota 1:1129
S1=0.0003
Cota 2
1=1.75m 3=1.2m
LS3=0.022
6 =1.75m
1 2
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7.2.3 Sifones Invertidos
Son conductos cerrados que trabajan a presin, se utilizan para conducir el agua en el
cruce de un canal con una depresin topogrfica en la que est ubicado un ro, un
camino, una va de ferrocarril, un dren u otro canal.
Cr iter ios de Diseo
Si el flujo contiene alta cantidad de sedimentos, el sifn requiere de un desarenador
aguas arriba con el conducto de limpia que sirva a la vez de canal lateral en el caso de
que se tenga que cerrar el sifn por medio de una compuerta para poder hacer
reparaciones o mantenimiento.
Pueden utilizarse tubos de concreto armado o de asbesto cemento. Los primeros son
aceptables hasta presiones del orden de 45 m de columna de agua. Para presiones
mayores, se requerira conductos de acero.En la parte ms baja del conducto se coloca un registro de limpieza que permita
evacuar el agua que se queda almacenada en el conducto cuando se para el sifn por
mantenimiento o reparacin.
Las transiciones pueden ser de tierra o de concreto; pero, se requerir transiciones de
concreto en los siguientes casos:
Sifones situados bajo quebradas, vas frreas o carreteras de primer orden
Cuando el dimetro del tubo requerido sea mayor a 36 pulgadas.
Cuando la velocidad en el tubo exceda 1 m/s
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Para asimilar cualquier efecto de remanso que pudiera producirse antes de la entrada
al tubo, se requiere incrementar el margen libre del canal en los 15 m previos a la
entrada al sifn.
Las velocidades de flujo en el sifn normalmente fluctan entre 1.5 m/s < V< 3m/s, con
el fin de prevenir la sedimentacin y bloqueo del sifn. Para establecer el dimetro delsifn, se recomienda tomar en cuenta las siguientes pautas:
V no mayor a 1m/s en sifones cortos con transiciones de tierra
V no mayor a 1.5 m/s en sifones cortos con transiciones de concreto
V no mayor a 3 m/s en sifones largos con transiciones de concreto
El sifn trabaja a presin, por lo tanto debe estar ahogado a
la entrada y a la salida.
, 10% ahogamiento < 50%
A la entrada el borde superior del sifn debe estar ahogado
con un mnimo de 0.15m. de 1.5hv (perdida de carga a la
entrada). Esto minimiza la posible reduccin en capacidad
del sifn por ingreso de aire. Se debe colocar rejas a la
entrada para evitar que ingresen materiales flotantes por
accidente personas animales. Se debe limpiar
peridicamente las rejas para evitar perdida de carga.
Fig 7.2.10 Ingreso Sifn Chaman
Canal Talambo Zaa P.E Gallito Ciego
Prdidas de carga en el Sifn
El sifn funciona por diferencia de energa, la cual debe absorber todas las prdidas en
el sifn (HT). Tentsal HEE
Por lo general se debe verificar que la prdida total calculada, se incremente en 10%
por razones de seguridad:
E 1.1HT
http://www.inade.gob.pe/doc/proyectos/memoria_2002/img/jequetepeque.jpg -
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Como las singularidades causan efectos hacia aguas arriba se empieza el clculo desde
aguas bajo sea desde el tirante normal del canal de salida. En el ejemplo sera de la
siguiente forma:
T
T
Hzg
v
yzg
v
y
HEE
1
2
1
16
2
6
6
16
22
Las prdidas de carga HT, en el sifn es la sumatoria de:
h 6-5: prdidas por transicin de entrada
h 5-4: por cambio de seccin (Borda-Carnot)
h 5: por rejilla (USBR)
h m: en rganos de control: codos, vlvula de limpieza,.. hm= K hvp
h 3-2: por cambio de seccin
h 2-1: por transicin de salida
h f: por friccin
Perdidas de carga por transiciones de entrada y salida
Se tomara en cuenta los siguientes coeficientes:
Tabla 7.2.2- Coefi cientes para Transicin en Sif ones
Transicin EntradaCi
SalidaCo
De concreto 0.4 0.7
De tierra 0.5 1.0
Perdidas de carga por rej i l lasLas prdidas de carga en las rejillas se deben a que estas producen perdidas por:
obstruccin, contraccin de la entrada y resistencias producidas por el rozamiento del
agua. La frmula de CREAGER nos da un buen criterio para evaluarla.
g
ningn
g
n
g
nt
ntr
e
eVV
a
a
a
aK
g
VKh
22
45.045.12
Kt: coeficiente de prdida en la rejilla
an: rea neta a travs de la rejilla
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ag: rea bruta de las rejillas y sus soportes
Vn: velocidad a travs del rea de la rejilla
Ving: velocidad de ingreso
en: espacio neto a travs de la rejilla
eg: espacio bruto de las rejillas y sus soportes
Perdidas de carga por entr ada al conducto
Vs: velocidad en el conducto del sifn
Ke: coeficiente que depende de la forma de entrada al conducto
Tabla 7.2.3- Coefi cientes a la entrada del conducto
Forma de entr ada KeCompuerta en pared delgada- contraccin suprimida
en los lados y en el fondo
1.0
Entrada con arista en ngulo recto 0.5
Entrada con arista ligeramente redondeada 0.23
Entrada con arista completamente redondeada 0.10
Entrada abocinada circular 0.0004
Perdidas por f r iccin en el conducto
g
V
D
Lfh
LR
VnLSh
f
h
ef
2
2
2
32
L: longitud total del conducto Rh= D/4
Perdidas por cambio de dir eccin o codos
: ngulo de deflexin
kc: coeficiente para codos comunes =0.25
Perdidas de carga por salida del conducto
gVVh css
2
22
Vs: velocidad en el conducto del sifn
Vc: velocidad aproximada en la caja
En forma prctica: hs= 2he
g
VKh see
2
2
g
Vkchc
290
2
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Tabla 7.2.4Seleccin de Dimetro de tuberas
Transicin
de tierra
Vmx = 1.06m/s
Transicin de
concreto
Vmx = 1.52m/sTuberas
Caudal(m
3/s)
Caudal(m
3/s)
Dimetro(pulg)
Dimetro(cm)
Area(m
2)
0-0.076 0 0.110 12 30.48 0.073
0.077 - 0.112 0.111- 0.173 15 38.10 0.114
0.123 - 0.176 0.174 0.249 18 45.72 0.164
0.177 - 0.238 0.250 0.340 21 53.34 0.223
0.239 - 0.311 0.341 - 0.445 24 60.96 0.292
0.312 - 0.393 0.446 - 0.564 27 68.58 0.369
0.394 - 0.487 0.565
0.694 30 76.20 0.456
0.488 - 0.589 0.695 - 0.841 33 83.82 0.552
0.590 - 0.699 0.842 1.000 36 91.44 0.656
0.700 - 0.821 1.001 - 1.175 39 99.06 0.771
0.822 - 0.954 1.176 - 1.362 42 106.68 0.894
0.955 - 1.096 1.363 - 1.563 45 114.30 1.026
1.097- 1.246 1.564 1.778 48 121.92 1.167
1.247-1.407 1 .779 2.008 51 129.54 1.318
1.408- 1.578 2.009 - 2.251 54 137.16 1.478
1.579 -1.756 2.252 - 2.509 57 144.78 1.646
1.757-1.946 2.510- 2.781 60 152.40 1.824
1.947- 2.146 63 160.02 2.011
2.147- 2.356 66 167.64 2.207
2.357 - 2.574 69 178.26 2.412
2.575 - 2.803 72 182.88 2.626
Fuente: Diseo de Estructuras Hidrulicas- M. Villn
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Problema
Un canal trapezoidal de ancho de solera 1m, z=1, n=0.025, est trazado con una
pendiente de 0.5 o/oo y conduce un caudal de 1 m3/s.
En cierto tramo de su perfil longitudinal, se tiene que construir un sifn invertido.
Realizar el diseo hidrulico de esta estructura, considerando la suma del coeficientede todas las perdidas menores como K=3 y la longitud del sifn = 80m.
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65 4 80.3