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OBRAS HIDRAULICAS
INDICE I. INTRODUCCION ............................................................................................................... 3
II. MARCO TEORICO .......................................................................................................... 4
2.1. SIFON - CONCEPTO ......................................................................................... 4
2.2. APLICACIONES .................................................................................................. 5
2.3. TIPOS DE SIFONES ......................................................................................... 5
2.3.1. Sifón Normal ........................................................................................... 5
2.3.2. Sifón Invertido .................................................................................... 5
2.4. PARTES DE UN SIFON INVERTIDO .............................................................. 6
a) Desarenador ..................................................................................................... 7
b) Desagüe de excedencias............................................................................ 7
c) Compuerta de emergencia y rejilla de entrada ......................... 7
d) Transición de entrada y salida ....................................................... 28
e) Conducto ............................................................................................................ 8
f) Registro para limpieza y válvula de purga ................................ 8
2.5. CRITERIOS DE DISEÑO .................................................................................. 9
2.6. CÁLCULO HIDRÁULICO DEL SIFÓN ............................................................ 32
a) DISEÑO DE TRANSICION DE ENTRADA Y SALIDA ................................ 33
b) DISEÑO DE REJILLA DE ENTRADA Y SALIDA ....................................... 33
c) TUBERÍAS DE PRESIÓN ................................................................................ 34
III. DESCRIPCIÓN DE VISITA DE CAMPO ............................................................... 36
IV. CONCLUSIONES .......................................................................................................... 48
V. ANEXOS .......................................................................................................................... 49
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OBRAS HIDRAULICAS
INDICE DE FIGURAS Figura 1: Sifón Invertido .......................................................................................................... 25
Figura 2: Sifón Normal............................................................................................................. 26
Figura 3: Sifón Invertido .......................................................................................................... 27
Figura 4: Parte de un sifón Invertido ....................................................................................... 29
Figura 5: Interpretación de la ecuación de la energía en el sifón .............................................. 32
Figura 6 ................................................................................................................................... 36
Figura 7 ................................................................................................................................... 36
Figura 8: .................................................................................................................................. 37
Figura 9: .................................................................................................................................. 38
Figura 10 ................................................................................................................................. 38
Figura 11: ................................................................................................................................ 39
Figura 12: ................................................................................................................................ 39
Figura 13: ................................................................................................................................ 39
Figura 14 ................................................................................................................................. 40
Figura 15 ................................................................................................................................. 40
Figura 16 ................................................................................................................................. 40
Figura 17 ................................................................................................................................. 41
Figura 18 ................................................................................................................................. 41
Figura 19 ................................................................................................................................. 41
Figura 20 ................................................................................................................................. 42
Figura 21 ................................................................................................................................. 42
Figura 22 ................................................................................................................................. 43
Figura 23 ................................................................................................................................. 44
Figura 24 ................................................................................................................................. 44
Figura 25 ................................................................................................................................. 45
Figura 26 ................................................................................................................................. 45
Figura 27 ................................................................................................................................. 46
Figura 28 ................................................................................................................................. 46
Figura 29 ................................................................................................................................. 47
Figura 30 ................................................................................................................................. 47
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OBRAS HIDRAULICAS
INTRODUCCION
El presente trabajo de “Informe de visita de campo a un
Sifón, y su diseño hidráulico”, muestra el recorrido realizado a
la Ciudad de La Oroya, en la que se encuentra ubicada dicha obra
hidráulica; y otra parte del documento da a conocer las
consideraciones básicas para su diseño.
Un sifón está formado por un tubo, en forma de "U"
invertida, con uno de sus extremos sumergidos en un líquido, que
asciende por el tubo a mayor altura que su superficie,
desaguando por el otro extremo. Para que el sifón funcione el
orificio de salida debe estar más abajo de la superficie libre,
pues funciona por gravedad, y debe estar lleno de líquido ya que
esa conectividad permite que el peso del líquido en la rama del
desagüe sea la fuerza que eleva el fluido en la otra rama.
Entre las aplicaciones básicas tenemos al sifón como una
estructura de conducción, Como estructuras de protección, en
este caso se emplean para dar pase a las aguas de lluvia o
excesos de agua de un canal por debajo de otro canal.
Por lo cual se plantean los siguientes objetivos:
Identificar las partes del sifón de la Oroya, y los
elementos que la componen.
Afianzar los conocimientos de clase respecto al
diseño hidráulico del sifón mediante una maqueta
realizada.
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OBRAS HIDRAULICAS
II. MARCO TEORICO
2.1. SIFON - CONCEPTO
Es una estructura utilizada para atravesar depresiones o vías de
comunicación cuando el nivel de la superficie libre de agua del
canal es mayor que la rasante del cruce y no hay espacio para
lograr el paso de vehículos o del agua. Los sifones se
diferencian de acueductos en que la sección del sifón se apoya
directamente en las laderas de la depresión, siguen el perfil
del terreno y sólo aprovechan la carga de agua para el
movimiento del flujo.
Generalmente hay cambio de sección con respecto a los canales,
por lo cual es necesario proyectar transiciones aguas arriba y
abajo. Tanto en el ingreso y a la salida se instalan rejas para
evitar el ingreso de troncos, malezas y otros.
Las secciones más recomendadas son:
Sección Rectangular; con una relación H/B = 1.25 y con una
sección mínima de H=1.0 m y B=0.80 m.
Sección Circular; con un diámetro mínimo de 30"; pueden en
algunos casos proyectarse baterías de conductos circulares
Figura 1: Sifón Invertido
Hay necesidad de construir un tanque 1 que opera como tanque de carga para alimentarlo. El sifón es una tubería a presión que reemplaza el canal y descarga sumergido en un tanque 2. A partir de este tanque continúa la conducción en canal. Entre los tanques 1 y 2 se desarrolla la línea piezométrica; esta permite determinar las presiones a lo largo del sifón. La presión máxima admisible depende de la presión de trabajo de la tubería.
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OBRAS HIDRAULICAS
2.2. APLICACIONES
Como estructuras de conducción.
Como estructuras de protección, en este caso se emplean
para dar pase a las aguas de lluvia o excesos de agua de
un canal por debajo de otro canal.
2.3. TIPOS DE SIFONES
2.3.1. Sifón Normal
Conduce el agua pasando sobre el obstáculo, y su
funcionamiento se debe a la presión atmosférica que actúa
en la superficie del agua a la entrada; para iniciar su
funcionamiento es necesario producir el vacío en el
interior del conducto, entonces la diferencia de presión
entre la entrada (Presión Atmosférica) y el interior del
conducto (Presión cero o próxima a cero) hace que el agua
fluya en sentido ascendente al llegar a la cresta, el agua
cae por gravedad hacia la rama derecha dejando un vacío en
la cresta lo que hace que el flujo sea continuo mientras no
se introduzca aire en el conducto, por esta razón la
entrada al sifón debe estar siempre ahogada.
Figura 2: Sifón Normal
2.3.2. Sifón Invertido
Llamado así por su posición respecto al sifón normal conduce el
agua pasando bajo el obstáculo. El principio de su
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OBRAS HIDRAULICAS
funcionamiento es diferente, en este tipo en agua fluye
exclusivamente por la acción de la gravedad, por el principio de
los vasos comunicantes, el agua trata de alcanzar el mismo nivel
en las dos ramas. Se ve que en este tipo de sifón no es
necesario producir el vacío dentro del conducto.
El sifón invertido es el más usado en canales principalmente
para cruzar cauces naturales.
Figura 3: Sifón Invertido
Los sifones invertidos, constan de las siguientes partes:
Desarenador
Desagüe de excedencias
Compuerta de emergencia y rejilla de entrada
Transición de entrada
Conducto o barril
Registro para limpieza y válvulas de purga
Transición de salida
No siempre son necesarias todas las partes indicadas pudiendo
suprimirse algunas de ellas.
2.4. PARTES DE UN SIFON INVERTIDO
Un sifón invertido completo consta de las siguientes
partes:
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a) Desarenador
Consiste en una o varias compuertas deslizantes
colocadas en una de las partes laterales, que descargan
a un canal con pendiente superior a la del propio canal.
Sirven a la vez para desalojar el agua del sifón cuando
por reparaciones en este sean cerradas las compuertas o
agujas de emergencia, se recomienda hacerlos de las
dimensiones convenientes para que pase el caudal por
desalojar y unirlos al canal colector de la obra de
excedencias. Conviene localizarlo antes de la transición
de entrada.
b) Desagüe de excedencias
Es una estructura que evita que el nivel del agua suba
más de lo tolerable en el canal de llegada, evacuando el
caudal que no pueda pasar por el sifón. Generalmente
consiste en un vertedor lateral construido en una de las
paredes del canal. Para el caudal normal la cresta del
vertedor estará a nivel de la superficie libre del agua.
c) Compuerta de emergencia y rejilla de entrada
Por facilidad de construcción se localizan a la entrada
del conducto, o sea al finalizar la transición de
entrada. La compuerta de emergencia consiste en una o
varias compuertas deslizantes o agujas de madera que
corren sobre ranuras hechas en las paredes laterales o
en viguetas de hierro y que en un momento determinado
pueden cerrar la entrada al conducto para poder hacer
limpieza o reparaciones al mismo tiempo.
d) Transición de entrada y salida
Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es
diferente a la adoptada en el conducto, es necesario
construir una transición de entrada y otra de salida
para pasar gradualmente de la primera a la segunda.
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OBRAS HIDRAULICAS
e) Conducto
Es la parte más importante y necesaria de los sifones,
es por donde se transporta el agua.
f) Registro para limpieza y válvula de purga
Se coloca en la parte más baja de los conductos, permite
evacuar el agua que se quede almacenada en el conducto
cuando se para el sifón, para su limpieza o reparación,
y consistirá en válvulas de compuerta deslizante, de las
dimensiones que se estime conveniente de acuerdo con el
caudal a desalojar. Se pueden usar para desalojar lodos.
Algunas veces estas válvulas no se pueden colocar en la
parte más baja del sifón por tratarse del fondo del
cauce del río por salvar, habiendo necesidad cuando se
presente el caso, de alguna bomba que succione el agua
restante. Estas válvulas se protegen por medio de un
registro de tabique o concreto que llega hasta la parte
superior del terreno. Deben abrirse gradualmente para
evitar aumentos de velocidades fuertes en las tuberías.
Figura 4: Parte de un sifón Invertido
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2.5. CRITERIOS DE DISEÑO
Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los
requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de
doblados y sumergencia de la entrada y salida.
En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo
de drenes, se requiere un mínimo de 0.90 m de cobertura y
cuando cruzan caminos parcelarios o canales d riego sin
revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifón cruza un canal
revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura.
En el caso particular del cruce con una quebrada o río de
régimen caudaloso, deberá hacerse un estudio de profundidad
de socavación para definir la profundidad en la que deberá
cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin que
esta sea afectada.
La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1
y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5 o/oo.
Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida
cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con ∅
mayor o igual a 36’ y para velocidades en el tubo mayores a
1 m/s.
Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifón
debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de
diseño, se recomienda aumentar en un 50% o 0.30 m como
máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de
15 m a partir de la estructura.
Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en
sifones relativamente cortos con transiciones de tierras,
tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una
velocidad de 1 m3/s, en sifones con transiciones de
concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/s y entre 3
a 2.5 m/s en sifones largos con transiciones de concreto
con o sin control en la entrada.
Las pérdidas de carga por entrada y salida para las
transiciones tipo “Cubierta Partida”, se pueden calcular
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OBRAS HIDRAULICAS
rápidamente con los valores 0.4 y 0.65 hv respectivamente o
con lo manifestando en los ítems 2.4 y 2.5.
A fin de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales
computadas se incrementan en 10%
En el diseño de la transición de entrada se recomienda que
la parte superior de la abertura del sifón, esté
ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta
profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y
en el diseño se toma 1.5 veces la carga de velocidad del
sifón o 1.1 como mínimo o también 3”.
En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6.
En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras
de alivio para permitir un drenaje del tubo para su
inspección y mantenimiento.
En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede
no sellarse ya sea que el sifón opere a flujo parcial o a
flujo lleno, con un coeficiente de fricción menor que el
sumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n =
0.008 cuando se calcula las pérdidas de energía.
Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica
ventanas de aireación en lugares donde el aire podría
acumularse.
Con respecto a las pérdidas de carga totales, se recomienda
la condición de que estas sean iguales o menores a 0.30 m.
Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario
conocer el gasto máximo de la creciente.
Se debe considerar un aliviadero de demasías y un canal de
descarga inmediatamente aguas arriba de la transición de
ingreso.
Se recomienda incluir una tubería de aeración después de la
transición de ingreso
Se debe analizar la necesidad de incluir válvulas rompe
presión en el desarrollo de la conducción a fin de evitar
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OBRAS HIDRAULICAS
el golpe de ariete, que podría hacer colapsar la tubería
(solo para grandes caudales).
Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de
Manning para el diseño hidráulico
Se debe tener en cuenta los criterios de sumergencia
(tubería ahogada) a la entrada y salida del sifón, a fin de
evitar el ingreso de aire a la tubería.
2.6. CÁLCULO HIDRÁULICO DEL SIFÓN
Para que cumpla su función el diseño del sifón, se debe de proceder
como sigue:
Figura 5: Interpretación de la ecuación de la energía en el sifón
Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplicamos la
ecuación de energía especifica:
Dónde:
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Zi: carga de posición
Zi: carga de presión
V12/2g: carga de velocidad (g =9.81m/s2)
ΔH: carga hidráulica
Se debe de cumplir que la AH debe de ser mayor a la suma de todas
las pérdidas que se generen en el sifón.
a) DISEÑO DE TRANSICION DE ENTRADA Y SALIDA
Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es
diferente a la adoptada en el conducto, es necesario
construir una transición de entrada y otra de salida para
pasar gradualmente de la primera a la segunda. En el diseño
de una transición de entrada y salida es generalmente
aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifón
un poco más abajo de la superficie normal del agua. Esta
práctica hace mínima la posible reducción de la capacidad del
sifón causada por la introducción del aire. La profundidad de
sumergencia de la abertura superior del sifón se recomienda
que este comprendida entre un mínimo de 1.1 hv y un máximo de
1.5 hv.
hh = carga de velocidad =v2/2g
Dónde:
V: velocidad en el canal (m/s)
g: aceleración gravedad (9.81 m/s)
b) DISEÑO DE REJILLA DE ENTRADA Y SALIDA
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OBRAS HIDRAULICAS
La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8"
de diámetro o varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 cm2 (3/8" x
3/8") colocados a cada 10 cm, y soldadas a un marco de 2.54 x
1.27cm2 (1" x 1/2"). Su objeto de la rejilla de
entrada es el impedir o disminuir la entrada al conducto
de basuras y objetos extraños que impidan el funcionamiento
correcto del conducto y la rejilla de salida para evitar el
ingreso de objetos extraños o personas.
c) TUBERÍAS DE PRESIÓN:
Son tuberías que transportan agua bajo presión. Para
que los costos de mantenimiento sean bajos hay que colocar
soportes y los anclajes de la tubería en pendientes estables y
encontrar buenos cimientos. No deber haber peligro de erosión
por desprendimiento de laderas, pero si acceso seguro para hacer
mantenimiento y reparación.
c.1) Material usado para tubería de presión:
El acero comercial fue fabricado con plancha de acero
roladas y soldada. En general las tuberías de acero que
están protegidas por una capa de pintura u otra capa de
protección pueden durar hasta 20 años. Además, son
efectivas en resistencia a impactos pero son pesadas, se
unen mediante bridas, soldadura o juntas metálicas. Evitar
enterrar las tuberías de presión debido a que corren el
riesgo de corroerse.
c.2) Velocidades en el conducto:
Las velocidades de diseño en sifones grandes es de 2.5
- 3.5 m/s, mientras que en sifones pequeños es de 1.6
m/s. Un sifón se considera largo, cuando su longitud es
mayor que 500 veces el diámetro.
c.3) Válvula de purga de agua y lodos
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OBRAS HIDRAULICAS
Se coloca en la parte más baja de los barriles, permite
evacuar el agua que se quede almacenada en el conducto cuando
se para el sifón o para desalojar lodos. Para su limpieza o
reparación, y consistirá en válvulas de compuerta deslizante
de las dimensiones que se estime conveniente de acuerdo con
el caudal a des alojar.
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OBRAS HIDRAULICAS
III. DESCRIPCIÓN DE VISITA DE CAMPO
El Sifón que podemos observar en la figura
es invertido y está construido
superficialmente permitiendo una mejor
accesibilidad. También podemos observar
es que el sifón es de tipo de ramas oblicuas
empleados para cruces de obstáculos.
Sifón invertido tiene una cámara de
entrada (cuya función es orientar el flujo
hacia el sifón) y una cámara de salida (que
permite guiar el flujo efluente hacia el
colector aguas abajo).
Figura 6
Figura 7
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80.61 m
98.95 m
60.40 m
24.7 m
43.2m
21.6 m
Observamos que el sifón está dividido en 6 partes con diferentes longitudes y diferentes pendientes.
Figura 8:
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OBRAS HIDRAULICAS
Observamos que la tubería de presión del sifón tiene un diámetro de 16” el material es de hierro ductil y está protegida por
una capa de pintura.
Observamos que la tubería de presión cada segmento tiene
una longitud de 1.2m
Figura 9:
Figura 10
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OBRAS HIDRAULICAS
Observamos que la tubería de presión cada
segmento esa conectado y asegurado por pernos redondos de
acero de diámetro de 3 cm.
Observamos los anclajes de la tubería que sirven para
disminuir las ondas que se generan aguas arriba produciendo
vibraciones en consecuencia movimientos de tubería y erosión de ella.
En la visita a la obra hidráulica hemos observado 6 anclajes de
concreto aguas abajo y 6 aguas arriba y al centro.
Observamos los anclajes de hierro fundido en la parte central contamos 9 que sirven de apoyo a la tubería.
Figura 12: Figura 11:
Figura 13:
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OBRAS HIDRAULICAS
3.35 m
2.10 m
1.74 m
1.40 m
FIGURA Nº14 - nº15 y nª16: Observamos las
medidas de los anclajes de hierro fundido que soportan la
tubería del sifón y los pernos que unen la armadura del
anclaje hay pernos circulares de diámetro de 3cm r
cuadradas de lado de 3cm.
26.5cm
Figura 14 Figura 15
Figura 16
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Válvula de purga elimina el aire del sistema y evacua el
agua que se almacena en el conducto o para desalojar
lodos
FIGURA Nº18 y nº19: Apoyos que sostienen la Válvula de purga
93cm
61cm
3.62 m
Figura 17
Figura 18
Figura 19
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OBRAS HIDRAULICAS
FIGURA Nº20 y nª21: Válvula de purga
Figura 20
Figura 21
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OBRAS HIDRAULICAS
AGUAS ARRIBA
FIGURA Nº22: Toma de derivación desvía las aguas que escurren sobre la solera hacia el sistema de conducción
observamos que esta obra hidráulica ya no está en funcionamiento y que la compuerta está cerrada ha crecido ichu,
Figura 22
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FIGURA Nº23 y nº24: Canal de derivación
y la toma de derivación por donde transcurría
el agua de la toma de derivación presencia de
ichu.
1.4 m
16 cm
57cm
1.9m
57cm
1.9 m
57 cm
1.85m
54 cm
Figura 23
Figura 24
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OBRAS HIDRAULICAS
FIGURA Nº25: Rejilla de entrada impide o
disminuye la entrada de basuras y objetos
extraños que impidan el buen
funcionamiento del conducto.
FIGURA Nº26: Canal de forma trapezoidal
conducen el agua desde la bocatoma podemos
observar que solo en un lado tiene un borde de
material de piedras y protegido con un cerco de
alambres, el otro borde se está tapando con el ichu
4.35 m
Figura 25
Figura 26
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OBRAS HIDRAULICAS
OTRAS OBSERVACIONES EN VISITA A OBRA
FIGURA Nº27: En la visita al sifón invertido pudimos observar que hubo otra obra hidráulica que era revestida de concreto
armado podemos los anclajes de concreto que tenía este sifón.
FIGURA Nº28: podemos observar que no se le
da el mantenimiento de la obra requerida para su
buen funcionamiento de esta estructura.
Figura 27
Figura 28
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OBRAS HIDRAULICAS
FIGURA Nº29: la cámara de entrada se
observa algunos desechos que la rejilla no pudo
detener y que puede obstaculizar el buen
funcionamiento del sifón.
FIGURA Nº30: se observó que al lado izquierdo de la cámara de entrada también había otro canal de forma
rectangular este ahora no está en funcionamiento.
72 cm.
24 cm.
Figura 29
Figura 30
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OBRAS HIDRAULICAS
IV. CONCLUSIONES
El sifón es estructura utilizada para atravesar depresiones o vías de comunicación cuando el nivel de la superficie libre
de agua del canal es mayor que la rasante del cruce y no hay
espacio para lograr el paso de vehículos o del agua.
Es necesario proyectar transiciones aguas arriba y abajo,
para evitar pérdidas de carga.
Para evitar el ingreso de troncos, malezas y otros se
instalan rejas en el ingreso y en la salida.
En la visita de campo se observó un sifón invertido y está
construido superficialmente permitiendo una mejor
accesibilidad, es de tipo de ramas oblicuas empleados para
cruces de obstáculos.
Sifón invertido tiene una cámara de entrada (cuya función es orientar el flujo hacia el sifón) y una cámara de salida
(que permite guiar el flujo efluente hacia el colector aguas
abajo).
El sifón actualmente se encuentra sin mantenimiento, por lo que su funcionamiento no es el óptimo.
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OBRAS HIDRAULICAS
V. ANEXOS