Escuela: INGENIERIA CIVIL

Tema: CAIDAS VERTICALES

Las caídas Verticales son estructuras que sirven para transportar el agua de un nivel superior a otro nivel inferior y que al hacerlo se disipe la energía que se genera. Existen de varios tipos y estos dependen de la altura y del caudal del agua que se transporta.

Las caídas Verticales son estructuras que sirven para transportar el agua de un nivel superior a otro nivel inferior y que al hacerlo se disipe la energía que se genera. Existen de varios tipos y estos dependen de la altura y del caudal del agua que se transporta.

Una caída por lo general consta de las siguientes partes: Transición Aguas arriba, Entrada de la caída, Longitud de transición, cuenco disipador, salida. Cada una de estas partes tiene sus criterios especiales de diseño, que escapa del alcance de este trabajo no obstante se mencionara ya que son útiles para el diseño de la caída .

Una caída por lo general consta de las siguientes partes: Transición Aguas arriba, Entrada de la caída, Longitud de transición, cuenco disipador, salida. Cada una de estas partes tiene sus criterios especiales de diseño, que escapa del alcance de este trabajo no obstante se mencionara ya que son útiles para el diseño de la caída .

Las caídas son utilizadas ampliamente como estructuras de disipación en irrigación, abastecimiento de agua y alcantarillado, también es necesario en presas, barrajes y vertederos.

Las caídas son utilizadas ampliamente como estructuras de disipación en irrigación, abastecimiento de agua y alcantarillado, también es necesario en presas, barrajes y vertederos.

Aparte de costo, que, evidentemente, será un factor importante a la hora de diseñar, es necesario considerar los factores tales como:

Aparte de costo, que, evidentemente, será un factor importante a la hora de diseñar, es necesario considerar los factores tales como:

-Rendimiento en sistemas llevando sedimento, los desechos y malas hierbas-Capacidad de realizar otras funciones tales como puente

-Facilidad de construcción y la disponibilidad de materiales

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

Se recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000 l/s 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 ni obras de sostenimiento ni drenaje.

Se recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000 l/s 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 ni obras de sostenimiento ni drenaje.

Cuando el desnivel es ≤ 0.30 m y el caudal ≤ 300 l/s x m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.Cuando el desnivel es ≤ 0.30 m y el caudal ≤ 300 l/s x m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.

El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la formula para caudal unitario “q”El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la formula para caudal unitario “q”

Siendo el caudal total: Formula de Weisbach

La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibradoLa caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado

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.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.

Rand (1955) citado por ILRI (5) Pag. 209, encontró que la geometría del flujo de agua en un salto vertical, puede calcularse con un error inferior al 5% por medio de las siguientes funciones: Rand (1955) citado por ILRI (5) Pag. 209, encontró que la geometría del flujo de agua en un salto vertical, puede calcularse con un error inferior al 5% por medio de las siguientes funciones:

Donde:

Que se le conoce como número de salto

Donde:

Que se le conoce como número de salto

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 estructuraAl 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

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.

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.

Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/sxm de ancho de cresta de la caída, es igual a:

Donde: (P/ρg) = Baja presión permisible debajo de la lámina vertiente, en metros de columna de agua. (Se puede suponer un valor de 0.04 m de columna de agua) Ke = Coeficiente de perdida de entrada (Usar Ke= 0.5) f = coeficiente de fricción en la ecuación de Darcy-Weisbach

L = Longitud de la tubería de ventilación, m. D = Diámetro del agujero de ventilación, m Kb = coeficiente de perdida por curvatura (Usar Kb=1.1) Kex = Coeficiente de pérdida por salida (Usar Kex=1.0) Va = Velocidad media del flujo de aire a través de la tubería de ventilación. ρa/ρw = aproximadamente 1/830 para aire a 20ºC

Diseño de Caida Verticales

Ingreso de DatosCAUDAL: 0.50 m3/s

Cota canal aguas arriba: 952.00 m.s.n.m

Cota canal aguas abajo: 951.00 m.s.n.m

Desnivel(d): 1.00 m

CANAL DE ENTRADA

Q1 (m3/s) = 0.50

Y1 (m) = 0.41

b1 (m) = 1.00

V1 (m/s) = 0.98

S1 = 0.0010 A1 (m/s) = 0.58

n = 0.015 P1 (m/s) = 2.16

z = 1.00 R1 (m/s) = 0.27

CANAL DE SALIDA 

Q2 (m3/s) = 0.50

Y2 (m) = 0.30

b2 (m) = 1.00

V2 (m/s) = 1.20

S2 = 0.0030 A2 (m/s) = 0.39

n = 0.015 P2 (m/s) = 1.85

z = 1.00 R2 (m/s) = 0.21

Canal Aguas Arriba: Canal Aguas Abajo:k1= 0.237 k1= 0.137y= 0.41 y= 0.30

K2= 0.240 K2= 0.138

VALORES DE RUGOSIDAD "n" DE MANNING

A. Ancho de la Caída

Hallar la carga de energía en el canal de entrada o aguas arriba:

Y= 0.41 mV= 0.98 m/sg= 9.81 m/s2H= 0.46 m

Caudal unitario:

q= 0.46 m3/sxm

Ancho de la caida:

Q= 0.50 m3/s

B= 1.09 m

B. Transición de entrada

Espejo de agua del canal de entrada: T1= 1.82 m

Espejo en la sección de la caida: T2= 1.09 m

Longitud de transición de entrada:

Lte= 0.79 m

C. Dimensiones de la caída

Caudal unitario:

q= 0.46 m3/sxm

Y2= 0.30 m

Hallando los tirantes en la caida:

q= 0.46 m3/sxm

g= 9.81 m/s2

d= 1.00 m desnivel

D= 0.02 m

Yc= 0.28 m

Yp= 0.43 m

Y1= 0.11 m

Y2= 0.59 m

D. Dimension de poza o colchon amortiguador

Ld= 1.53 m

Lj= 3.34 m

Longitud de colchon amortiguador (LB):

LB= 4.86 m

E. Longitud del tramo de canal rectangular (sección de control) 

Yc= 0.28 m

L= 0.97 m

DISEÑO DE UNA CAIDA VERTICAL

0.41 m = d 0.28 m =Yc

0.59 m

1. m = d

0.43 m =Yp 0.10 m

Y1 = 0.11 m

Ld = 1.53 m Lj = 3.34 m

LB = 4.86 m

1|||

Determinación de la longitud de las transiciones de entrada y salida. Las transiciones en este caso se calcularán bastante bruscas, formando ángulo de 25° con el eje del canal; con esto tendríamos un factor de seguridad ya que el valor de F se reduce si se consideran las pérdidas de carga en las transiciones que liberadamente se han despreciado en el cálculo.

CANAL DE ENTRADA Q = 0.59 m3/sdO = 0.5 mbo = 0.3 mA o = 0.525 m2Vo = 1.124 m/sSo = 0.0016 Blc = 0.2 mmo = 1.5 :1

CANAL DE SALIDA

Q 3= 0.59 m3/sd3 = 0.55 mb3 = 0.3 mA 3= 0.58 m2V3= 1.02 m/sS3 = 0.001 Blc = 0.2 mmo = 1.5 :1

1º ) Determinación de los niveles de energía antes y después de la caída.

* AGUAS ARRIBA

Co = 100.12 C1= Co + d o + hvo hvo = 0.0644

C1 = 100.68437

* AGUAS ABAJO

C4 = 99.12 C4= Co + d o + hvo hv3= 0.0527

C4 = 99.7227411

co = cota inicial aguas arribaC4 = cota aguas abajohv = carga de velocidadd = tirante

2º) Determinación de la diferencia de niveles de energía aguas arriba y aguas abajo de la caída “F”.

F = C1 -C4F = 0.962 m

 3º) Determinación del gasto por metro de ancho “q”.  En secciones rectangulares el gasto por unidad de ancho viene dado por la expresión:

q= 0.725 m

Siendo H :

H= 0.564

  4º) determinación del ancho de la caída “J”

J= 0.814Se toma: 0.8 m

5º) Para determinar el valor del tirante crítico “dc”, se puede hacer uso de la tabla 4.5 ó calcularlo por la fórmula:

0.738

dc = 0.381 m Tabla 4.5. Profundidad critica en secciones rectangulares

q 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

0 0 0.0215 0.0346 0.0453 0.0547 0.0635 0.0715 0.0794 0.0869 0.0939

0.1 0.1004 0.107 0.1135 0.1196 0.1257 0.1317 0.1378 0.1434 0.149 0.1546

0.2 0.1598 0.1649 0.17 0.1752 0.1803 0.1855 0.1901 0.1953 0.1999 0.2046

0.3 0.2093 0.214 0.2186 0.2228 0.2275 0.2322 0.2364 0.2406 0.2452 0.2495

0.4 0.2537 0.2579 0.2621 0.2663 0.27 0.2742 0.2784 0.2822 0.2864 0.2906

0.5 0.2943 0.298 0.3022 0.306 0.3097 0.3135 0.3172 0.3209 0.3247 0.3284

0.6 0.3321 0.3359 0.3396 0.3433 0.3471 0.3504 0.3541 0.3574 0.3611 0.3645

0.7 0.3681 0.3716 0.3751 0.3789 0.3821 0.3854 0.3887 0.3924 0.3957 0.3994

0.8 0.4027 0.4059 0.4092 0.4125 0.4158 0.419 0.4223 0.4256 0.4288 0.4321

0.9 0.4354 0.4366 0.4419 0.4452 0.4455 0.4513 0.4545 0.4578 0.4611 0.4639

1 0.4671 0.4706 0.4732 0.4765 0.4798 0.4826 0.4858 0.4836 0.4919 0.4947

1.1 0.4975 0.5008 0.5036 0.5068 0.5096 0.5125 0.5157 0.5185 0.5218 0.5246

1.2 0.5274 0.5307 0.5335 0.5363 0.5391 0.5419 0.5452 0.548 0.5508 0.5536

1.3 0.5564 0.5592 0.562 0.5648 0.5676 0.5704 0.5732 0.576 0.5788 0.5816

1.4 0.5844 0.5872 0.59 0.5928 0.5956 0.5984 0.6012 0.604 0.6068 0.6096

1.5 0.612 0.6148 0.6176 0.6204 0.6232 0.6257 0.6284 0.6311 0.6337 0.6364

1.6 0.639 0.6417 0.6444 0.647 0.6497 0.6523 0.6549 0.6575 0.6602 0.6628

1.7 0.6554 0.66 0.67 0.6732 0.6758 0.6704 0.6609 0.6635 0.6861 0.6887

1.8 0.6812 0.853 0.6964 0.6939 0.7015 0.704 0.7035 0.709 0.7115 0.7141

1.9 0.7166 0.7191 0.7216 0.7241 0.7265 0.7291 0.7316 0.7341 0.7366 0.7391

6º) Determinación de las profundidades aguas arriba del salto “ d1 ”  y de aguas abajo del salto “d2 ”.

2.522  Con este valor se entra en la tabla 4.6 y se obtiene los valores:

6.970 0.328

d2= 0.872 m d1= 0.125 m

7º) Elevación del pozo

5.897

hv1= 1.772

C2 = C1- (hv1+ d1 )

C2= 98.787 m

hv2= 0.0365

C2 = C1-F-(hv2+d2)

c2= 98.815 mEsta formula se usa como comprobacion

Esta formula se usa como comprobación

0.846

NOTA: La diferencia de c2 es mínima por eso se desprecia

8º) Longitud del pozo

3.487 m Tomamos : 3.500 m

   9º)   Determinación del borde libre

4.349

En muchos  casos no se toma en consideración este borde libre ya sea porque el diseño de la estructura no lo amerita o por el hecho de que económicamente no se justifica o ambos a la vez; cuando esto ocurre el muro une directamente los niveles superiores del revestimiento antes y después de la caída.

10º) Longitud de las transiciones:

To = 1.800 m

T3 = b3+2*m3*d3

T3 = 1.950

1.072

Lte= Diseño de la Transición de la entradato=Espacio de agua en el canal

J= El ancho de la solera en la caída