capitulo iv irrigación

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍNFACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

CAPITULO IV“DISEÑO HIDRULICO DE OBRAS DE ARTE DE

RIEGO”

INTRODUCCIÓN

Todos los países andinos presentan zonas en que el riego es necesario para la actividad agropecuaria, sea este como complemento de las lluvias o como condición indispensable en zonas desérticas y semidesérticas. Estas zonas representan una gran extensión de territorio y por lo tanto anualmente se invierten sumas considerables en la realización de estudios y ejecución de proyectos de riego, correspondiendo la mayoría de los proyectos a pequeñas irrigaciones.

Así mismo nuestro país se caracteriza por poseer diferentes pisos ecológicos, cada cual con diferentes estructuras geomorfológicas, lo que hace que de acuerdo al tipo de terreno en cada lugar deban emplearse estructuras hidráulicas que puedan vencer obstáculos de la naturaleza y permitir que el curso de un canal continué, para lo cual se deben construir obras de arte como los sifones, acueductos, aliviaderos, caídas, rápidas, etc., para que de esta manera se puedan cruzar quebradas u otros obstáculos y permitir la continuación del agua en el canal aguas abajo.

Denominase como obras de arte, todas las estructuras necesarias que garanticen el buen funcionamiento del canal, para superar impedimentos naturales, como el cruce de una quebrada o facilidades para su manejo, como una compuerta, etc.

OBJETIVOS

a. GeneralEstar en la capacidad de entender el diseño hidráulico de las obras de arte involucradas en proyectos de riego de tierras con fines agrícolas..

b. Específicos- Conocer los diferentes tipos de obras de arte en riego

según su uso y sus características.

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- Conocer el comportamiento hidráulico de las diferentes obras de arte en riego.

- Diseñar de acuerdo a los criterios descritos óptimamente los diferentes tipos de obras de arte de riego.

4.1. DISEÑO HIDRAULICO DE TRANSICIONES

ESTRUCTURAS DE TRANSICION.

Consideraciones generales

Un trabajo que frecuentemente deben realizar los ingenieros civiles, consiste en el diseño de una transición entre dos canales de diferente sección transversal, o entre un canal y una galería o un sifón. Como criterios para el dimensionamiento hidráulico se pueden mencionar:

a. Minimización de las pérdidas de energía por medio de estructuras económicamente justificables.

b. Eliminación de las ondulaciones grandes y de los vórtices (por ejemplo, los vórtices de entrada con el consecuente peligro de introducción de aire.

c. Eliminación de zonas con agua tranquila o flujo muy retardado (por ejemplo: las zonas de separación traen consigo el riesgo de depósito de material en suspensión).

Estos criterios se cumplen para el caso de flujo subcrítico, si se le confiere a la estructura de transición una forma hidrodinámica con la ayuda de relaciones derivadas del fenómeno de la formación de ondas.

Para los cálculos hidráulicos en las estructuras de transición con flujo subcrítico son admisibles las siguientes hipótesis:

Se supone que la pendiente de la línea de energía es constante en el tramo relativamente corto de la estructura de transición y, en ausencia de pérdidas locales, puede, asimismo, calcularse por tramos con la ayuda de la ecuación de Gauckler-Manning-

Strickler:

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http://www.monografias.com/trabajos15/hipotesis/hipotesis.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/elso/elso.shtml#ondas

http://www.monografias.com/trabajos6/esfu/esfu.shtml#tabla

http://www.monografias.com/trabajos35/hidrostatica-hidrodinamica/hidrostatica-hidrodinamica.shtml

http://www.monografias.com/trabajos13/ripa/ripa.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/aire/aire.shtml

http://www.monografias.com/trabajos13/discurso/discurso.shtml

http://www.monografias.com/


La velocidad varía principalmente en función de la distancia. Se supone que los factores a y 13 son iguales a 1, o bien, pueden definirse para las secciones transversales extremas y efectuar una interpolación para las secciones intermedias.

Los efectos de la curvatura del flujo pueden ignorarse, con lo que las distribuciones de presión resultan hidrostáticas. Se pueden dejar de considerar también las zonas de separación de flujo.

Pasos para el diseño de una estructura de transición. Una ayuda valiosa en el cálculo hidráulico es el diagrama de energía con las curvas Ho-y. Se recomienda trazar, con el caudal dado Q, una familia de curvas para varias secciones transversales de la estructura, donde los cambios en la sección transversal de la estructura de transición están limitados únicamente a cambios en el ancho B del canal, de tal modo que las secciones transversales consecutivas están caracterizadas por valores definidos del caudal unitario q=Q/B.

Ilustración 1. Curvas Ho - y

Se supone que se conocen las secciones transversales de los canales aguas arriba y aguas abajo, los cuales deben ser unidos con la estructura de transición y también, el caudal, la profundidad de agua, la altura de energía en la sección transversal final y su forma. Para la solución de este problema

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http://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/fami/fami.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/flujograma/flujograma.shtml

http://www.monografias.com/trabajos7/caes/caes.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml

http://www.monografias.com/trabajos13/cinemat/cinemat2.shtml#TEORICO


típico se procede determinando la ubicación de la línea de energía en forma aproximada (hipótesis a), mencionada anteriormente, con lo que queda determinada también la profundidad de agua en la sección transversal inicial. Las dimensiones de las secciones transversales intermedias elegidas para la estructura pueden entonces determinarse de dos maneras:

1. Se selecciona un recorrido uniforme para la superficie libre del agua entre la sección transversal inicial y final, con lo que las cargas de velocidad intermedias quedan fijas, es decir, para cada sección transversal, se fija un determinado punto (y, HJ. Si se dibujan los valores así definidos para Ha a lo largo del eje central de la estructura de transición, se obtiene la ubicación del fondo del canal que correspondería al recorrido seleccionado de la superficie libre del agua. 2. Se selecciona un recorrido continuo y uniforme para el fondo del canal entre los puntos extremos de la estructura de transición. De este modo se fijan los valores de Ha para cada sección transversal intermedia y entonces, con ayuda de la ilustración 1, se puede definir la profundidad de agua "y" correspondiente.

Es probable que luego del primer cálculo no se obtenga el perfil del fondo del canal, con el primer método, o el perfil de la superficie libre del agua, con el segundo método, tan uniforme y continuo como sería deseable. Será necesario, entonces, repetir el procedimiento de cálculo según un ajuste iterativo apropiado hasta obtener una transición uniforme de la superficie libre del agua y del fondo del canal, o bien, modificar la separación entre las secciones transversales para las formas seleccionadas previamente o variar la forma misma de las secciones transversales.

Estrechamientos en canales y estructuras de ingreso Las diferentes posibilidades de diseño para estrechamientos en canales pueden explicarse, con ayuda de la ilustración 1, en el caso de un canal de sección rectangular. La reducción de la sección transversal puede efectuarse básicamente en dos formas: mediante una reducción de la profundidad y de agua, o por medio de una reducción del ancho B del canal. Se supone que el punto M en la ilustración 1 representa las relaciones geométricas e hidráulicas existentes en el extremo aguas arriba del canal. El paso hacia las relaciones del extremo de aguas abajo, representadas por el punto E, se puede obtener como se explica a continuación:

El fondo del canal en la estructura de transición se prolonga con igual pendiente (de modo que la energía específica Ha permanece aproximadamente constante), y se reduce el ancho B. En este caso, se pueden leer en la

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http://www.monografias.com/trabajos12/lailustr/lailustr.shtml

http://www.monografias.com/trabajos13/mapro/mapro.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/metods/metods.shtml





ilustración 1, los cambios de profundidad correspondientes a partir de los puntos de intersección de la línea vertical que pasa por M con las curvas correspondientes a los valores crecientes de Q/B. Luego de que se alcanza un ancho determinado en el punto N, se puede lograr otra disminución de la sección transversal por medio de una sobre-elevación gradual del fondo, manteniendo constante el ancho del canal. La diferencia de altura en el fondo se obtiene a partir del valor de Ha definido en la ilustración 1 luego de la correspondiente corrección por pérdida de energía; la ubicación de la superficie libre del agua se obtiene con la ayuda de las profundidades calculadas con la línea NE. Por lo general, para un estrechamiento dado de la sección transversal a lo largo de MNE, resultan variaciones menores de la profundidad que a lo largo de la línea MGE.

Este último caso se analiza a continuación por medio de la ilustración 1. Con una contracción creciente del ancho del canal, el punto N se desplaza hacia abajo, hasta alcanzar finalmente el valor crítico Nc. El mínimo ancho del canal, para el cual el caudal Q todavía puede ser transportado con el valor constante de Ha y una profundidad y = y c' puede obtenerse con la ecuación (1):

(3.1)

(3.2)

Cualquier contracción adicional de las paredes del canal producirá un remanso hacia aguas arriba. Igual resultado de obtiene, si la profundidad del canal es demasiado grande. Así, por ejemplo, también pueden obtenerse las condiciones de flujo crítico disponiendo un umbral en el fondo y manteniendo constante el ancho del canal, de tal modo que el punto G alcance la ubicación extrema admisible Gc. La máxima sobre-elevación admisible del fondo que produce flujo crítico manteniendo constante el ancho, se obtiene de la diferencia entre los valores de Ho en M y Gc. Dado que Ho en el punto Gc

es igual a (3/2)Yc = (3/2) , se obtiene la siguiente expresión para la altura extrema del umbral (D z0)c:

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(3.3)

donde y es la profundidad inicial en el punto M. Finalmente, si el flujo crítico se alcanza con el estrechamiento simultáneo de los lados y del fondo, se obtiene, de la ilustración 1, una línea de unión de M a la recta con línea discontinua y = yc, que se ubica entre las curvas MGGc y MNNc por ejemplo, la línea MEEc. La consideración de pérdidas de energía a causa de la resistencia de las paredes o del rozamiento para estrechamientos en canales con flujo subcrítico, conduce por lo general a profundidades de agua algo menores, en comparación con los resultados sin consideración de pérdidas, como lo comprobaron las mediciones del U.S. Army Corps of Engineers y del U.S. Bureau of Reclamation. Para estrechamientos de canales, con ángulos en lo posible menores a 12.5° entre el eje de la estructura y la tangente a los lados en el punto de inflexión, recomienda Hinds (1928) la siguiente expresión para la pérdida de energía:

(3.4)

es decir, una pérdida igual a la décima parte de la diferencia de cargas de velocidad en las secciones extremas de la estructura de transición. Tipos de TransiciónLas estructuras de transición de un canal trapezoidal a uno rectangular pueden agruparse en tres tipos:

a. Transición con curvatura simple b. Transición de forma cuña c. Transiciones con doble curvatura.

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http://www.monografias.com/trabajos10/restat/restat.shtml


Ilustración 2. Tipos de transiciones

Las dos primeras formas deberían limitarse a casos con

velocidades muy pequeñas de flujo , y ninguna de las tres formas son apropiadas para flujo supercrítico. El tipo c) se recomienda para estructuras muy grandes no sólo porque satisface mejor los requerimientos hidráulicos, sino también porque, en estos casos, las superficies con doble curvatura se pueden construir dentro de términos económicamente rentables. En la ilustración 3 se presenta un ejemplo de una estructura de transición, según Hinds (1928) (véase Vittal, Chiranjeevi, 1983).

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Ejemplo de Estructura de Transición

Debido a que una estructura de ingreso a un canal representa el problema extremo de un estrechamiento, son válidos para ella los mismos criterios de diseños anteriores. En lo posible, se debe evitar una entrada hacia un canal con cantos sin redondeamiento, a menos que el ahorro en los costos de construcción para estructuras pequeñas, sea más importante que las ventajas del flujo más hidrodinámico, el que puede obtenerse si la forma sigue aproximadamente el perfil de las líneas de corriente. Para estructuras de tamaño intermedio se debe disponer, en lo posible, transiciones con simple curvatura tanto en el fondo como en las paredes entre el embalse y el canal. Criterios de referencia para la relación entre el radio de redondeo y el ancho, o bien, la profundidad del canal, se pueden obtener de la ilustración 4, que originalmente fue formulada para entradas en tuberías (Hubbard, Ling, 1952). Si deben instalarse compuertas de regulación en la estructura de ingreso a un canal trapezoidal, a partir de una sección inicial rectangular se debería pensar en una estructura de transición similar a la presentada en la ilustración 2b o para flujo en dirección opuesta, a la de la ilustración 2c.

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http://www.monografias.com/trabajos13/radio/radio.shtml

http://www.monografias.com/trabajos35/materiales-construccion/materiales-construccion.shtml

http://www.monografias.com/trabajos4/costos/costos.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/ahorro-inversion/ahorro-inversion.shtml


DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS

Por un canal de sección rectangular, fluye un caudal de 6.5 m3/seg. Pasando por una sección de ancho 3 m a otra de 5 m en forma gradual sin que el fondo varíe de cota, el tirante en la sección de 5 m es 1.20 y en la de 3 m es 1.045; se pide calcular:

a) El ángulo apropiado que debe tener el eje del canal con los aleros de la transición, según el U.S.B.R.

b) La pérdida de la energía en la transición según la Ecuación de BORDA-CARNOT.

Solución

a) El ángulo apropiado será:

Tg /2 = 1 3 F

Se calcula el Nº de Fronde en cada sección y se obtiene el promedio

V1 = 6.5 . = 2.073 ; V2 = 6.5 . = 1.083 3 x 1.045 5 x 1.2

F1 = 2.073 . = 0.647 ; F2 = 1.083 . = 0.316 9.81 x1.045 9.81 x 1.2

F( promedio) = 0.4815

Tg/2 = 1 . =0.6923 3 x 0.4815

/2 = 340 47’ por medidas prácticas se toma:

/2 =35°

b) La pérdida de carga se calcula según la Ec.-General;

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Peg = (Aℓ 2/A1-1)2 V22 /2g = (Aℓ 2 -A1)2/2g

Y según gráfico 2.18.a., para = 70° y asumiendo, más o menos la trayectoria para l2/l1, se obtiene: ℓ = 1Peg = 1.1 (6/3.135- 1)2 x1.0832/19.62 = 1.1(2.073-1.083)2/19.62Peg = 0.055 m.

Estas pérdidas se pueden reducir, si tomamos un valor menor de θ/2.

4.2. DISEÑO HIDRAULICO DE ALIVIADEROS LATERALES

Estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que podrían causar serios daños, por lo tanto, su ubicación se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro.

Los caudales de exceso a eliminarse, se originan algunas veces por fallas del operador o por afluencias, que durante las lluvias

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el canal recibe de las quebradas, estos excesos debe descargar con un mínimo de obras de arte, buscándose en lo posible cauces naturales para evitar obras adicionales, aunque esto último depende siempre de la conjugación de diferentes aspectos locales (topografía, ubicación del vertedero, etc.)

4.3.2. CRITERIOS DE DISEÑO

1.- El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel máximo de su caja hidráulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como de máxima avenida.

2.- El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente de caudal, siempre quedará un excedente que corresponde teóricamente a unos 10 cm. encima del tirante normal.

3.- La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn.

4.- Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de fórmulas, a continuación se describe la fórmula de Forchheiner citada por el SIMAMOS:

Donde:ύ= 0.95µ = coeficiente de contracciónL = longitud del vertederoh = carga promedio por encima de la cresta.

El flujo del canal, deberá ser siempre .subcrítico, entonces:

h2 > h1h = h1+h2 2h1= 0.8 h2h = 0.9 h2.

La fórmula da buena aproximación cuando se cumple:

V1 ≤ 0.75g Y1

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Q =ύ2µ 2g Lh3/2

3


h 2 - h1 ≤ Y2- Yn

5.-Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar diferentes valores µ según la forma que adopte la cresta.

FORMA µ

a) Anchos de cantos rectangulares 0.49-0.51

b) Ancho de cantos redondeados 0.50-0.65

c) Afilado con aeración necesaria 0.64

d) En forma de techo con corona redondeada 0.79

6.- El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se está eliminando por la ventana o escotadura del canal, cruza un camino, frecuentemente se utilizan cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del vertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c ó d.

7.- Los aliviaderos laterales pueden descargar a través de un vertedero con colchón al pie (desniveles pequeños) o mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes).

4.3.3. DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS

Un canal trapezoidal de rugosidad 0,014 con taludes 1:1 plantilla 1,m y pendiente 1 0/00 recibe en épocas de crecidas un caudal de 9 m3/seg., el canal ha sido construido para 4 m3/seg, pero puede admitir un caudal de 6 m3/seg. Calcular la longitud del aliviadero para eliminar el exceso de agua.

Solución

1) Calculo de los TirantesYmax=1.71mYn=1.17m

Y2=1.42m

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2) Cálculo de."h''.h2=0.25m.h1= 0.8*h2=0.2m.h=0.2+0.25 = 0.225 m.

2

3) Caudal a evacuarQ = 3 m3/ seg

4) Calculo de LPara µ= 0.5 y aplicando Ec, 4.21L= 3Q .2 x ύ x µ 2g xh3/2L = 20 m.

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4.3. DISEÑO HIDRAULICO DE SIFONES

4.3.1. GENERALIDADES

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 solo 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 deH = 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.

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.

NORMAS PARA EL DISEÑO- Cuando el canal por conducir es grande y supera un conducto de 6.00 m de diámetro se diseña una batería de sifones.- Para cargas pequeñas entre 0 y 5 m, se prefiere las secciones cuadradas y rectangulares, sin embargo cuando los momentos negativos no pueden absorberse en las esquinas interiores del sifón se prefiere secciones circulares.- Las normas mexicanas para diseño de sifones indican:

a) Cruce de carreteras: El relleno de tierra que debe cubrir el sifón deberá tener un espesor mínimo de 1.50 m y su

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longitud ser mayor que el ancho del derecho de vía mas un metro a c/lado.b) Cruce de vías férreas: El espesor mínimo de relleno sobre sifón debe ser como mínimo 0.90 m, y sobrepasar el ancho de la línea mas el drenaje.c) Cruce con canal o dren: El relleno medido desde la rasante del canal a la parte superior del sifón debe ser por lo menos de 1.50 m y tener una longitud igual al ancho del canal, mas sus bermas y bordes.d) Cruce de ríos y arroyos: El espesor del relleno en la zona del cauce no debe ser menor de la profundidad de socavación y en las laderas no menor de 1.0 m, cuidando que las transiciones del canal a sifón queden en excavación.

4.3.2. CRITERIOS DE DISEÑOa) 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 constituye un peligro, principalmente cuando esta cerca de centros poblados, siendo necesario el uso de rejillas pero con la desventaja de que puedan obturarse las aberturas y causar remansos.b) Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente en el suelo, ángulos de doblados y sugerencia de la entrada y salida.c) En 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 0.60 m. Y si cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura.d) En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento.e) Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse.f) Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la creciente.g) Con la finalidad de evitar desbordes aguas 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.h) La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5 °/oo. Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con mayor 36” y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/seg.

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i) Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierra, tanto en entrada como salida, se puede usar una velocidad de 1 m/seg. En sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/seg. Y para sifones largos con transiciones de concreto con o sin control de entrada entre 3 a 2.5 m/seg.j) A fin de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales computadas incrementan en 10%.k) En el diseño de transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón, este 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 Hv (carga de velocidad del sifón) o 1.1 como mínimo o también 3”.l) En la salida, el valor de la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6.m) En sifones largos bajo ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere a flujo parcial o flujo lleno, con un coeficiente de fricción menor que el asumido en diseño, por esta razón se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculan perdidas por energía.n) Con respecto a las pérdidas de cargas totales, se recomienda la condición que sean iguales o menores a 0.30 m.


DISEÑO HIDRAULICO DE UN SIFON:Se ha realizado el rediseño de un sifón ubicado en el sector Coscomba de la primera etapa del proyecto especial CHAVIMOCHIC, en el cruce de un canal con la panamericana, las características del cruce se presentan en la figura 1 y las del canal aguas arriba y aguas abajo del cruce son:

Q = 1 m3/segZ = 1.5S = 1 °/oo (aguas arriba y aguas abajo)B = 1.0 m

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n = 0.025Y = 0.7 mV = 0.7 m/segLas cotas según el perfil del canal son:Km. 1+030 = 46.72 msnmKm. 1+070 = 46.44 msnm

1. Con la información topográfica del perfil del terreno en el cruce y perfil del canal, se efectúa el dimensionamiento previo de la figura adjunta, el cual cumple con los requisitos hidráulicos necesarios.

2.Selección del Diámetro del tubo :Asumimos una velocidad de 1.5 m/seg.

A = 0.67m2

Pero como: D=0.92 m.

Escogemos: D = 36” = 0.9144 mEl nuevo valor del área es: A = 0.657 m2Y la velocidad de diseño: V = 1.52 m/seg

3.Cálculo de longitud de transiciones (LT) :El espejo de agua en el canal es:T = b + 2 ZYT = 1 + 2 (1.5)(0.70) = 3.10 m

LT = 2.35 m

Para caudales menores a 1.2 m3/seg en tuberías, se recomienda: LT= 4DLT = 4(0.92) = 3.70 mEntonces escogemos una longitud de transición de 3.70 m y /2 es 16.5.

4.Nivel de agua en 1 :Del Km. 1+030 al punto 1 según la figura adjunta, hay 6.40 m, luego la cota de fondo en 1será:

46.72 – (6.40 x 0.001) = 46.72 msnm.El nivel de agua en 1: 46.72 + 0.70 = 47.42 msnm

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5.Cota de fondo en 2 :

Cota de fondo en 2: 47.42 – (Hte + 1.5 Hv)

Hv = 0.118 - 0.025 = 0.092 m

6.Cota de fondo en 3 :h = 5 x sen 12° = 1.04 mCota de fondo en 3: 46.34 – 1.04 = 45.30 msnm.

7.Cota de fondo en 4 :Longitud de tubo horizontal: 10 m

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10 x 0.005 = 0.05 mCota de fondo en 4: 45.30 – 0.05 = 45.25 msnm.

8.Cota de fondo en 5 :h = 4 x sen 12° = 0.83 mCota de fondo en 5: 45.25 + 0.83 = 46.08 msnm.

9.Cota de fondo en 6 :De la cota en 6 y el Km. 1+070 según la figura adjunta, hay 7.40 m.Luego la cota en 6: 46.44 – (7.40 x 0.001) = 46.43 msnm.

10. Cálculo del Valor de P en la salida :

El máximo valor de P debe ser:- En la entrada: P =3/4 D- En la salida: P =1/2 D =1/2 (0.92) = 0.46 mCota 6 – Cota 5 = 46.43 – 46.08 = 0.35 mEscogemos el valor de P = 0.35 m para que la cota 6 de la transición coincida con la de la rasante del canal.

11. Inclinación de los tubos doblados : Desnivel entre la cota 2 y cota 3: 46.34 – 45.30 = 1.04 mA la entrada: 4.90/1.04=4.70Desnivel entre la cota 4 y cota 5: 46.08 – 45.25 = 1.04 mA la salida: 3.90/0.83=4.70

Para los 2 casos se tiene una pendiente 4.7:1, mas plano que 2:1, entonces se acepta la inclinación.

12. Carga hidráulica máxima disponible :Cota 1 + Tirante = 46.72 + 0.70 = 47.42 msnm.Cota 6 + Tirante = 46.44 + 0.70 = 47.14 msnm.

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Carga disponible = 0.28 m

13. Cálculo de las pérdidas de carga :Las pérdidas de carga importantes son:

a) En transición de entrada y salida. Las transiciones de entrada y salida al sifón pueden tener la misma longitud, cuando no varían las secciones del canal aguas arriba y abajo, en caso contrario serán diferentes.

donde: kt = 0.1 en la transición de entradakt = 0.2 en la transición de salidaVs = velocidad de sifónVce = velocidad de canal de entrada

Entonces para el diseño se tiene:- Transición de entrada:

ht = 0.0092 m

- Transición de salida:

ht = 0.0184 m

b) En rejilla de ingreso y salida, se calcula con la formula de Creager:

0.1 < kr < 0.50

- Rejilla de entrada: hr=0.40 (1.522/19.80)= 0.047- Rejilla de salida: hr=0.40(0.702/19.80)= 0.009

c) En la entrada y salida, se calcula de la misma forma que las perdidas en transiciones:- Conducto de entrada: h = 0.0092 m- Conducto de salida: h = 0.0184 m.

d) Por fricción en el sifón, resulta ser:

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Donde: f = 0.025L = 19.0 m

D = 0.9144 mEntonces: hf = 0.061 m

e) En codos o cambios de dirección,

s = ángulo de deflexión del sifón

h = 0.011 mSe tienen 2 codos, entonces: h = 0.022 m

LA PERDIDA DE CARGA TOTALES:H = hH = 0.19 m

Para mayor seguridad las pérdidas de carga totales se incrementan en 10%:

1.10 x 0.19 = 0.21 mPodemos deducir que la carga disponible menos las pérdidas totales son de:

0.28 – 0.21 = 0.07 m

14. Cálculo de la sumergencia a la salida :

Altura de sumergencia: (0.70 + 0.35) - Hte

Altura de sumergencia: 1.05 – 0.94 = 0.11 m

Este valor no debe excede a: Hte/6= 0.16 m

Como 0.11 m < 0.16 m, se acepta el valor de sumergencia.

15. Longitud de Protección del Enrocado

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Longitud de Protección del Enrocado:Lp = 3 Di = 2.74 mLp = 2.80 m

4.4. DISEÑO DE ACUEDUCTOS4.4.1. GENERALIDADES

El acueducto es un conducto, que fluye como canal encima de un puente diseñado, para resistir la carga de agua y su propio peso para atravesar una vía de transporte o para cruzar una depresión o curso de agua no muy profundo. Es una construcción para la conducción de agua a fin de salvar un desnivel.La construcción de la Escuela Estatal Primaria “Santa Teresita”, permitirá satisfacer la demanda estudiantil que existe en el nivel primario de este centro educativo.

La finalidad de un acueducto es pasar agua de un canal de riego por encima de otro canal de riego, un dren o una depresión en el terreno. Por lo general se usa construcciones de concreto armado para este fin. En el caso de cruce con vías de transporte se usara acueductos cuando la rasante de la vía permita una altura libre para el paso de los vehículos de transporte. En caso de cruce de quebradas el puente debe tener suficiente altura para dejar pasar el acueducto las máximas avenidas en el cauce que cruza. Igualmente si el puente tiene varios pilares, producirá remansamientos y socavaciones que conviene tenerlas en cuenta.

Ventajas y Desventajas de un acueductoLa principal ventaja de un acueducto es que al cruzar el canal o dren, no obstaculiza el flujo libre del agua a través de ellos. La

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desventaja es que su construcción interrumpe durante un periodo considerable al riego, lo que hace necesario desvíos correspondientes. Además el acueducto es una solución cara ya que se diseña como puente y los apoyos de este deben calcularse teniendo en cuenta todas las cargas y asegurar que soporten todos los esfuerzos de la superestructura.En el caso que se optara por un acueducto con varios conductos circulares, en los extremos será necesario proyectar tanques o cámaras para mejorar su funcionamiento. Deberá verificarse si no hay otra solución más barata como por ejemplo una alcantarilla en el canal o dren por cruzarse, cuando el caudal de este ultimo lo permite.

4.4.2. CRITERIOS DE DISEÑO

El diseño hidráulico de un acueducto debería hacerse antes del diseño estructural. Para el diseño hidráulico de esta estructura es suficiente cambiar la sección de canal por un canal de sección rectangular y para disminuir su sección aumentar la pendiente hidráulica.Con este objeto después de diseñar la sección más conveniente del acueducto se determina las transiciones de entrada y salida para empalmar la sección del canal con la sección del acueducto y respectivamente a la salida.La información mínima para el diseño hidráulico consiste de:- Las características hidráulicas del canal de riego;- Las elevaciones del fondo del canal de riego, tanto aguas arriba como aguas debajo de la estructura.En cuanto a la ubicación del acueducto debe asegurarse que el flujo de agua hacia la estructura sea lo más uniforme posible y orientar y alinear el acueducto de tal forma que no sea obstáculo ni para el canal que pasa por él ni para el canal que cruza.En el diseño hidráulico del acueducto se puede distinguir las siguientes componentes:- La transición aguas arriba y abajo del acueducto- El tramo elevado

a) TransiciónLa transición aguas arriba y abajo del acueducto debe producir en cambio gradual de la velocidad del agua en el canal mismo, hacia el tramo elevado, cambiando también la sección trapezoidal del canal rectangular si esta fuera el caso. En cuantoMas alta sea la velocidad del agua en el canal, más importante seria disponer de una buena transición.La longitud de la transición se puede calcular, aplicando el criterio presentado en el libro “Hidráulica de Canales Abiertos”

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de VEN TECHOW (párrafo 11-6 ver anexo A), que da el ángulo máximo para la línea que conecta el muro lateral de la estructura con el talud del canal, fijándolo en 12.5o (Figura 1):

L = [(Bs / 2)+ z h – (B / 2)] / (2.1)

Donde:L = longitud de la transición (m);B = ancho del acueducto (m);

B3 = ancho del fondo del canal (m);Z = talud del canal;H = altura total del canal (m);Para un canal de sección rectangular se puede determinar la longitud de la transición con la ecuación:

L = ( Bs / B ) / tang. 12º30’ (2.2)

Donde:L = longitud de la transición (m);B = ancho del acueducto (m);B3 = ancho del fondo del canal (m).

a-1) La EntradaPor lo general las velocidades del agua son más altas en

el acueducto que en el canal, resultando en una aceleración del flujo en la transición de entrada y una disminución del pelo de agua en una altura suficiente para producir el incremento de la velocidad necesario y para superar las pérdidas de cargas por fricción y transición. Cuando se desprecia la perdida de agua por fricción, que generalmente es mínima, se puede calcular esta disminución (Δy) del pelo de agua con la ecuación:

Δ y = (Δhv + CI Δhv) = (1 + CI ) Δ hv (2.3)

Donde:Δy = disminución del pelo de agua (m);ΔhV = diferencia en la carga de velocidad (m);CI = Coeficiente de perdida en la entrada (Ver cuadro 1);

ΔhV = (V22 – v2

1) / 2g

V1 = Velocidad del agua en el canal aguas; arriba (m/s)V2 = Velocidad del agua en el acueducto (m/s);

La elevación A1 en el inicio de la transición de entrada, coincide con la elevación del fondo del canal en esta

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progresiva. La elevación B1 la final de la transición de entrada, o el inicio del acueducto, se determina según la expresión (Véase Figura 2);

Cota B = Cota A + Y1 – (Y2 + Δy) (2.4)Donde:

y1 = tirante de agua en el canal aguas arriba (m);Y2 = tirante de agua en el acueducto (m);Δy = disminución del pelo de agua (m).

a-2) La SalidaPara estructuras de salida, la velocidad se reduce, por lo

menos en parte, a los efectos de elevar la superficie del agua. Esta elevación en la superficie del agua, conocida como la recuperación de la altura de velocidad esta normalmente acompañada por una pérdida de conversión, conocida como la perdida de salida. El incremento (Δy) de la superficie del agua para estructuras de salida se puede expresar como:

Δ y = ΔhV + Co ΔhV = (1 + Co) Δ hV (2.5)

Donde:Δy = incremento del pelo de agua (m);Δhv = diferencia de la carga de velocidad (m);Co = Coeficiente de pérdida de la salida (ver cuadro 1);ΔhV = (V2

2 - V23) / 2g

V2 = Velocidad del agua en el acueducto (m/seg).V3 = Velocidad del agua en el canal aguas abajo (m/seg)

La velocidad C, (Ver la Figura 2) en el inicio de la transición de salida, coincide con la elevación del fondo final del acueducto. La elevación D, al final de la transición de salida, o el inicio del canal aguas abajo del acueducto, se determina según:

Cota D = Cota C – [Y3 – ( Y2 + Δy ) ] (2.6)Donde:Y3 = tirante de agua en el canal aguas abajo (m);Y2 = tirante de agua en el acueducto (m);Δy = incremento de la superficie del agua (m),

Los coeficientes recomendados de CI y Co para usar en los cálculos se dan en el siguiente cuadro 1:

Cuadro 1 – Coeficiente CI y Co Recomendados

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Tipo de Transición CR COCurvado 0.10 0.20Cuadrante cilíndrico 0.15 0.25Simplificado en línea recta 0.20 0.20Línea recta 0.30 0.50Entremos cuadrados 0.30 0.75


a-3) Borde LibreEl borde libre para la transición en la parte adyacente al

canal, debe ser igual al bordo del revestimiento del canal en el caso de un canal en el caso de un canal revestido, en el caso de un canal en tierra el borde libre de la transición será.- 0.15 m, para tirantes de agua hasta 0.40 m;- 0.25 m, para tirantes de agua desde 0.40 m hasta 0.60 m;- 0.30 m, para tirantes de agua desde 0.60 m, hasta a1.50 mts.

El borde libre de la transacción en la parte adyacente al acueducto, debe ser igual al borde libre del acueducto mismo, el cual se determina en el acápite b).

b) Tramo ElevadoComo se menciono en el acápite 4.4.1, los acueductos se construyen generalmente de concreto armado. Desde el punto de vista constructivo, la sección mas apropiada en concreto armado es una sección rectangular.La sección hidráulica más eficiente es aquella cuya relación entre el ancho (b) y el tirante (y) esa entre 1.0 y 3.0. Para cualquier relación b / y en este rango, los valores del área mojado, velocidad y perímetro mojado son casi idénticos, cuando la pendiente del fondo del acueducto varía entre 0.0001 y 0.100 y para caudales pequeños hasta 2.85 m3 / seg.La sección mas económica del acueducto tendrá una velocidad de agua más alta que la velocidad de agua en un canal en tierra y consecuentemente la pendiente del acueducto será también mayor que la pendiente del canal.

Estudio realizadas muestran que, con una relación b/y igual a 1, 2 o 3, la pendiente del acueducto no debe ser mayor de 0.002 para evitar un flujo supercritico.Usando un valor para el factor de rugosidad (n), reducido en un 20%, se recomienda verificar si el flujo no se acerca mucho al flujo supercritico, para evitar un flujo inestable en el acueducto.El valor común del factor rugosidad para un acueducto de concreto armado esn = 0.014. La pendiente del acueducto se determina con:

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S r = ( Cota B – Cota C ) / L ) (2.7)Donde:Sr = Pendiente de la rasante del acueducto;Cota B = Elevación en el inicio del acueducto (m.s.n.m.);Cota C = Elevación al final del acueducto (m.s.n.m.);L = longitud del acueducto entre los puntos B y C (m)La pendiente calculada con la formula (2-7) debería ser menor de 0.002; caso contrario habrá que modificar el diseño.

El cálculo hidráulico se hace con la conocida formula de MANNING:

Q = (A R2/3S r 1/2) / n (2.8)Donde:Q = Caudal (m3 / seg);A = área mojada, by (m2);R = radio hidráulico (m);S r = La pendiente de la rasante del acueducton = factor de rugosidad de MANNING.

Se recomienda determinar el borde libre del acueducto con la ayuda del grafico presentando en la Figura 3, que muestra las recomendaciones del USBR.

c) Protección del fondo del canal y los taludes contra la erosión

Cuando una estructura que conduce agua desemboca en un canal en tierra, se necesita siempre una protección en los primeros metros del canal para evitar que ocurra erosión:

Para el diseño de la protección se tiene que saber lo siguiente:- La velocidad del agua en la estructura;- La velocidad del agua en el canal;- La granulometría del material del canal;- El ángulo de talud del canal.

En el diseño de la protección se puede distinguir dos fases:1. Determinar la longitud necesaria de la protección;2. Determinar las características de la construcción, o sea el peso y el tamaño del material requerido para la protección.


Condiciones Hidráulicas Del Canal:El canal antes y después del Acueducto tiene las siguientes características:Q = 3 m3 / s

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n = 0.014Z = 2S = 0.002fc = 1.20 mSegún Manning: Q = (A R2/3S1/2) / n

(1/m)8/3 (m+z)5/3/ (m+z√1+Z2)2/3

= Q n / S1/2 f5/8

f = m x am = 1.785ac = 0.67 → Vc = 1.75 m/sPor el borde libre: f b = 0.6 + 0.003 + V3 √a = 0.62 m.

Cota de fondo del canal al inicio de la transición aguas arriba igual aguas arriba del conducto es de 120.50 m.s.n.m. (COTA A)

Calculo Hidráulico Del Canal:Q = 3 m3 / sn = 0.014Z = 0S = 0.002Analizamos el acueducto para una eficiencia hidráulica:m = 2 (√1+Z2 - Z) → m = 2f = m x a

Según Manning: Q = (A R2/3S 1/2) / na = 0.90 mf a = 1.79 m ≈ 1.80 mts.V a = 1.87 m/s.

f b a = 0.6 + 0.0037 + V3 √a = 0.622 m. → f b a = 0.63 mts.

Longitud del Acueducto, segun plano: L = 30 mts.

Las Transiciones:L = (fc / 2 + Zc ac – fA / 2) tang. 12.25ºL = (1.20 / 2 + 2 x 0.67 – 1.89 / 2) tang. 12.25ºL = 4.79 → L = 4.75m.

A) En la Entrada:Disminución del pelo de agua en la tracción. Si se trata de línea recta según el cuadro Nº de coeficiente: Cx = 0.30

ΔhV = (V2A – v2

1) / 2g

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ΔhV = (1.872 – 1.752) / 2g = 0.022 mΔ y = (1 + Cx) ΔhvΔ y = (1 + 0.30) 0.022 = 0.03 m→ Cota B = Cota A + (ac – (aA + ay))Cota B = 120.5 + (0.67 – (0.90 + 0.03)) = 120.24 m

B) En la Salida:El aumento del pelo de agua en la transición, si se trata de una línea recta según el cuadro Nº el coeficiente Co = 0.50.ΔhV = (V2

A – V21) / 2g

ΔhV = (1.872 – 1.752) / 2g = 0.022 mΔ y = (1 – Co) ΔhvΔ y = (1 + 0.50) 0.022 = 0.01 m→ Cota C = 120.24 + (30 x 0.002) = 120.18 m→ Cota D = Cota C + (aA – (aA + ay) – ac)

Cota D = 120.18 + (0.90 – (0.01 + 0.67)) = 120.42 m

La pérdida de la carga hidráulica:Desde el inicio de la transición de entrada y al final de la transición de la salida:

Δ = 120.50 -120.432 = 0.08 m

Esta pérdida de carga hidráulica de 0.08 es considerada normal para este tipo de estructuras y por lo tanto aceptada.El valor de m = f / a = 1.79 / 0.90 = 2.00, está dentro de los valores recomendados (1 → 3)Se verifica el acueducto con el valor n reducido en un 20 %;

Q = 3 m3 / sn = 0.012Z = 0S = 0.002fc = 1.80 mm = 2.385aA = 0.76 mVa = 2.21 m/s

En este caso, El Número de Froude es:F = V / √ g aA = 2.20 / √ 9.81 x 0.76 = 0.81

Este valor es satisfactorio ya que 0.81 < 1.00 y por consecuencia esta en un régimen sub critico.

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4.5. SALTO DE AGUA, CAIDAS Y RAPIDAS

Las caídas y rápidas son estructuras que se usan para unir dos tramos de canal que están a diferente nivel topográfico. Se denomina caída inclinada cuando la caída en el gradiente de energía en una estructura no es mayor de 4.50m. Cuando la caída en el gradiente de energía que tiene que ser disipada por la estructura es mayor de 4.50m la estructura se denomina rápida. Las rápidas pueden tener secciones rectangulares o trapezoidales de acuerdo con las condiciones del terreno a lo largo de su localización. Las caídas y rápidas son estructuras disipadoras de energía que se construyen en lugares donde la topografía lo exige.

Salto hidráulicoEl salto hidráulico fue investigado por primera vez experimentalmente por Giorgio Bidone, un científico italiano en 1818. El salto hidráulico es conocido también como una onda estacionaria.Tipos de salto hidráulicoLos saltos hidráulicos se pueden clasificar, de acuerdo con el U.S. Bureau of Reclamation, de la siguiente forma, en función del número de Froude del flujo aguas arriba del salto (los límites indicados no marcan cortes nítidos, sino que se

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sobrelapan en una cierta extensión dependiendo de las condiciones locales):

Para F1 = 1.0: el flujo es crítico, y de aqui no se forma ningún salto.

Para F1 > 1.0 y < 1.7: la superficie del agua muestra ondulaciones, y el salto es llamado salto ondular.

Para F1 > 1.7 y < 2.5: tenemos un salto débil. Este se caracteriza por la formación de pequeños rollos a lo largo del salto, la superficie aguas abajo del salto es lisa. La pérdida de energía es baja.

Para F1 > 2.5 y < 4.5: se produce un salto oscilante. Se produce un chorro oscilante entrando al salto del fondo a la superficie una y otra vez sin periodicidad. Cada oscilación produce una gran onda de período irregular, la cual comúnmente puede viajar por varios kilómetros causando daños aguas abajo en bancos de tierra y márgenes.

Para F1 > 4.5 y < 9.0: se produce un salto llamado salto permanente: la extremidad aguas abajo del rollo de la superficie y el punto en el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar el flujo ocurre prácticamente en la misma sección vertical. La acción y posición de este salto son menos sensibles a la variación en la profundidad aguas abajo. El salto está bien balanceado y el rendimiento en la disipación de energía es el mejor, variando entre el 45 y el 70%.

Para F1 = 9.0 o mayor: se produce el llamado salto fuerte: el chorro de alta velocidad agarra golpes intermitentes de agua rodando hacia abajo, generando ondas aguas abajo, y puede prevalecer una superficie áspera. La efectividad del salto puede llegar al 85%.

A.- CaídasUsadas para regular la velocidad del agua, bajando

bruscamente al nivel de la plantilla del canal. De acuerdo con la magnitud de la estructura, la caída se construye de concreto reforzado, bloques de concreto, mampostería y madera resistente a la putrefacción con altura mayor de 4m.

A.1.- Genera1idades.Son obras proyectadas en canales o zanjas, para

salvar desniveles bruscos en la rasante de fondo, Gómez Navarro, hace una diferenciación de estas obras y conviene en llamar las caídas cuando los desniveles son iguales o menores a 4 m., estas a su vez pueden ser verticales o inclinadas.

Para desniveles mayores a 4.0 m. la estructura toma el nombre de rápida y en estos casos es conveniente un

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estudio económico entre la rápida o una serie de caídas que Domínguez, denomina gradas.

En el presente ítem, se estudia el diseño hidráulico de caídas verticales e inclinadas, rápidas y gradas, no se trata el caso de caídas entubadas puesto que su diseño se basa en los mismos principios que los sifones.

A.2.- Caídas verticalesA.2.1.- Criterios de Diseño hidráulico

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

2.- El SINAMOS, recomienda que para caudales unitarios mayores a 300 L/seg. 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 i obras de sostenimiento ni drenaje.

3.- Cuando el desnivel es ≤: 0.30 m y el caudal ≤ 300 L/seg.x m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.

4.- El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la fórmula para caudal unitario "q":

q =1.48 H 3/2

Siendo el caudal total;Q = 2 µ B 2g Lh3/2

3B = ancho de caída

5.- La caída 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 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.

7.- Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara indicada en la Fig., el

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cual se debe reemplazar para evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura.

8.- 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.

b) Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/sxm.de ancho de cresta de la caída.

A.2.2.- Caídas Verticales con Obstáculos para el Choque

El Bureau of Reclamation, ha desarrollado para saltos pequeños, un tipo de caída con obstáculos donde choca el agua de la lámina vertiente y se ha obtenido una buena disipación de energía para una amplia variación de la profundidad de la lámina aguas abajo, a tal punto que puede considerarse independiente del salto.

A.3.- Caídas Inclinadas.A.3.1.- Generalidades

Estas estructuras se proyectan en tramos cortos de canal con pendientes fuertes, siendo la velocidad del flujo en la" caída siempre mayor que la- del propio canal, causando serios; daños por erosión si no se pone un revestimiento apropiado; mediante el análisis hidráulico se verifican los fenómenos del flujo, que a su vez serán el fundamento para la determinación de la clase de revestimiento y de su extensión.

Una caída inclinada se divide desde arriba hacia abajo en las siguientes partes:

- Transición de entrada con sección de control- Caída propiamente dicha- Colchón

- Transición de salida.

En algunos casos la caída propiamente dicha y el colchón, pueden ser de sección rectangular o trapezoidal, la selección depende de las condiciones locales y en todo caso del criterio del diseñador.

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Sección de Control

La sección de control tiene por finalidad, mantener el flujo aguas arriba en régimen tranquilo, de manera que es en la misma sección de control donde ocurre el cambio de régimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad crítica.

La sección de control consiste en una variación de la sección del canal en el punto donde, se inicia la caída o en una rampa en contra pendiente, de manera que la energía en el canal aguas arriba sea igual a la energía en el punto donde se inicia la caída.

A.3.2.- Criterios de Diseño en Caídas Inclinadas: Sección rectangular

1.- La rampa inclinada en sentido longitudinal de la caída en sí se recomienda en un valor de 1.5:1 a 2:1, su inclinación no debe ser menor a la del ángulo de reposo del material confinado.

2.- El ancho de la caída B es igual a;B = Q/qDonde:q = .171 H2/3

Q =valor conocido =Q = 2 µB 2g H3/2

3µ = 0.58 (valor promedio aceptado en este caso)

Finalmente el valor B, debe ser tal que, al pie de la caída el Número de Froude nos permita seleccionar la poza de disipación que más se ajuste a nuestro criterio.

3.- Es muy importante tener en cuenta la supresión, por lo que se recomienda seguir las indicaciones para calcular el número de lloradores.

4.- Estructuralmente la caída estará dispuesta con las precauciones del caso, para evitar su falla por deslizamiento.

B.- Rápidas

Generalidades:

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Las rápidas son estructuras que sirven para conectar dos tramos de un canal, cuyo desnivel es bastante grande en una longitud relativamente corta.Sólo un estudio económico comparativo ayudará a decidir en la utilización de una rápida o una serie de caídas escalonadas, conocidas también como gradas.

DefiniciónSon canales abiertos, pavimentados o revestidos, en los que el agua corre con gran velocidad. Pueden establecerse como secciones de canal de poca longitud en tramos e mucha pendiente.

Para el diseño es necesario conocer las propiedades hidráulicas, las elevaciones de las rasantes y de las secciones del canal aguas arriba y aguas abajo de la rápida, así mismo un perfil longitudinal del tramo donde se ubica la estructura.

Una rápida constante de las siguientes partes:

- Transición de entrada.

- Sección de control, es la sección correspondiente al punto donde comienza la pendiente fuerte de la rápida.

- Canal de la rápida, es la sección comprendida entre la sección de control y el principio de la trayectoria, puede tener de acuerdo a la configuración del terreno una o varias pendientes, pudiendo ser de sección trapezoidal o rectangular, es necesario poner atención en el aumento del volumen de la corriente por acción del aire incorporado cuando las velocidades halladas exceden 10 m/seg.

- Trayectoria, es una curva parabólica vertical, que une la pendiente última de la rápida con el plano inclinado del principio del colchón amortiguador, de tal manera que debe diseñarse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacíos.Si la trayectoria se calcula con el valor de la aceleración de la gravedad como componente vertical, no habrá presión de agua sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentará, limitándose así la capacidad del canal. Por tal razón es conveniente usar como componente vertical un valor inferior a la aceleración de la gravedad o incrementar el valor de la velocidad para que la lámina de agua se adhiera al fondo del canal.

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- Tanque o colchón amortiguador.- Transición de salida

4.6. EL AFORADOR PARSHALL

Generalidades La necesidad de contar con un dispositivo cuya precisión fuese la de un vertedero donde no se presentara el problema azolve o avenamiento, fue resuelto por el ing. Ralph L. Parshall de la estación agrícola Experimental de Colorado U.S.A en 1922 y lo llamo inicialmente “medidor de ventura mejorado”, nombre que fue cambiado posteriormente por el de “conducto medidor parshall”.

Definición.

Es una estructura que sirve para medir caudales en un rango muy amplio. Debido a que la velocidad del agua es muy grande en la estructura no se deposita sedimentos y la precisión del aforo queda dentro del 5% de error. El medidor consta de las siguientes partes:

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- Entrada- Garganta- Salida

4.6.1 USO Y VENTAJAS

Entre las principales ventajas como estructura de aforo podemos enumerar.

1.- El diseño es simple y su construcción suele resultar barata si se ubica en lugares que deben revestirse o si se combina entre caídas y sifones, etc.

2.- La estructura trabajada aun teniendo gran variación en el gasto y este se puede determinar con bastante precisión pues cuando el medidor trabaja con descarga libre de error es menor de 3% y cuando trabaja ahogado el error es de 5%.

3.- No se produce el problema de avenamiento en la estructura ni aguas arriba de ella conservando siempre su misma presión.

4.- Su conservación es casi nula y su fácil lectura permite un control a nivel de usuario y sectorista de riego, sin mayor experiencia.

5.- Hidráulicamente funciona bien por su baja perdida de carga con relación a otros tipos de medidores.

4.6.2 FUNCIONAMIENTO HIDRAULICO

El medidor Parshall funciona en dos casos bien diferenciados.

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Con descarga libre.Con descarga sumergida y ahogada.

Descarga libre.Cuando el escurrimiento es libre, el caudal aguas debajo de la estructura no obstaculiza a la descarga por la garganta y en este caso la descarga Ha, la descarga libre puede acontecer de 2 maneras:

Sin salto hidráulico: este caso se presenta cuando el tirante aguas abajo del medidor es muy pequeño en relación al nivel de la cresta del medidor y físicamente se manifiesta con una circulación libre del agua en el medidor, sin producir ninguna turbulencia o cambio brusco del Tirante de agua.

Con salto hidráulico: este caso se presenta, cuando el tirante aguas abajo del medidor es suficientemente grande con respecto al nivel de la cresta y por lo tanto el agua trata de recuperar el nivel de aguas abajo, lo cual se hace bruscamente, produciéndose el salto hidráulico, siempre y cuando el salto hidráulico se produzca fuera de la garganta el escurrimiento será libre.

Descarga sumergida.Cuando el caudal aguas debajo de la estructura obstaculizaba la descarga por la garganta, se tiene escurrimiento sumergido, y en este caso la carga Hb difiere poco de la carga Ha siendo el caudal función de dos cargas: Ha y Hb; es decir, cuando la mira en “b” marca una altura de agua (Hb) se dice que el medidor funciona con cierto grado de sumergencia.

4.6.3 CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DEL TAMAÑO MAS ADECUADO DEL PARSHALL

Esto ser reduce a comparar únicamente la relación tamaño w y perdida de carga que tienen lugar en diferentes tamaños de medidores a fin de seleccionar aquel que presente mayores ventajas, para esto, es necesario conocer de antemano el caudal máximo a medir observándose en la figura 4.28 que existen varios tamaños de medidores que son capaces de medirlo y para seleccionar de entre ellos el más adecuado se debe tener en cuenta:1. El menor de los medidores con la capacidad requerida será

el más favorable.

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2. Un medidor demasiado grande resulta impreciso ya que una variación pequeña en la carga corresponde a una variación considerable en el gasto.

3. Se debe tener en cuenta que un medidor pequeño origina una pérdida de carga fuerte, lo que significa un apreciable aumento en el tirante del canal aguas arriba del medidor y si existe una toma cerca, el caudal de captación será menor que aquel para el cual fue diseñada la toma.

4. Muchas veces se requiere instalar un medidor de tamaño mayor al mínimo necesario, debido a la fuerte velocidad que se produce a la salida, puesto que esta será mayor en la medida que más pequeño sea el medidor.

5. El tamaño del medio W varía de 1/3 a ½ del ancho de la plantilla del canal, cuando se trata de canales rectangulares pequeños, y de 2/3 aproximadamente cuando se trata de canales trapezoidales.

6. Siempre es necesario conocer de antemano la perdida de carga que origina la estructura, para adoptar una correcta elevación de la cresta sobre la plantilla del canal.

7. Se deberá tener en cuenta que cuando el tamaño del medidor W se disminuye, se disminuye la elevación de la cresta sobre la plantilla del canal.

8. A mayor gasto corresponde mayor grado de sumersión y debe tenerse en cuenta que para un buen funcionamiento del medidor, nunca deberá hacerse trabajar con un grado de sumersión mayor que 0.95.

9. El diseño del medidor termina con el cálculo del nivel de la cresta, sirviendo las comprobaciones del tirante aguas arriba para certificar si la altura del borde del canal es suficiente para contener el represamiento producido por el medidor, si la diferencia es pequeña se sobre elevará los bordos y si es excesiva se elegirá un medidor con mayor ancho de garganta.

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CONCLUSIONES

1. Los aliviaderos laterales son obras hidráulicas que sirven para controlar el caudal evitándose posibles desbordes que podrían causar serios daños.

2. En estructuras hidráulicas como salto de agua, la caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado.

3. Las rápidas son estructuras que sirven para conectar dos tramos de un canal cuyo desnivel es bastante grande en la longitud relativamente corta.

4. Una de las ventajas del aforador Parshall es que hidráulicamente funciona bien por su baja pérdida de carga con relación a otros tipos de medidores, no se produce el problema de arenamiento en la estructura ni aguas arriba de ella conservando siempre su misma precisión.

5. Las caídas se utilizan para llevar el nivel de agua de un nivel superior a otro inferior y evitar que se erosione el curso de agua y dañe la estructura del canal es por tal motivo que se le utiliza también como disipador de energía.

6. Las caídas son estructuras que se utilizan comúnmente tanto para canales como para alcantarillas y se basan en la utilización del resalto hidráulico para disipar la energía.

7. Son muy comunes las de tipo inclinado y las de caída vertical, aunque dependiendo de las condiciones generalmente resultan más fáciles de construir las inclinadas y son también más económicas

8. Existen normas y diseños ya preestablecido que facilitan el diseño de caídas, dependiendo de la elección de las condiciones del terreno y de la altura de la caída y del número de Froude para elegir el modelo de disipador de energía.

9. Una poza disipadora y una transición de salida construidas para las dimensiones recomendadas tal vez no contengan completamente la salpicadura causada por el agua turbulenta,

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pero la estructura debe contener suficiente de la turbulencia para prevenir daños por erosión después de la estructura.

10. La probabilidad de que ondas sean generadas en la estructura puede ser reducida, siguiendo las recomendaciones concernientes a ángulos de deflexión y simetría, evitando los cambios de dirección en la estructura.

11. La inclinación del terreno, la clase y volumen de excavación, el revestimiento, la permeabilidad y resistencia a la cimentación, y la estabilidad de taludes son condiciones de emplazamiento que determinan el tipo y componentes de la estructura.

12. Con la construcción de estos aforadores se logrará una mejor distribución del agua, y se podrá distinguir las aguas provenientes de los diferentes sistemas de riego.

13. Se podrán controlar los caudales suministrados a cada sistema de riego, en especial cuando existen robos de agua en los tramos intermedios a los puntos definidos en la zona de estudio. Y así recaudar mayores ingresos por concepto de tarifa.

14. Facilitará las labores de distribución y control del agua a los sectoristas de riego de la Junta de Usuarios del Sub Distrito de Riego Moche y Comisiones de Regantes.

15. Participación directa de los usuarios en la distribución del recurso hídrico mediante lectura directa de caudales.

16. Las estructuras de medición de caudales a construir mejorarán la distribución del recurso hídrico en especial en las cabeceras de los canales que forman los bloques de riego.

RECOMENDACIONES

1. Se deberá realizar una limpieza de los aforadores cada inicio de periodo de lluvias, sin dañar las paredes ni el lecho de las estructuras de aforo.

2. De la misma forma deberá hacerse la limpieza de las regletas de medición cuando sea necesario, con herramientas adecuadas, evitando dañar las graduaciones de las mismas.

3. Se recomienda verificar constantemente el buen funcionamiento de estas, y si existieran datos erróneos, luego de una comparación con datos anteriores, se necesitará una nueva calibración.

4. Se recomienda a los sectores de riego realizar trabajos de limpieza del canal a fin de evitar acumulación de sedimentos, rocas y

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malezas de arbustos que podrían afectar el funcionamiento adecuado del sifón

5. Realizar trabajos de mantenimiento de las tuberías de acero, con pintura anticorrosiva expoxica para evitar la corrosión

6. Con la finalidad de evitar desbordes aguas arriba de un 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 15m a partir de la estructura.

7. Se recomienda ubicar aliviaderos laterales en tramos rectos y en donde exista peligros de desborde a consecuencia de las máximas precipitaciones y las aguas del talud pues aumentaría el caudal ya que se vuelve una zona colectora a lo largo del canal.

8. Se recomienda en sifones relativamente largo proyectar estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento.

9. En los tramos donde exista caída o rápida, es recomendable incrementar la rugosidad es para evitar que el salto hidráulico aumente considerablemente causando erosión de las paredes del canal.

BIBLIOGRAFÍA

1. CHOW, V. T (1959): “Open Channels Hydraulics”, 1ra. Edición, McGraw-Hill.

2. ING. GARCÍA TRISOLINI Eduardo, Manuel de pequeñas irrigaciones, Lima junio 2008.

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3. ING. GARCIA RICO Elmer, Manual de diseño hidráulico de canales y obras de arte, Chiclayo, pág. 99-249.

4. PALOMINO BENDEZU Julio, Diseño hidráulico de una rápida para el proyecto: Construcción del canal principal de Fortaleza, distrito de Congas, provincia Ocros, Región Ancash, Lima 2003.

5. BENJAMIN ENRIQUE DE LA CRUZ Lucho, Diseño hidráulico del Sifón Acueducto Ccochanccay Proyecto de irrigación Yaurihuiri, Lima 2005.

6. VILLON BEJAR Máximo, Hidráulica de Canales, Departamento de Ingeniería Agrícola, Instituto Tecnológico de Costa Rica, Editorial Hozlo S.C.R. Ltda. Lima 1981.

INDICE

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INTRODUCCION

4.01 DISEÑO HIDRAULICO DE TRANSICIONES. DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS.

4.02 DISEÑO HIDRAULICO DE ALIVIDEROS LATERALES4.02.1 CRITERIOS DE DISEÑO4.02.2 DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS4.03 DISEÑO HIDRAULICO DE SIFONES4.03.1 GENERALIDADES4.03.2 CRITERIOS DE DISEÑO4.03.3 DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS4.04 DISEÑO HIDRAULICO DE ACUEDUCTOS4.04.1 GENERALIDADES4.04.2 CRITERIOS DE DISEÑO4.04.3 DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS4.05 SALTOS DE AGUA, CAIDAS Y RAPIDAS4.06 EL AFORADOR PARSHALL4.06.1 USOS Y VENTAJAS4.06.2 FUNCIONAMIENTO HIDRAULICO4.06.3 CRITERIOS PARA LA ELECCION DEL TAMAÑO MÁS

ADECUADO DEL PARSHALL.

CONCLUSIONES

RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFIA.

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capitulo iv irrigación

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