diseño caidas especiales hidraulicas jose maguiña

7/21/2019 Diseo Caidas Especiales Hidraulicas Jose Maguia

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Curso : Estructuras Hidraulicas

Nombre del Profesor : Ing. Bada Alayo Delva

Nombre de los estudiantes : Jose Eloy Maguia Alzamora

Tema del trabajo : Diseo Caidas Especiales

Huacho, Mayo 2015

UNIVERSIDAD LOS ANGELES DE CHIMBOTE

FACULTAD DE INGENIERIAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL


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DISEO DE CAIDAS ESPECIALES

INTRODUCCIN

Para salvar desniveles relativamente pequeos, se pueden utilizar cadas con paramento vertical. En

este caso, la condicin de flujo al pie de la estructura es tan compleja, que su diseo hidrulico debe

proceder utilizando datos experimentales.

Una cada vertical tendr la ventaja de ser ms corta y por lo tanto ms econmica. Pero, tiene la

desventaja de que la vena lquida al estar despegada, genera presiones negativas en la zona inferior y

cavitacin con la consiguiente destruccin del hormign.

La cada vertical solo se usa en cauces con escurrimiento poco prolongado (solo durante crecidas) o

cuando se instalen dispositivos que permitan la aireacin por debajo de la vena lquida.

Una cada por lo general consta de las siguientes partes: Transicin. Aguas arriba, Entrada de la cada,

Longitud de transicin, cuenco disipador, salida. Cada una de estas partes tiene sus criterios especiales

de diseo, que escapa del alcance de este trabajo no obstante se mencionara ya que son tiles para el

diseo de la cada, Las cadas son utilizadas ampliamente como estructuras de disipacin en irrigacin,

abastecimiento de agua y alcantarillado y son tambin es necesario en presas, barrajes y vertederos.

Aparte de costo, que, evidentemente, ser un factor importante a la hora de disear, es necesario

considerar los factores tales como:

Facilidad de construccin y la disponibilidad de materiales

Rendimiento en sistemas llevando sedimento, los desechos y malas hierbas

Capacidad de realizar otras funciones tales como puente

.OBJETIVOS

Conocer los diversos tipos de cadas y sus caractersticas

Conocer los criterios de diseo de las cadas. Trabajar en equipo

DISEO DE CAIDAS VERTICALES

Las cadas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario efectuar cambios bruscos en

la rasante del canal, permite unir dos tramos (uno superior y otro inferior) de un canal, por medio de un

plano vertical, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo. El plano vertical es

un muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas ocasionan.

La finalidad de una cada es conducir agua desde una elevacin alta hasta una elevacin baja y disipar la

energa generada por esta diferencia de niveles.

La diferencia de nivel en forma de una cada se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente

de un canal. Una cada vertical est compuesta por:


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De la Figura anterior se tiene: d1+ hv1+ D1= de + hvc + he

Donde:

d1 = tirante normal en el canal superior, m.

hv1 = carga de velocidad en el canal superior, m.

D1= desnivel entre el sitio donde comienza el abatimiento y la seccin de control,

cuyo valor se desprecia por pequeo, m.

hvc = carga de velocidad en la seccin de control, m.

transicin a la entrada, que une por medio de un estrechamiento progresivo la seccin del canal superior

con la seccin de control.

Seccin de control , es la seccin correspondiente al punto donde se inicia la cada, cercano a este punto

se presentan las condiciones crticas.

Cada en si, la cual es de seccin rectangular y puede ser vertical o inclinada.

Poza o colchn amortiguador, es de seccin rectangular, siendo su funcin la de absorber la energa

cintica del agua al pie de la cada.

Transicin de salida, une la poza de disipacin con el canal aguas abajo.


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Cadas verticales

2.1 Criterios de Diseo

Se construyen cadas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1 m como mximo, slo 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

cadas inclinadas, adems manifiesta que la ejecucin de estas obras debe limitarse a cadas y caudales

pequeos, principalmente en canales secundarios construidos en mampostera de piedra donde no se

necesita ni obras de sostenimiento ni drenaje.

Cuando el desnivel es 5 0.30 m y el caudal 5 300 l/s x m de ancho de canal, no es necesario poza de

disipacin.

El caudal vertiente en el borde superior de la cada se calcula con la formula para caudal unitario "q".

q = 1.48 H3/2

Siendo el caudal total:

u = 0.50 (ver 4.2.4.2)

B = ancho de cada

La cada vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca unvertedero calibrado.

Por debajo de la lmina vertiente en la cada se produce un depsito de agua de altura

yp que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia

abajo.

Rand (1955) citado por ILR I (5) Pag. 209, encontr que la geometra del flujo de agua en un salto vertical,

puede calcularse con un error inferior al 5% por medio de las siguientes funciones:


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Donde:

Al caer la lmina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cmara indicada en la Fig. 1, el

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

Para facilitar la aireacin se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes:

a) Contraccin lateral completa en cresta vertiente, disponindose de este modo de espacio lateral

para el acceso de aire debajo de la lmina vertiente.


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b) Agujeros de ventilacin, cuya capacidad de suministro de aire en m3/sxm de ancho de cresta

de la cada, segn ILRI (5) Pag. 210, es igual a:

Donde:

qa = suministro de aire por metro de ancho de cresta

y = tirante normal aguas arriba de la cada

qw= mxima descarga unitaria sobre la cada

Donde:

(P/g) = Baja presin permisible debajo de la lmina vertiente, en metros de columna de

agua. (Se puede suponer un valor de 0.04 m de columna de agua)

Ke = Coeficiente de perdida de entrada (Usar Ke= 0.5)

f = coeficiente de friccin en la ecuacin de Darcy-Weisbach

L = Longitud de la tubera de ventilacin, m.

D = Dimetro del agujero de ventilacin, m

Kb = coeficiente de perdida por curvatura (Usar Kb=1.1)

Kex = Coeficiente de prdida por salida (Usar Kex=1.0)

Va = Velocidad media del flujo de aire a travs de la tubera de ventilacin. a/w =aproximadamente 1/830 para aire a 20C


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2.2 Diseo ejemplo

Ejercicio 1

Datos:

Desnivel = z = 1 m

Caractersticas del canal aguas arriba y aguas abajo

Q = 2 m3/s Q = 2 m3/s

S = 1 o/oo S = 0.7 o/oo

n = 0.015 n = 0.015

Z = 1 (Talud) Z = 1 (talud)

b = 1.0 m b = 1.0 m

Y = 0.85 m Y = 0.935 m

A = 1.57 m2 A = 1.81 m2

V = 1.27 m/s V = 1.1 m/s

H = 0.85 + 0.082 = 0.932m H = 0.997 m

Solucin

Ancho de la cada

q = 1.48 H3/2

q = 1.33 m3/s x m

B = 1.50 m

2) Transicin de entrada

T1 = b + 22Y = 1,9 + 2 x 1 x 0.85

T1 = 2.70 m T2 = 1.5 m

/2= 25

LTe = 1.30 2.0 m

3) Dimensiones de la cada

q = 1.33 m3/axm Y2= 1.05 m


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Yc= 0.56 m Lj = 5.5 m

D = 0.18 m Long. del estanque = 8.2 m

Ld = 2.8 m resalte = 0.935 | 6 = 0.16 H 0.20 m

Yp = 0.69 m

Y1 = 0.26 m

4) Longitud del tramo de canal rectangular (inmediatamente aguas arriba de la cada)

L = 3.5 Yc

L = 1.96 H 2.0 m

5) Ventilacin bajo la lmina vertiente

Consiste en calcular el dimetro de los agujeros de ventilacin

0.18 m3/s x m

qa = qa x B = 0.18 x 1.5

Qa = 0.27 m3/s

Asumiendo una longitud de tubera igual a 2 m y un valor f = 0.02 para tuberas de fierro, se tiene

Reemplazando valores en la Ec. 4.32:


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Solucin

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Resolviendo por tanteos, resulta:

Esta rea equivale aproximadamente el rea de 3 tubos, 2 de 4" (0.10m) y 1 de 2" (0.05 m), estos tubos

se colocarn de manera de conecten la cmara de aire de la cada con el espacio exterior.

2.3 Cadas verticales con obstculos para el choque

El Bureau of Reclamation, ha desarrollado para saltos pequeos, un tipo de cada con obstculos donde

choca el agua de la lmina vertiente y se ha obtenido una buena disipacin de energa para una amplia

variacin de la profundidad de la lmina agua abajo, a tal punto que puede considerarse independiente

del salto.

Anchura y espaciamiento de los obstculos = 0.4 Yc

Longitud m nima de la cubeta = Ld + 2.55 Yc


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Solucin

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Con contracciones laterales

Q = C L H3/2

C = Segn Tabla 4.10

Sin contracciones laterales

Donde:

B = Ancho de la cada

Q = Caudal en vertedero o caudal de la cada

P = El mnimo valor de P, ser la diferencia de energas aguas arriba de la cresta y en la cresta donde

se produce Yc

h = Carga sobre cresta

Se calcula primeramente B, puesto que "Q" es el caudal en el canal y por lo tanto es ya conocido.

La anchura y espaciamiento entre los obstculos ser aproximadamente 0.4 Yc.

2.4 Gradas: Diseo Ejemplo

Son cadas verticales continuas, que se proyectan para salvar desniveles abruptos siendo

recomendable no proyectar en este caso caas o gradas con alturas mayores s 0.80 m. Por

considerarlo un ejemplo didctico, a continuacin se presenta el ejercicio desarrollado por Domnguez

(3) Pag. 390, el cual resulta de bastante utilidad prctica.

Ejercicio 2

Proyectar un desnivel en forma de gradas siendo stas de 0.5, 0.30, 0.8, 0.5 y la ltima de 0.40 m en

un canal de 2.00 m de anchura, cuyo gasto es de 1.4 m3/s, de tal manea que entre grada y otra se

asegure la formacin perfecta del flujo supercrtico que sigue a cada grada, el canal aguas arriba y

aguas abajo tiene pendiente 1/oo y es de tierra.


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Solucin

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Es lgico suponer que en la seccin 1 se va a producir un tirante crtico cuyo valor es:

= 0.7 m3/s x m

Luego:

Yc = 0.368 m

El anlisis hidrulico consiste en llegar a determinar la longitud necesaria para grada y grada siendo

necesario confeccionar el siguiente cuadro:

Columna 1: Nmero de grada

Columna 2: Altura de grada


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Columna 3: Resulta de dividir la altura de grada entre el tirante crtico que se produce en la primera

grada, es decir en el punto 1 y cuyo valor es de 0.368 m.

Columna 4: En la grada 1 se tiene:

Agua arriba: Yc = Yo = 0.368

Aguas abajo: Y1 = tirante de flujo supercrtico y a la vez es el valor Yo aguas arriba de la

segunda grada.

En la primera grada se tiene:

Con este valor y la respectiva altura de grada se entra el grfico de la Fig. 4.22,

obtenindose con:

Xo = 1 y K = 1.359 el valor

Y1 = 0.196 m

Columna 5: Sera el valor Xo = 1

Columna 6: El valor obtenido en la Fig. 4.22

Y1

= 0.53

Yo

Columna 7: Sera el valor:

Y1 = 0.53 x 0.369

Y1 = 0.196 m

Desde la columna 4 hasta la columna 7, la operacin se repite de la siguiente manera:

En la grada 2: tenemos

Yo = 0.196

Xo = 0.196 = 0.533 y X = 0.815

0.368

Y1

= 0.91

Yo

Y1 = 0.178 m


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En la grada 3:

Yo = 0.178

Xo = 0.178 = 0.484 y K = 2.174

0.368

Y1

= 0.02

Yo

Y1 = 0.146 m


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En la grada 4:

Yo = 0.146

Xo = 0.146 = 0.397 y K = 1.359

0.368

Y1-- _ 1.05

Yo

Y1 = 0.153 m

En la grada 5:

Yo = 0.153

Xo = 0.153 = 0.416 y K = 1.087

0.368

Y1

-- = 1.05

Yo

Y1 = 0.16 m


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Columna 8 y 9: se obtiene de la Fig. 4

Grada 1:

K = 1.359

Xo = 1.0

Se obtiene:

_d_= 3.3 Yc

d = 3.3 x 0.368

d = 1.21 m

Grada 2:

K = 0.815

Xo = 0.533

Se obtiene:

d = 3.4

Yc

d = 3.4 x 0.368

d = 1.25 m

Grada 3:

K = 2.174

Xo = 0.484

Se obtiene: _d_= 5.3

Yc

d = 5.3 x 0.368 m

d = 1.95 m

Grada 4:

K = 1.359

Xo = 0.397

Se obtiene: d = 4.8

Yc

d = 4.8 x 0.368

d = 1.77 m


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Grada 5:

K =

1.087

Xo = 0.416

Se

obtiene:

_d = 4.2

Yc

d = 4.2 x

0.368 d =

1.55 m

5) En la grada 5 la situacin es la siguiente: El

tirante conjugado menor es: 0.16

Luego:

A = 0.15

x 2

A = 0.50

m2

V = 4.67

m/s

El tirante conjugado mayor ser:

Y2 = 0.77 m V2 =


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0.91 m/s

Longitud del resalto:

Lr = 6 (Y2 - Y1 )

Lr = 4.50 m

Profanidad del colchn:

Si:

b = 2.0 m

n = 0.025

S = 0.001

Z = 0 (rectangular)

Q = 1.4 m3/s

El tirante normal Yn es:

Yn = 0.91 m

Vn = 0.77 m/s

La situacin final sera:

Como Yn > Y2en 0.19 m no es necesario colchn o poza, pero por seguridad podra considerarse

una profundidad de colchn de unos 0.3 0.25 m, segn criterio del diseador.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. Las cadas 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 dae la estructura del canal es por tal motivo que se le

utiliza tambin como disipador de energa.

2. Las cadas son estructuras que se utilizan comnmente tanto para canales como para

alcantarillas y se basan en la utilizacin del resalto hidrulico para disipar la energa.


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3. Son muy comunes las de tipo inclinado y las de cada vertical, aunque dependiendo de las

condiciones generalmente resultan ms fciles de construir las inclinadas y son tambin ms

econmicas.

4. Existen normas y diseos ya preestablecido que facilitan el diseo de cadas, dependiendo

de la eleccin de las condiciones del terreno y de la altura de cada y del numero de froude

para elegir el modelo de disipador de energa.

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