DISEO DE RAPIDAS HIDRAULICAS

DISEO DE RAPIDAS HIDRAULICAS

INTRODUCCION

En un proyecto de riego, la parte correspondiente a su concepcin, definido por su planteamiento hidrulico, tiene principal importancia, debido a que es all donde se determinan las estrategias de funcionamiento del sistema de riego (captacin, conduccin canal abierto o a presin -, regulacin), por lo tanto, para desarrollar el planteamiento hidrulico del proyecto se tiene que implementar los diseos de la infraestructura identificada en la etapa de campo; canales, obras de arte (acueductos, canoas, alcantarillas, tomas laterales etc.), obras especiales (bocatomas, desarenadores, tneles, sifones, etc) etc.Para el desarrollo de los diseos de las obras proyectadas, el caudal es un parmetro clave en el dimensionamiento de las mismas y que est asociado a la disponibilidad del recurso hdrico (hidrologa), tipo de suelo, tipo de cultivo, condiciones climticas, mtodos de riego, etc., es decir mediante la conjuncin de la relacin agua suelo planta. De manera que cuando se trata de la planificacin de un proyecto de riego, la formacin y experiencia del diseador tiene mucha importancia, destacndose en esta especialidad la ingeniera agrcola.En esta ocasin, nuestro informe tratara de un importante diseo hidrulico. Sera el diseo de rpidas hidrulicas. Las cuales son importantes para conducir el agua desde una elevacin mayor a una ms baja.

1. RpidasLas rpidas (chutes) son usadas para conducir agua desde una elevacin mayor a una ms baja. La estructura puede consistir de una entrada, un tramo inclinado, un disipador de energa y una transicin de salida. El tramo inclinado puede ser un tubo o una seccin abierta. Las rpidas son similares a las cadas, excepto que ellas transportan el agua sobre distancias ms largas, con pendientes ms suaves y a travs de distancias ms largas.La parte de la entrada de la estructura transicin a el flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo inclinado. Debe proveer un control para impedir la aceleracin del agua y la erosin en el canal. El control es logrado por la combinacin de una retencin y un vertedero en la entrada. La entrada usada debera ser simtrica con respecto al eje de la rpida, permitir el peso de la capacidad total del canal aguas arriba hacia la rpida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuacin de las aguas del canal cuando la operacin do la rpida sea suspendida. Debera tener uas para proveer una suficiente longitud de camino de percolacin, calculado segn el mtodo de LANE.Las prdidas de cargo a travs de la entrada podran ser despreciadas en el caso que sean lo suficientemente pequeas que no afecten el resultado final. De otra manera, las prdidas a travs de la entrada deberan ser calculadas y usadas en la determinacin del nivel de energa en el inicio del tramo inclinado. Si la pendiente del fondo de la entrada es suave puede asumirse qua el flujo crtico ocurre donde la pendiente es suave puede asumirse que el flujo crtico ocurre donde la pendiente suave de la entrada cambia a la pendiente ms fuerte del tramo inclinado. En el caso que la pendiente de la entrada sea suficientemente pronunciada para soportar una velocidad mayor qua la velocidad crtica, debera calcularse dicha velocidad y tirante correspondientes, para determinar la gradiente de energa al inicio del tramo inclinado. El tramo inclinado con tubo o canal abierto, generalmente sigue la superficie original del terreno y se conecta con un disipador de energa en un extremo ms bajo. Muchos libros sobre mecnica de fluidos discuten el comportamiento del agua la pendiente pronunciada ye n saltos hidrulicos y derivan las ecuaciones usadas para determinar las Caractersticas del flujo bajo las condiciones. Algunas de las soluciones son obtenidas por tanteo. Pozas disipadoras o salidas con obstculos (baffled outlets) son usadas como disipadoras de energa en este tipo de estructuras.Una transicin de salida es usada cuando es necesario para transicionar el flujo entre el disipador de energa y el canal despus. Si es necesario proveer el tirante de aguas abajo (tailwater) al disipador de energa, la superficie de agua en la salida debe ser controlada. Si se construye una transicin de salida de concreto y cuando no hay control del flujo despus en el canal, la transicin puede ser usada pare proveer al remanso elevando el piso de la transicin en el piso de la ua. El tirante de aguas abajo tambin puede ser provisto por la construccin de un control dentro de la transicin de salida. La prdida de carga en la transicin de salida es despreciable.

1.1 PARTES DE UNA RAPIDA1.1.1 Transicin de Entrada Une por medio de un estrechamiento progresivo la seccin del canal superior con la seccin de control.

1.1.2 Seccin de ControlEs la seccin correspondiente al punto donde comienza la pendiente fuerte de la rpida, mantenindose en este punto las condiciones crticas. En la rpida generalmente se mantiene una pendiente mayor que la necesaria para mantener el rgimen crtico, por lo que el tipo de flujo que se establece es el flujo supercrtico.

1.2.3 Colchn AmortiguadorTanque Amortiguador, Colchn Disipador o Poza de Disipacin: Es la de presin de profundidad y longitud suficiente diseada con el objetivo de absorber parte de la energa cintica generada en la rpida, mediante la produccin del resalto hidrulico y contener este resalto hidrulico dentro de la poza.

1.2.4 Trayectoria Es la curva vertical parablica que une la pendiente ltima de la rpida con el plano inclinado del principio del colchn amortiguador. Debe disearse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacos.

CONSIDERACIONES DE DISEO 1.1.1 Coeficiente de rugosidad de MANNING En el clculo de las caractersticas de flujo en una estructura de este tipo son usados valores conservadores del coeficiente de rugosidad de MANNING n cuando se calcula la altura de muros en una rpida de concreto, se asume valores de n=0.14 y en el clculo de niveles de energa valores de n=0.010. Para caudales mayores de 3 m3/s, deber chequearse el nmero de Froude a lo largo del tramo rpido, para evitar que el flujo no se despegue del fondo.

1.1.2 Transiciones:Las transiciones en una rpida abierta, deben ser diseadas para prevenir la formacin de ondas. Un cambio brusco de seccin, sea convergente divergente, puede producir ondas que podran causar perturbaciones, puesto que ellas viajan a travs del tramo inclinado y el disipador de energa. Para evitar la formacin de ondas, la cotangente del ngulo de deflexin de la superficie de agua en el plano de planta desarrollado de cada lado de una transicin no debera ser menor que 3.375 veces el nmero de FROUDE (F). Esta restriccin sobre ngulos de deflexin se aplicara para cada cambio de seccin hecha en la entrada, en el tramo inclinado o en la poza disipadora. Si esta restriccin no controla el ngulo de deflexin, el mximo ngulo de deflexin de la superficie de agua en la transicin de entrada puede ser aproximadamente 30. El ngulo de la superficie de agua con el eje en la transicin de salida puede ser aproximadamente 25 como mximo. El mximo ngulo de deflexin es calculado como sigue:Cotang = 3.375 F (1) Dnde: - Con el piso de la transicin en un plano, K = 0 d = tirante de agua normal al piso de la rpida usando d = rea de la seccin / Ancho superior de la seccin g = aceleracin de la gravedad (9.81 m/seg, o sea 32.2 pies/seg) ; K = un factor de aceleracin, determinado abajo:- Con el piso de la transicin en una curva circular

El Bureau of Reclamation limita el valor de K hasta un mximo de 0.5, para asegurar una presin positiva sobre el piso. Puede ser usado el promedio de los valores de F en el inicio y final de la transicin.En (3) y (4)hv = carga de velocidad en el origen de la trayectoria (a) Lt = longitud de la trayectoria (m)R = radio de curvatura del piso (m) V = velocidad en el punto que est siendo considerado (m/seg) = ngulo de la gradiente del piso en el punto que est siendo considerado L = ngulo de la gradiente del piso en el inicio de la trayectoria o = ngulo de la gradiente del piso en el final de la trayectoria L El ngulo acampanado y los anchos para varios puntos a lo largo de la transicin pueden ser calculados y trazados. Una cuerda que se aproxime a la curva terica puede ser dibujada para determinar el acompaamiento a ser usado. Limitando el ngulo de acompaamiento en una transicin de entrada, se minimiza la posibilidad de separacin y el inicio de flujo pulsante en aquella parte de la estructura. Las transiciones de entrada asimtricas y cambios de alineamiento inmediatamente aguas arriba de la estructura, deben evitarse porque pueden producir ondas cruzadas o flujo transversal que continuar en el tramo inclinado.1.1.3 Tramo inclinado La seccin usual para una rpida abierta es rectangular, pero las caractersticas del flujo de otras formas de seccin, deben ser consideradas donde la supresin de ondas es una importante parte del diseo. La economa y facilidad de construccin son siempre consideradas en la eleccin de una seccin. Cuando es necesario incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan (uas) para mantener la estructura dentro de la cimentacin. Para rpidas menores de 9 m (30 ps) de longitud, la friccin en la rpida puede ser despreciable. La ecuacin de BERNOULLI es usada para calcular las variables de flujo al final del tramo inclinado.La ecuacin: d1 + hv + Z = d2 + hv .. (5) Es resuelta por tanteo. La distancia Z es el cambio en la elevacin del piso. Para tramos inclinados de longitud mayor que 9 m (30 ps), se incluyen las prdidas por friccin y la ecuacin ser: d1 + hv + Z = d2 + hv2 + hf . (6)En las ecuaciones (5) y (6): d1 = tirante en el extremo aguas arriba del tramo (m) hv1 = carga de velocidad en el extremo aguas arriba del tramo (m) d2 = tirante en el extremo aguas abajo del tramo (m)hv2 = carga de velocidad en el extremo aguas abajo del tramo (m) La cantidad ho es la prdida por friccin en el tramo y es igual a la pendiente de friccin promedio So en el tramo, multiplicando por la longitud del tramo L. El coeficiente n de MANNING es asumido en 0.010. La pendiente de friccin Sf, en un punto del tramo inclinado es calculado como:Sf = (h2v2)/R4/3Dnde: R = radio hidrulico del tramo inclinado (m) Usando la ecuacin (5) o la (6), se asume d2 y se calcula y comparan los niveles de energa. Deben hacerse tanteos adicionales hasta balancear los dos niveles de energa. Otra forma de la ecuacin en que la friccin es considerada es:L= ((d1 + hv1) (d2 + hv2))/(Sa S) . (7)Dnde: sa = pendiente de friccin promedio s = pendiente de fondo del tramo inclinado

Usando la ecuacin (7), se usa un procedimiento, en el cual se asumen pequeos cambios de energa y se calcula el correspondiente cambio en longitud. Este procedimiento es repetido hasta que el total de los incrementos en longitud sea igual a la longitud del tramo que est siendo considerado. Mientras menor sea el incremento de longitud, mayor ser la precisin. La altura de los muros en el tramo inclinado de seccin abierta sera igual al mxima tirante calculado en la seccin, ms un borde libre, o a 0.4 veces el tirante critico en el tramo inclinado; mas el borde libre cualquiera que sea mayor. El borde libre mnimo recomendado para tramos inclinados de rpidas en canales abiertos (con una capacidad < 2.8 m3/seg es 0.30 m) El tirante y borde libre son medidos perpendicularmente al piso del tramo inclinado.En velocidades mayores que 9 m/seg, el agua puede incrementar su volumen, debido al aire incorporado que est siendo conducido. El borde libre recomendado para los muros resultar de suficiente altura para contener este volumen adicional. 1.1.4 Trayectoria Cuando el disipador de energa es una poza, un corto tramo pronunciado debe conectar la trayectoria con la poza disipadora. La pendiente de este tramo seria entre 1.5:1 y 3:1, con una pendiente de 2:1 preferentemente. Pendientes ms suaves pueden usarse en casos especiales, pero no deben usarse pendientes ms suaves que 6:1. Se requiere de una curva vertical en el tramo inclinado y el tramo con pendiente pronunciada. Una curva parablica resultara en un valor de k constante en la longitud de la curva y es generalmente usado. Una trayectoria parablica puede ser determinada con la siguiente ecuacin:Y = X tan o + ((tan L - tan o) x2)/2LT . (8)Donde: X = distancia horizontal desde el origen hasta un punto sobre la trayectoria. (m)Y = distancia vertical desde el origen hasta un punto X en la trayectoria. (m) LT = longitud horizontal desde el origen hasta el fin de la trayectoria. (m) o = ngulo de inclinacin del tramo inclinado al comienzo de la trayectoria L = ngulo de inclinacin del tramo inclinado al final de la trayectoria. Puede seleccionarse una longitud de trayectoria LT, que resulte en un valor K = 0.5 o menos, cuando es sustituida en la ecuacin (4). La longitud LT es usada entonces en el clculo de Y, usando la ecuacin (8)La trayectoria debera terminar en la interseccin de los muros del tramo inclinado con los muros de la poza disipadora o aguas arriba de este punto. Una curva de gran longitud de radio, ligeramente ms suave que la trayectoria calculada, podran usarse. Si es posible la trayectoria debe coincidir con cualquiera que sea la transicin requerida. Se asume una elevacin para el piso de la poza disipadora y se calcula el gradiente de energa en la unin del tramo inclinado y el piso de la poza. Las variables de flujo en este punto son usados como las variables aguas arriba del salto hidrulico en el diseo de la poza disipadora.1.1.5 Poza disipadoraEn una poza disipadora el agua fluye desde el tramo corto de pendiente pronunciada a una velocidad mayor que la velocidad critica. El cambio abrupto en la pendiente, donde la pendiente suave del piso de la poza disipadora se une con el tramo corto de pendiente pronunciada, fuerza al agua hacia un salto hidrulico y la energa es disipada en la turbulencia resultante. La poza disipadora es dimensionada para contener el salto. Para que una poza disipadora opere adecuadamente, el nmero de FROUDE debera estar entre 4.5 y 15, donde el agua ingresa a la poza disipadora. Si el nmero de FROUDE es aproximadamente menor a 4.5 no ocurrira un salto hidrulico estable. Si el nmero de FROUDE es mayor a 10, una poza disipadora no sera la mejor alternativa para disipar energa. Las pozas disipadoras requieren de un tirante aguas abajo para asegurar que el salto ocurra donde la turbulencia pueda ser contenida. A veces son usadas pozas con muros divergentes, que requieren atencin especial. Para caudales hasta 2.8 m3/s la ecuacin:

Dnde:b = ancho de la poza (m) Q = Caudal (m3/s) Puede usarse a fin de determinar el ancho de una poza para los clculos iniciales Para estructuras donde la cada vertical es menor a 4.5 m. La cota del nivel de energa despus del salto hidrulico debera balancearse con al cota del nivel de energa del canal, aguas debajo de la estructura. El tirante de agua despus del salto hidrulico puede ser calculado de la frmula: D2= -d1/d2 + ((2v12 *d12/g)+ (d12*/4))0.5Donde: d1 = Tirante antes del salto (m) v1 = velocidad antes del salto (m/s) d2 = tirante despus del salto g = aceleracin de la gravedad (9.81 m/s2) RELACION ENTRE PRDIDA DE ENERGIA, TIRANTE CRTICO Y TIRANTES DE AGUA DE RESALTO (AGUAS ARRIBA Y ABAJO) PARA RESALTOS HIDRAULICOS EN CANALES RECTANGULARES CON RASANTE HORIZONTAL

Para estructuras donde la cada vertical es menor que 4.5 m (15 ps), al tirante despus del salto puede ser obtenida de la figura 2. La cota del nivel de energa, despus del salto hidrulico debera balancearse con la cota del nivel de energa en el canal, aguas debajo de la estructura. Si las cotas no estn balanceadas, debera asumirse una nueva elevacin para el piso de la poza o un nuevo ancho de poza y volverse a calcular los niveles de energa. Los tanteos se repiten hasta que el balance sea obtenido. Si la revisin indica, el piso de la poza debera ser bajado o tambin se podra asumir un ancho diferente de la poza para luego repetir el procedimiento de diseo. La longitud mnima de poza (Lp en la Figura 1) para estructuras usadas en canales es normalmente 4 veces d2. Para estructuras en drenes, donde el flujo ser intermitente y de corta duracin, la longitud mnima puede ser alrededor de 3 veces d2. El borde libre recomendado para pozas disipadoras puede ser determinado de la Figura 1. El borde libre es medido sobre el nivel mximo de energa despus del salto hidrulico. Cuando la poza disipadora descarga intermitentemente o descarga hacia un cauce natural u otro no controlado, debera construirse un control dentro de la salida de la poza para proveer el tirante de aguas abajo necesario. El tirante crtico en la seccin de control debe ser usado para determinar el nivel de energa despus. Cuando la poza descarga hacia un canal controlado, el tirante en el canal debe ser calculado con un valor n del canal, reducido en un 20% y este tirante usado para determinar el nivel de energa despus. Si se usa una poza con paredes divergentes, el ngulo de deflexin de los muros laterales no debera exceder el ngulo permitido en los muros de la seccin inclinada. Se puede usar lloraderos con filtro de grava para aliviar la presin hidrosttica sobre el piso y los muros de la poza disipadora y transicin de la salida. Son provistos bloques en el tramo inclinado y el piso para romper el flujo en chorro y para estabilizar el salto hidrulico. Si una transicin de salida no es provista, se requerir de un slido umbral terminal (figura 5). La cara aguas arriba del umbral debera tener una pendiente 2: 1 y la cara despus debera ser vertical. La cota de la cima del umbral debera ser colocada para proveer el tirante aguas abajo en el salto hidrulico.

Una poza disipadora y una transicin de salida construidas para las dimensiones recomendadas tal vez no contengan completamente la salpicadura causada por el agua turbulenta, pero la estructura debe contener suficiente de la turbulencia para prevenir daos por erosin despus de la estructura.

1.1.6 Formacin de ondas Las ondas en una rpida son objetables, porque ellas pueden sobrepasar los muros de la rpida y causar ondas en el disipador de energa. Una poza disipadora no seria un disipador efectivo con este tipo de flujo porque no puede formarse un salto hidrulico estable. Un flujo no estable y pulstil puede producirse en rpidas largas con una fuerte pendiente. Estas ondas se forman en rpidas largas de aproximadamente 60 m y tienen una pendiente de fondo ms suave que 20. La mxima altura de onda que puede esperarse es dos veces el tirante normal para la pendiente, y la capacidad mxima de flujo momentneo y pulstil es dos veces la capacidad normal. Flujo transversal u ondas cruzadas pueden tambin formarse en una rpida. Estas son causadas por:1. Transiciones abruptas de una seccin del canal a otra;2. Estructuras asimtricas;3. Curvas o ngulos en el alineamiento de la rpida.La probabilidad de que estas ondas sean generadas en la estructura puede ser reducida, siguiendo las recomendaciones concernientes a ngulos de deflexin y simetra hechas en las secciones pertenecientes a las transiciones, y evitando los cambios de direccin en las estructuras. Algunas secciones de la rpida son ms probables a sufrir ondas que otras secciones. Secciones poco profundas y anchas (tipo plato) parecen ser ms susceptibles a flujo transversal, mientras que secciones profundas y angostas resisten tanto al flujo transversal como al flujo inestable y pulstil Las secciones de rpida que tericamente pueden prevenir la formacin de ondas han sido desarrolladas. Un tramo de rpida tericamente sin ondas es mostrado en la siguiente figura.

FIGURA 6 SECCIN TERICA DE UNA RPIDA DE FLUJO ESTABLE. LA FORMA TRIANGULAR PROVIENE TANTO DE LAS ONDAS CRUZADAS COMO DE FLUJO NO ESTABLE

PROCEDIMIENTO DE DISEO:1. Seleccionar y disear el tipo de entrada a ser usada. 2. Determinar la gradiente de energa en el inicio de la seccin de la rpida. 3. Calcula las variables de flujo en la seccin de la rpida. 4. Disear la trayectoria y la parte pronunciada de la seccin de la rpida. 5. Asumir una elevacin para el piso de la poza disipadora y calcular las caractersticas del flujo aguas arriba del salto hidrulico. 6. Determinar el gradiente de energa en el canal despus del salto hidrulico. 7. Puede ser necesario asumir una nueva elevacin del fondo de la poza y recalcular los valores arriba mencionados varias veces, antes de que se obtenga una coincidencia de niveles de energa. 8. Revisar por operacin adecuada con capacidades parciales. 9. Determinar la longitud de la poza y la altura de muros de la poza. 10. Disear los bloques de la rpida y del piso, y el umbral terminal o transicin de salida como se requiera. 11. Verificar la posibilidad de la produccin de ondas en la estructura. 12. Proporcionar proteccin en el canal despus, si es requerido.

Conclusiones

Cuando nos referimos a rpidas hidrulicas, nos referimos a estructuras que son usadas para conducir agua desde una elevacin mayor a una ms baja. La estructura puede consistir de una entrada, un tramo inclinado, un disipador de energa y una transicin de salida. El tramo inclinado puede ser un tubo o una seccin abierta. Las rpidas son similares a las cadas, excepto que ellas transportan el agua sobre distancias ms largas, con pendientes ms suaves y a travs de distancias ms largas.Es importante tener una exactitud matemtica adecuada para su diseo ya que estas estructura beneficiaran a miles de personas en el uso de riego o agua potable y no debemos generar lo contrario en malos clculos y errores de diseo.DISEO HIDRAULICO3