diseño de una caida

Universidad César Vallejo OBRAS HIDRAULICAS

DISEÑO DE UNA CAIDA

1. INTRODUCCION

Las caídas o gradas según Dornínguez, son estructuras utilizadas en

aquellos puntos donde es necesario salvar desniveles 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 <le sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas

ocasionan. La finalidad de una caída es conducir agua desde una

elevación alta hasta una elevación baja y disipar la energía generada por

esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una caída,

se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un canal.

La caída vertical se puede utilizar para medir el caudal que vierte sobre

ella, si se coloca un vertedero calibrado.

Elementos de una Caída Vertical:

Transición de entrada: Une por medio de un estrechamiento progresivo

la sección del canal superior con la sección de control.


Sección de control: Es la sección correspondiente al punto donde se

inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones

críticas.

Caída en sí: La cual es de sección rectangular y puede ser vertical o

inclinada.

Poza o colchón amortiguador: Es de sección rectangular, siendo su

Función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída.

Transición de salida: Une la poza de disipación con el canal aguas

abajo.

En el recorrido de un canal, pueden presentarse diversos accidentes y

obstáculos como son: Depresiones del terreno, Quebradas secas,

Fallas, Cursos del agua, necesidad de cruzar vías de comunicación

(carreteras, vías férreas u otro canal).

La solución mediante estructuras hidráulicas es: Acueductos, Sifón,

Diques.

En el caso del cruce de un canal con una vía de comunicación

dependerá de la importancia de la vía de comunicación como del tamaño

del canal, para elegir si es preferible pasar el canal encima de la vía o

por debajo de ella, en el primer caso la solución será un acueducto, en el

segundo caso se optara por un sifón invertido o un conducto cubierto.

Igualmente en el caso de depresiones naturales será necesario analizar

las diferentes alternativas enunciadas y decidir por la estructura más

conveniente. Si la depresión fuera ancha y profunda y no se angostase

hacia aguas arriba, podría no ser factible un acueducto, pero si un sifón

invertido. En algunos será necesario analizar alternativas de conducto

cubierto alcantarilla o sifón.


Los canales que se diseñan en tramos de pendiente fuerte resultan con

velocidades de flujo muy altas que superan muchas veces las máximas

admisibles para los materiales que se utilizan frecuentemente en su

construcción. Para controlar las velocidades en tramos de alta pendiente

se pueden utilizar combinaciones de rampas y escalones, siguiendo las

variaciones del terreno. Uno de los aspectos que generalmente merece

especial atención en el diseño de obras hidráulicas de montaña es la

disipación de la energía cinética que adquiere un chorro líquido por el

incremento de la velocidad de flujo. Esta situación se presenta en

vertederos de excedencias, estructuras de caída, desfogues de fondo,

salidas de alcantarillas, etc.

Las caídas son estructuras que sirven para transportar el agua de un

nivel superior a otro nivel inferior y que al hacerlo se disipe la energía

que se genera. Existen de varios tipos y estos dependen de la altura y

del caudal del agua que se transporta. Existen instituciones como el

USBR que han clasificado los tipos de caídas según os disipadores de

energía que presenta de las cuales podemos mencionar por ejemplo el

USBR BASIN TIPO I, TIPO II, TIPOIII, etc.

Una caída por lo general consta de las siguientes partes: Transición

Aguas arriba, Entrada de la caída, Longitud de transición, cuenco

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

de diseño, que escapa del alcance de este trabajo no obstante se

mencionara ya que son útiles para el diseño de la caída. Las caídas son

utilizadas ampliamente como estructuras de disipación en irrigación,

abastecimiento de agua y alcantarillado y son también es necesario en

presas, barrajes y vertederos. Aparte de costo, que, evidentemente, será

un factor importante a la hora de diseñar, es necesario considerar los

factores tales como:

• Facilidad de construcción y la disponibilidad de materiales

• Rendimiento en sistemas llevando sedimento, los desechos y malas

hierbas

• Capacidad de realizar otras funciones tales como puente


• Conocer los diversos tipos de caídas y sus características

• Conocer los criterios de diseño de las caídas.

La caída hidráulica es una situación que se da frecuentemente en

canales, cuando se produce un cambio en la profundidad del flujo desde

un nivel alto a un nivel bajo. Como consecuencia se verifica una

profunda depresión en la superficie libre del agua en el canal. Este

fenómeno es consecuencia, generalmente, de un incremento brusco en

la pendiente del canal, o en ensanchamiento rápido de la sección

transversal del mismo. En la región de transición entre un estado del

flujo y el siguiente aparece normalmente una curva en la superficie del

agua con la concavidad hacia abajo y luego presenta un punto de

inflexión y pasa a tener su concavidad hacia arriba.1

El punto de inflexión se encuentra aproximadamente en correspondencia

de la profundidad crítica, en el cual la energía específica es la mínima, y

el flujo pasa de una situación de flujo suscritico a supe crítico.

Como caso especial de la caída hidráulica se da la caída libre. Esta

situación se da cuando el fondo del canal tiene una discontinuidad,

presenta un salto.

http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_subcr%C3%ADtico

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_espec%C3%ADfica_(hidr%C3%A1ulica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Profundidad_cr%C3%ADtica

http://es.wikipedia.org/wiki/Ca%C3%ADda_hidr%C3%A1ulica#cite_note-1


2. ALCANCES

En el presente trabajo solo se comprenderá el análisis y el diseño de

caídas Tipo y de Tipo verticales y se harán mención de los otros tipos

que por lo general se clasifican por el tipo de Disipadores que tienen.

Las caídas verticales son utilizadas cuando se desea decrecer la

elevación en un rango de 3 a 15 pies (1 a 4.5 m) a una distancia

relativamente corta. Esto con la finalidad de dispar la energía, y también

reducir el poder erosivo del flujo

3. FUNDAMENTO TEORICO

LA HIDRAULICA DE LA ENERGIA DE DISIPACION

Los conceptos de energía y momentos derivados de las leyes de newton

son básicos en la mecánica de fluidos

ENERGIA ESPECÍFICA

Para cualquier sección de un canal, se llama energía específica a la

energía por unidad de peso del líquido en movimiento con relación a la

solera, como se observa en Figura VIII.1.No es posible predecir el

carácter del cambio de la energía específica entre las secciones 1 y 2.

Es claro que la energía total debe disminuir, pero la energía específica

puede aumentar o disminuir dependiendo de otros factores como la

resistencia al flujo, la forma de la sección transversal, etc.

DISEÑO DE CAIDAS VERTICALES

Las caídas 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


caída es conducir agua desde una elevación alta hasta una elevación

baja y disipar la energía generada por esta diferencia de niveles. La

diferencia de nivel en forma de una caída se introduce cuando sea

necesario de reducir la pendiente de un canal. Una caída vertical esta

compuesta por: transición a la entrada, que une por medio de un

estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección

de control. Sección de control es la sección correspondiente al punto

donde se inicial a caída, cercano a este punto se presentan las

condiciones críticas. Caída en si, la cual es de sección rectangular y

puede ser vertical o inclinada.

Poza o colchón amortiguador, es de sección rectangular, siendo su

función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída.

Transición de salida

Une la poza de disipación con el canal aguas abajo.

OBRAS DE ARTE

Las obras de arte llamadas también estructuras secundarias, constituyen

el complemento para el buen funcionamiento de un proyecto hidráulico.


Este tipo de estructuras se diseñan teniendo en cuenta las siguientes

consideraciones.

- Según la función que desempeñan

- Según su ubicación

- De acorde a la seguridad contemplada en el proyecto a realizar

- El riesgo como factor preponderante ante una probable falla y el

impacto que ello cause.

CLASIFICACIÓN:

Se clasifican según la función que van a desempeñar en el proyecto:

Estructuras para cruzar depresiones

Acueductos

Sifones

Estructuras para salvar desniveles

Caídas

Rápidas

Estructuras para control de gasto

Vertederos

Medidores Parshall

Estructuras para distribución de gasto

Tomas laterales

Partidores

Estructuras de seguridad

Puente Canal o Canoas

Alcantarillas

ESTRUCTURAS DE CRUCE


Son las obras mediante las cuales es posible cruzar un canal con

cualquier obstáculo (una vía de ferrocarril, un camino, un rio, un dren,

una depresión o sobre elevación natural o artificial del terreno) que se

encuentra a su paso.

Para salvar el obstáculo, se debe recurrir a una estructura de cruce que

puede ser:

- Acueducto - Alcantarilla

- Sifon – Tunel

La decisión que se debe tomar sobre cual de las estructuras es mejor en

un caso determinado depende de consideraciones de tipo económico y

de seguridad.

De la Figura anterior se tiene: d1+ hv1+ D1= dc + 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

sección de control, cuyo valor se desprecia por pequeño,

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

dc = tirante critico,

m.he = suma de las perdidas ocurridas entre las dos secciones, m.

El segundo miembro de la ecuación 10-26, se obtiene suponiendo una

sección de control, se calcula el tirante crítico correspondiente así como

la velocidad y la carga de velocidad critica. De acuerdo a las

características de llegada a la sección, se estiman las perdidas de carga.

La suma del segundo miembro se compara con la suma del tirante del

canal y su carga de velocidad. La sección en estudio se tendrá que

ampliar o reducir hasta lograr que las sumas sean iguales. Una sección

adecuada y más sencilla de calcular es la rectangular, esto se logra


haciendo los taludes verticales. Del régimen crítico para secciones

rectangulares se tiene:

Donde:

dc = tirante critico,

m.q = caudal que circula por la sección,

m3/s.b = plantilla de la sección,

m.g = aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2.La carga de velocidad

en la sección crítica esta dada por las siguientes ecuaciones: Para

canales trapeciales:

Las caídas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es

necesario efectuar cambios en la rasante del canal, a fin de disipar

energía.

Tanto las caídas como las caídas-retenciones deberán localizarse

inmediatamente aguas debajo de las tomas siempre que no existan

circunstancias muy especiales que no lo permitan. Es necesario

también hacer hincapié en el hecho de que deberá tratarse de uniformar

la altura de caída en cada uno de los canales.

Una caída se compone de las siguientes partes:

a) Transición de entrada (de trapezoidal a rectangular)

b) Caída en sí, la cual es de sección rectangular y puede ser vertical o

inclinada con pendiente de 1.3 : 1 a 1.5 : 1; utilizaremos estas

últimas ya que permiten un vaciado sin encofrado y una mejor

adaptación de las líneas de flujo a las secciones.

c) Pozo amortiguador o colchón; es de sección rectangular y su función

es de absorber la energía cinética del agua en el pie de la caída.


d) Transición de salida (de rectangular a trapezoidal).

CRITERIOS DE DISEÑO DE UNA CAÍDANumero de caídas.

Longitud e transición de entrada.

Ancho del canal en el tramo de la caída.

Diseñar la poza disipadora en función de la altura de caída.

Borde libre de la caída.

Rugosidad en el funcionamiento de la caída.

Ventilación bajo la lamina vertiente.

Verificar que la velocidad del flujo de la caída este en el rango de 0.6m/s < v <

(1.5 – 2) m/s.

- Tener cuidado el mal funcionamiento hidráulico del chorro de la caída por que

puede producir una gran erosión en el muro vertical.

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.


PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE UNA CAÍDA SIN OBSTÁCULO

1. Diseño del canal, aguas arriba yaguas abajo de la caída Utilizar las

consideraciones prácticas que existen para el diseño de canales.

2. Cálculo del ancho de la caída y el tirante en la sección de control.

En la sección de control se presentan las condiciones críticas. Para una

sección rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes:

Se puede asumir que n E = E min (energía específica en el canal), para

inicio de los cálculos realizar la verificación.


También se puede suponer un ancho en la sección de control de la

caída, calcular el tirante crítico y por la ecuación de la energía calcular el

tirante al inicio de la transición.

Existen fórmulas empíricas para el cálculo del ancho de la rápida, las

cuales son:

• De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse:

Por lo general el ancho de solera con esta última fórmula, resulta de

donde: mayor magnitud que con la fórmula de Dadenkov.

3. Diseño de la transición de entradaPara el caso de una transición recta la ecuación utilizada es:

Donde:T1 = espejo de agua en el canal.

T2 = b = ancho de solera en la caída.

4. Cálculo de la transición de salidaSe realiza de la misma forma que la transición de entrada.

5. Dimensiones de la caída (Q < 0.1 m3/s)


5.1 Caídas pequeñasDe acuerdo con los diseños realizados por el SENARA, en canales

con caudales menores o iguales que 100 l.p.s (Q ::; 0.1 m3/s), se

tiene:

5.2 Caídas verticales sin obstáculosEl proceso de cálculo para caídas verticales sin obstáculos es como

Sigue:

• Calcular el número de caída utilizando la siguiente relación:

Donde:

D = número de caída

Yc = tirante crítico de la sección de control

h = desnivel

q = caudal unitario


• Calcular los parámetros de la caída vertical, los cuales se muestran

en la figura 4.2. Estos parámetros, según Rand (1955), se calculan

con un error inferior al 5 %, con las siguientes ecuaciones:

YP es la altura que aporta el impulso horizontal necesario para que

el chorro de agua marche hacia abajo

Calcular la longitud del resalto, se puede calcular con la fórmula

de Sieñchin:

L =5(Y2 - Y¡)

Calcular la longitud total del colchón, la cual será:

L, = Ld + L

• Debe evitarse que en la cámara de aire se produzca vacío, por que

esto produce una succión que puede destruir la estructura por


cavitación, para evitar esto se puede hacer agujeros en las paredes

laterales o incrementar en la poza 10 ó 20 cm a ambos lados.

• Para las filtraciones que se produce en la pared vertical, se

recomienda hacer lloraderos (drenes de desagüe).

5.3 Caídas verticales con obstáculos

Cuando la energía cinética es muy grande se construyen dados

que ayudan a disipar la energía en una longitud más pequeña de la

poza de disipación.

Según el U.S. Bureau of Reclamation, las relaciones de los

Parámetros de una caída vertical con obstáculos (figura 4.3), son:

Longitud mínima del colchón:

Donde:L = longitud mínima del colchónl¿ = longitud de la caída


ANEXOS


PROYECTO ESPECIAL “OLMOS TINAJONES” (Dpto. Lambayeque-Cajamarca y Piura)

diseño de una caida

Engineering