DISEO HIDRULICO DE OBRAS ESPECIALESLa presencia de depresiones, cursos de agua o accidentes topogrficos, incorporan condiciones especiales y particulares a un canal, de manera que ser necesario considerar estructuras complementarias, que permitan superar estos obstculos. Entre los tipos de estructuras ms usados se estudiaran los siguientes:

TRANSICIONES. PUENTE CANAL. SIFONES. CAIDAS y RAPIDAS. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS DE MEDICION DE CAUDALES. DESARENADORES.

TRANSICIONES.

La transicin es una estructura que se usa para ir modificando en forma gradual la seccin transversal de un canal, cuando se tiene que unir dos tramos con diferente forma de seccin transversal, pendiente o direccin. La finalidad de la transicin es evitar que el paso de una seccin a la siguiente, de dimensiones y caractersticas diferentes, se realice de un modo brusco, reduciendo as las prdidas de carga en el canal. Las transiciones se disean tanto a la entrada como a la salida de diferentes estructuras tales como: Tomas, rpidas, cadas, desarenadores, puentes canal, alcantarillas, sifones invertidos, etc.

PUENTE CANAL.El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresin. La depresin puede ser otro canal, un camino, una va de ferrocarril un dren. El puente canal es un conjunto formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, hierro, madera u otro material resistente, donde el agua escurre porefectos de la gravedad.El puente canal est compuesto por los siguientes elementos hidrulicos. Transicin de entrada, une por un estrechamiento progresivo el canal con el puente canal, lo cual provoca un cambio gradual del agua en el canal. Conducto elevado, generalmente tiene una seccin hidrulica ms pequea que la del canal. Transicin de salida, une el puente canal con el canal. La forma de la seccin transversal, por facilidades de construccin se adopta una seccin rectangular, aunque puede ser semicircular o cualquier otra forma.

SIFONES INVERTIDOS.Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presin, se utilizan para conducir el agua en el cruce de un canal con una depresin topogrfica en la que est ubicado un camino, una va de ferrocarril, un dren o incluso otro canal.Partes de un sifn Los sifones invertidos constan de las siguientes partes: Desarenador. Desage de excedencias. Compuerta de emergencia y rejilla de entrada. Transicin de entrada. Conducto o barril. Registros para limpieza y vlvulas de purga. Transicin de salida.El Desarenador, es una estructura que sirve para la limpieza de las aguas cuando estas contienen partculas slidas, tambin para la limpieza en los sifonesDesage de excedencias, es una estructura que evita que el nivel del agua suba ms de lo tolerable, generalmente es un vertedero lateral.

Compuerta de excedencias se ubica al finalizar la transicin de entrada, y consiste en compuertas deslizantes que se cierran para hacer limpieza del sifn u hacer reparaciones.Transiciones de entrada y salida, como la mayora de los casos la seccin del canal es diferente al del barril o conducto, es necesario disear transiciones Conducto o barril, forma la parte ms importante y necesaria de los sifones. Se recomienda profundizar el conducto, dejando un colchn mnimo de 1m en las laderas y de 1.5 m el cruce del cauce para evitar probables fracturas que pudieran presentarse debido a cargas excesivas como el paso de camiones o tractores.Registro para la limpieza y vlvula de purga, se coloca en la parte ms baja de los barriles, permite evacuar el agua que se quede almacenada en el conducto cuando se para el sifn, para su limpieza y reparacin

CADAS VERTICALESCuando se requiere unir dos canales, uno ms alto que el otro se proyectan las cadas verticales. Estas estructuras permiten disipar la energa del agua para el control del flujo del agua y minimizar el proceso de erosin en el cuerpo del canal.En una cada el agua se precipita libremente formando un colchn de amortiguacin y aguas abajo se produce un resalto hidrulico, en donde se disipa parte de la energa que lleva el agua.La geometra del flujo de una cada vertical ha sido suficientemente estudiada experimentalmente por muchos investigadores: Moore, Bakmeteff, Rand y otros. Las cadas verticales pueden ser descritas mediante las funciones que se presentan a continuacin y que dependen del nmero de cada (D).D = q2/ghDonde:D = Numero de cadaq = Caudal unitario, en m3/seg-mh = desnivel, e mtsLas funciones asociadas a la ecuacin anterior son:Ld/ = 4.30 DoYp/h = 1.00 DoY1/h = 0.54 DoY2/h =1.66 DoDonde:Ld = longitud de la cada en metrosYp = profundidad del colchn amortiguador en metrosY1 = profundidad inicial del resalto hidrulico en metrosY2 = profundidad final del resalto hidrulico en metrosEl resalto hidrulico se inicia con una profundidad (Y1) y finaliza con una profundidad (Y2) y la distancia que separa los tirantes se denomina longitud de resalto hidrulico (L).Una cada vertical consta de las siguientes partes: Zona de control Seccin de control Cada vertical Pozo de amortiguacin Transicin de salida

Diseo Hidrulico Se realiza en dos etapas, la primera se inicia con el dimensionamiento de la seccin de control, y luego se procede al dimensionamiento del pozo de amortiguacin.Seciion de controlLos canales mas frecuentes tienen seccin trapezoidal, por lo tanto para el diseo de la cada, es necesario proyectaruna transicin que termina en una seccin rectangular o seccin de control, a fin de generar el flujo critico en las proximidades del mismo.Por el principio de la conservacin de la energa se puede establecer que:Y1 hv1 = Yc + hvc + heDonde:Y1 = profundidad normal del flujo aguas arriba en metroshv = carga de velocidad aguas arriba en metrosYc = profundidad critica en metroshvc = carga de velocidad critica en metroshe = perdidas de energa en metros.El clculo inicial consiste en un procedimiento de ensayo y error, en donde el primer miembro de la ecuacin es conocido, el segundo miembro de la ecuacin se obtiene por tanteo, suponiendo una seccin de control hasta que coincida con el valor del primer miembro de la ecuacin.

Pozo de amortiguacin y longitud del resalto.El dimensionamiento se realiza con base en la determinacin del nmero de cada (D) y con las funciones descritas en las ecuaciones anteriormente.La profundidad del colchn puede determinarse por la ecuacin:C = L/SLa salida del colchn puede ser vertical o inclinada, en este ltimo caso se puede utilizar talud en contrapendiente de 4:1 o de 2:1.

OBRAS EN CRUCES, EN QUEBRADAS Y DEPRESIONES, DEFINICIONES Y BASES PARA EL DISEO HIDRULICO.

Cuando se requiere cruzar un canal a travs de una va o quebradas, se prefiere utilizar un conducto de tubera comercial proyectado en lnea recta. En la practica resulta mucho ms econmico que en un puente.El diseo hidrulico de un paso se proyecta para caudales con presiones hidrostticas internas pequeas o nulas, esto es que el gradiente piezmetro se encuentra cerca o debajo del dintel de la tubera.Diseo HidrulicoSeleccin del dimetro. Se realiza en forma tal que: El dimetro del tubo sea comercial Permita una velocidad mxima del agua 1.1 m/seg para cruces de vas con transicin tierra. Permita una velocidad mxima del agua de 1.5 m/seg para cruce de vas con transicin en concreto.Se calcula las prdidas de cargas.Elevacin al inicio de la transicin. Corresponde a la elevacin de la rasante del canal en el inicio de la transicin.Elevacin B del umbral del tubo a la entrada. Se puede calcular as:Elevacin B = nivel agua punto A (D + 1.5hv)Longitud de la tubera (L). se puede calcular as:L = 2z (elevacin corona de la va elevacin B) + ancho de la va.Donde: Z = talud de la va (parte lateral)Pendiente de la tubera (So) se recomienda establecer una pendiente mnima de 0.005 m/m.Espesor del material sobre la tubera. Se recomienda proyectar con un espesor mnimo de 0.60 m en el caso de cruce de vas frreas se recomienda un espesor mnimo de 1 m.Transiciones. Se cumplen las especificaciones de las normas.

EJEMPLO DE DISEO DE UNA OBRA DE CRUCEDisear una estructura de cruce de una va se necesita las siguientes condiciones:Tipo de canal: revestido de suelo cementoTipo de va: en tierra con roca muertaCaudal: 460 lps. = 0.46 m3/segElevacin A: 1000 msnmTirante en el canal de entrada: Y1 = 0.50 mTirante del canal de salida: Y2 = 0.50 mElevacin del nivel del agua en la estacin A:Elevacin nivel agua est. A = elevacin A + Y1 = 1000 m 0.50mElevacin nivel agua est. A = 1000.50 msnmElevacin D = 999.853 msnmElevacin del agua en la estacin D = elevacin D Y2Elevacin del agua est. D = 999.853 m + 0.50m 1000.853 msnmCarga hidrulica den el cruce = 100.50 -100.853 = 0.147Carga hidrulica en el cruce = 0.15 mAncho de la va 4 mTalud de los lados de la va: 1.5 : 1.0Rasante de la va en la corona: 1001.274 msnm

Desarrollo:Seleccin del dimetro de la tubera.A partir del caudal de diseo Q = 0.46 m3/seg, se procede a seleccionar un dimetro de tubera comercial; se escoge un dimetro de = 30 (0.762m).Calculo de las prdidas de carga.rea del conducto:A = 0.7854 D2 = 0.7854 (0.762)A = 0.456 m2

Velocidad del conductoV = Q/A 0.46m3/seg /0.456 m2V = 1.0 m/s < 1.5 m/s

Carga de velocidad hv = v2/2g = (1.0)2/19.6hv = 0.0510 m

Permetro hmedoP = 3.1416 D = 3.1416 (0.762m)P = 2.39 m

Radio HidrulicoR = A/P = D/4= 0.762 m/4R = 0.1905 m

Pendiente de friccinS = 6.348 (v n/D2/3)2 S = 0.0015 m/m

Elevacin BElevacin B = elevacin A + Y1- (D- 1.5 hv)Elevacin B = 1000 + 0.50 (0.762 + 1.5 x 0.0510)Elevacin B = 999.6615 msnm

Longitud de la tubera:L = 2z (elev F elev B9 + ancho de la coronaL = 2 (1.5) (1001.274 999.6615) + 4.0L = 9 metros

Perdidas de carga por friccin:hf = L S = 9 (0.0015)hf = 0.0135 m

Perdidas por entrada:he = 0.5 hv = 0.5 (0.0510)he = 0.0255 m

Perdidas por salida:hs = 1.0 hv = 1.0 (0.0510)hs = 0.0510m

Perdidas de cargas totales:ht = he + hf + hsht = 0.09m

Inclinacin de la tuberia:h = L So = 9 (0.005) = 0.045mh = 0.05m Elevacin CElevacin C = elevacin B inclinacin del tuboElevacin C = 999.681 -0.05Elevacin C= 999.611msnm

Pendiente de las transiciones:Talud mximo = 4 : 1

Espesor del material sobre la tubera:Espesor: elevacin F (elevacin B + D)Espesor: 1001.274 (999.6615 + 0.762)Espesor: 0.850 m > 0.60 m (se acepta este espesor)

BIBLIOGRAFA:Libro: Obras Hidrulicas RuralesAutor: Hernn Matern Muoz Ingeniero AgrcolaUniversidad del ValleFacultad de IngenieraDepartamento de Mecnica de Fluidos y Ciencias Trmicasrea de Hidrologa, riegos y Drenajes.