Download - Alcantarillas y Sifones_final1
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
1. ALCANTARILLAS
1.1. GENERALIDADES
Las alcantarillas son estructuras de cruce, que sirven para conducir agua de un canal o de
un dren por debajo de un camino u otro canal.
Cuando la altura y la descarga han sido determinadas, la finalidad del diseño es
proporcionar la alcantarilla más económica, la cual será la que con menor sección
transversal satisfaga los requerimientos de diseño.
Las alcantarillas son conductos que pueden ser de sección circulares o de marco
(cuadradas o rectangulares) usualmente enterradas, utilizadas en desagües o en cruces
con carreteras, pueden fluir llenas o parcialmente llenas dependiendo de ciertos
factores tales como: diámetro, longitud, rugosidad y principalmente los niveles de agua,
tanto a la entada como a la salida.
En muchos lugares, una alcantarilla corresponde a los requisitos estructurales e
hidráulicos para el cruce de arroyo. La estructura adecuada debe ser elegida sobre la
base de los siguientes criterios:
Los costos de construcción y mantenimiento
Riesgo de fracaso
Riesgo de daños a la propiedad
La seguridad del tráfico
Consideraciones ambientales y estéticas
La conveniencia de la construcción.
Aunque el costo de alcantarillas individuales suele ser relativamente pequeña, el costo total
de la alcantarilla con- construcción constituye una parte sustancial del costo total de la
construcción de carreteras. Del mismo modo, el mantenimiento de la alcantarilla puede ser
responsable de una gran parte del costo total de mantenimiento de las características
hidráulicas de la carretera. Mejora del servicio de tráfico y coste reducido se puede lograr
mediante una elección juiciosa de los criterios de diseño y una cuidadosa atención al diseño
hidráulico de cada alcantarilla.
Las alcantarillas se construyen a partir de una variedad de materiales y están disponibles en
muchas formas diferentes y configuraciones. Al seleccionar una alcantarilla, lo siguiente
debe ser considerado:
Perfiles de Carreteras
Características del canal
Evaluaciones de daños por inundaciones
Costos de construcción y mantenimiento
Estimaciones de vida útil
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
Según las investigaciones de laboratorio, se dice que la alcantarilla no se sumerge si la carga
a la entrada es menor que un determinado valor crítico denominado H, cuyo valor varía de
1.2 D a 1.5 D siendo D el diámetro o altura de la alcantarilla
1.2. TIPOS DE ALCANTARILLAS
1.2.1 Tipos de alcantarilla por el flujo a la entrada y a la salida
Tipo I: Salida sumergida
Figura 1
La carga hidráulica H* a la entrada es mayor al diámetro D, y el tirante a la salida, es
mayor a D, en este caso la alcantarilla es llena:
Luego: H* > D
> D
Alcantarilla llena
Tipo II: salida no sumergida
Figura 2
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
H > H*
Yt < D
Alcantarilla llena.
1.2.2 Tipos de Alcantarillas por su capacidad
Alcantarilla de un tubo
Para caudales iguales o menores a 1.2 m3/s
Longitud de Transiciones
La transición de entrada no lleva protección y la transición de salida lleva una
protección de enrocado con un espesor de la capa igual a 0.20m.
Longitud de protección
Diámetro interno mínimo
Alcantarilla de 2 tubos
Para caudales que oscilan entre 0.5 m3/s 2.2 m3/s
Longitud de las transiciones
Las transiciones de entrada y salida llevan protección de enrocado con un
espesor de la capa de roca de 0.25 m hasta una altura sobre el fondo del canal de
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
1.2 D.
Longitud de protección en la entrada
Longitud de protección en la salida
Diámetro interno mínimo
Alcantarilla de 2 ojos
Para caudales que oscilan entre 1.5 m3/s y 4.5m3/s
Sección del ojo = Ancho x Altura
Capacidad Máxima de la
Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de roca de
0.25 m. Longitud de las transiciones
b = plantilla del canal
Longitud de protección en la entrada
Longitud de protección en la salida
Diámetro interno mínimo
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
Alcantarilla de 3 ojos
Para caudales que oscilan entre 2.3 m3/s y 10.5 m3/s
Sección del ojo = ancho x altura
Entrada y salida con protección de enrocado y con un espesor de la capa de roca
de 0.25 m.
Longitud de las transiciones
b = Plantilla del canal
Longitud de protección de la entrada
Longitud de la protección de la salida
Diámetro interno mínimo:
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
TIPOS DE ALCANTARILLAS.
TIPOS SECCIÓN TRANSVERSAL MATERIAL USADO
TUBO SOLO O MULTIPLE
HORMIGÓN SIMPLE O
ARMADO, ARCILLA
VITRIFICADA, HIERRO
DE MOLDE.
ARCO DE TUBO SOLO O
MÚLTIPLE
MATERIAL
CORRUGADO
ALCANTARILLA DE CAJA SOLA
O MÚLTIPLE
HORMIGÓN ARMADO
ALCANTARILLA DE PUENTE
HORMIGÓN ARMADO
TIPO ARCO
METAL CORRUGADO ,
ARCO DE LA
ALBAÑILERÍA
COLLARINES PARA LOS TUBOS.
Estos se construyen cuando existe la posibilidad de una remoción de las partículas del suelo en los
puntos de emergencia y existe peligro de falla en la estructura por turificación. Debido al agua que
se mueve alrededor de la periferia del tubo en toda su longitud.
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
DIMENSIONES
Ф Tubo h(m) e(m)
18¨ 1.52 0.15
21¨ 1.60 0.15
24¨ 1.68 0.15
27¨ 1.90 0.15
30¨ 2.13 0.15
36¨ 2.60 0.15
42¨ 2.82 0.20
48¨ 3.00 0.20
54¨ 3.50 0.20
60¨ 3.65 0.20
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
1.3. CRITERIOS DE DISEÑO
o El diseño hidráulico de una alcantarilla consiste en la selección de su diámetro de
manera que resulte una velocidad promedio de 1.25m/s, en ciertos casos se suele dar a la
alcantarilla una velocidad igual a la del canal donde esta será construida, solo en casos
especiales la velocidad será mayor a 1.25m/s.
o La cota de fondo de la alcantarilla es la transición de entrada, se obtiene restando a la
superficie normal del agua, el diámetro del tubo, más 1.5 veces la carga de velocidad del
tubo, cuando este fluye lleno o el 20 por ciento del tirante en la alcantarilla.
o La pendiente de la alcantarilla debe ser igual a la pendiente del canal.
o El relleno encima de la alcantarilla o cobertura mínima de terreno para caminos
parcelarios es de 0.60m y para cruces con la panamericana es de 0.9m.
o La transición tanto de entrada como de salida en algunos casos, se conecta a la
alcantarilla mediante una rampa con inclinación máxima 4:1
o El talud máximo de camino encima de la alcantarilla no debe ser mayor a 1.5:1.
o El cruce de canales con camino, las alcantarilla no deben diseñarse en flujos
supercríticos.
o Se debe determinar la necesidad de collarines en la alcantarilla
o Normalmente las alcantarillas trabajan con nivel de agua libre, llegando a mojar toda su
sección en periodos máximos.
o Las pérdidas de energía máxima pueden ser calculadas mediante la fórmula:
o
o Donde los coeficientes de
Pe = Pérdidas por entrada
Ps = Pérdidas por salida
Pf = Pérdidas por fricción en el tubo
Va = Velocidad en la alcantarilla
El factor f de las pérdidas por fricción, se puede calcular mediante el diagrama de
Moody o por el método que más se crea conveniente.
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
1.3.1. Selección del tipo de estructura.
a. Las alcantarillas se utilizan:
Cuando no se requieren hidráulicamente puentes.
Cuando son más económicos que un puente (incluidas las preocupaciones de barandas y
seguridad).
Y cuando son tolerables los desechos y el potencial de hielo.
b. Los puentes se utilizan:
Donde las alcantarillas no son prácticos.
Donde es más económico que una alcantarilla.
Para satisfacer los requisitos de uso del suelo.
Para mitigar el daño ambiental causado por una alcantarilla.
Para evitar usurpaciones de Cauce.
Para acomodar hielo y desechos grandes.
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
1.3.2. Consideraciones hidráulicas.
El escurrimiento de una alcantarilla esta generalmente regulado por los siguientes factores:
Pendiente del fondo de la alcantarilla.
Pendiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo del lugar.
Tipo de entrada.
Rugosidad de las paredes de la alcantarilla.
Altura de ahogamiento permitido en la entrada.
Altura del remanso de salida.
Estos factores se combinan para determinar las características del flujo a través de una alcantarilla.
El estudio de los tipos de flujo a través de una alcantarilla ha permitido establecer las relaciones
existentes entre la altura de agua a la entrada de conducto, el caudal y las dimensiones de la
alcantarilla.
Para el diseño de una alcantarilla el proyectista deberá fijar:
El caudal de diseño.
La altura de agua permisible a la entrada.
La altura de agua a la salida
La pendiente con que se colocará el conducto.
• Su longitud.
• El tipo de entrada.
• Longitud y tipo de transiciones.
• La velocidad del flujo permisible a la salida.
1.3.3. Consideraciones de diseño
Las siguientes consideraciones para el diseño de una alcantarilla son proporcionadas por el
BUREAU OF RECLAMATION:
1. Las alcantarillas son diseñadas para una presión hidrostática interna mínima, es decir, el
gradiente hidráulico está un poco por encima de la parte superior del tubo y a veces
dentro del tubo mismo.
2. La elección del diámetro de la alcantarilla, se hace en función del caudal de tal forma que
no sobrepase la velocidad admisible, se puede usar la tabla 9.1.
Con la tabla 9.1 se puede definir el diámetro para:
Una velocidad máxima admisible de 1.06 mis (3.5 pies /s), para una alcantarilla con
transición en tierra, tanto a la entrada como para la salida.
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
Una velocidad máxima admisible de 1.5 mis (5 pies/s), para una alcantarilla con
transición de concreto, tanto para la entrada como para la salida.
TABLA 9.1 DATOS PARA LA SELECCIÓN DEL DIÁMETRO DE TUBERÍAS
Transición de tierra
⁄
Transición de
concreto
⁄
Tuberías
Caudal (m3/s) Caudal (m3/s) Diámetro
(pulg.)
Diámetro
(cm)
Área
(m2)
0 - 0.076 0 – 0.110 12 30.48 0.073
0.077 - 0.112 0.111 – 0.173 15 38.10 0.114
0.113 - 0.176 0.174 – 0.249 18 45.72 0.164
0.177 – 0.238 0.250 – 0.340 21 53.34 0.223
0.239 - 0.311 0.341 – 0.445 24 60.96 0.292
0.312 – 0.393 0.446 – 0.564 27 68.58 0.369
0.394 – 0.487 0.565 - 0.694 30 76.20 0.456
0.488 – 0.589 0.695 – 0.841 33 83.82 0.552
0.590 – 0.699 0.842 – 1.000 36 91.44 0.656
0.700 - 0.821 1.001 – 1.175 39 99.06 0.771
0.822 – 0.954 1.176 – 1.362 42 106.68 0.894
0.955 – 1.096 1.363 – 1.563 45 114.30 1.026
1.097 – 1.246 1.564 – 1.778 48 121.92 1.167
1.247 – 1.407 1.779 – 2.008 51 129.54 1.318
1.408 – 1.578 2.009 – 2.251 54 137.16 1.478
1.579 – 1.756 2.252 – 2.509 57 144.78 1.646
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
1.757 – 1.946 2.510 – 2.781 60 152.40 1.824
1.947 – 2.146 63 160.02 2.011
2.147 - 2.356 66 167.64 2.207
2.357 – 2.574 69 175.26 2.412
2.575 – 2.803 72 182.88 2.626
3. La máxima elevación del nivel del agua en la entrada de la alcantarilla es igual al diámetro
de la tubería más 1.5 la carga de velocidad en la alcantarilla es decir:
Dónde:
4. La pendiente mínima de la alcantarilla es de
5. Cobertura de tierra mínima entre la corona del camino y el tubo:
En carreteras principales y ferrocarriles coberturas mínimas de 0.90 m (3 pies).
En carreteras de fincas (parcelas) coberturas mínimas de 0.60 m (2 pies).
6. Talud a la orilla del camino: 1.5: 1
7. Las transiciones reducen las pérdidas de carga y previenen la erosión disminuyendo los
cambios de velocidad.
Las transiciones pueden hacerse de concreto, tierra y suelo - cemento.
Las transiciones de concreto son necesarias en los siguientes casos:
En los cruces de ferrocarriles y carreteras principales.
En las alcantarillas con diámetro mayor de 36 pulg. (91.44 cm).
En las alcantarillas con velocidades mayores de 1.06 mis (3.5 pies/s).
La pendiente máxima de la transición admite un talud de 4: 1
8. Collares que incrementan la longitud del movimiento del agua a través del exterior del
tubo.
9. Las pérdidas asumidas son de 1.5 veces la carga de velocidad en la tubería más las
pérdidas por fricción.
10. Para el cálculo de las perdidas en las alcantarillas funcionando llena, se puede usar la
siguiente formula, en el sistema métrico decimal:
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
Dónde:
= carga, en m.
=coeficiente de pérdidas a la entrada.
D = diámetro de la tubería, en m.
n = coeficiente de rugosidad.
L = longitud de la alcantarilla, en m
Q = caudal, en m3/s
Se han determinado valores experimentales de K, para las diferentes condiciones de la entrada,
los cuales varían en la forma que se indica:
TIPO DE ENTRADA VARIACIÓN PROMEDIO
Para entradas con aristas rectangulares
instaladas al ras en los muros de cabeza
verticales.
0.43 – 0.70
0.50
Para entradas con arista redondeadas
instaladas al ras en muros de cabeza verticales
0.08 – 0.27
0.10
Para tubo de concreto de espiga o de campana
instalado al ras en el muro de cabeza vertical.
0.10 – 0.33
0.15
Para tubos de concreto salientes con extremos
de espiga o de campana.
------
0.20
Para tubos de acero o de metal ondulado.
0.5 – 0.9
0.85
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
2. SIFONES
1.1. GENERALIDADES
Un sifón es un tubo continuo que permite que el líquido drene desde un reservorio a
través un punto más alto que el propio reservorio intermedio, el flujo siendo
impulsado sólo por la diferencia de presión hidrostática sin necesidad de bombeo.
Es necesario que el extremo final del tubo sea inferior a la superficie del líquido en el
reservorio.
La entrada del tubo forma un vacío y extrae el agua a través de la tubería, en un
ascensor designado, y descarga el agua a una ubicación por debajo del nivel de agua
original.
VENTAJAS DEL SIFÓN
Sifones son económicos, de fácil construcción, y han demostrado ser un medio
confiable de transporte de agua.
Generalmente, los materiales son de mayor disponibilidad que las bombas y el
mantenimiento asociado con un sifón en ejecución activa puede ser inferior a un
sistema de bombeo. Aparte de la construcción inicial del sifón, menos personas
pueden ser necesarios para mantener la estructura mientras se está moviendo el
agua.
Los materiales son a la vez rentable y reutilizable en el caso de una situación de
emergencia que requiera la reducción reservorio vuelva a ocurrir en el futuro.
Finalmente, no se requiere ninguna fuente de energía para hacer funcionar un
sifón correctamente instalado una vez en funcionamiento.
DESVENTAJAS DEL SIFON
Las principales anomalías y problemas de funcionamiento que puedan surgir se
realizan durante la puesta en marcha o el funcionamiento normal de un sifón
invertido.
Presencia de aire: la presencia de aire en un conducto presurizado puede
impedir, total o parcialmente, el paso del agua, comprometiendo el
funcionamiento normal. Conociendo el posible mal funcionamiento debido a la
presencia de aire, menciona un sistema para ser instalado en la parte inferior del
sifón con el fin de permitir que el aire salga si es necesario.
Presión hidrostática: roturas de tuberías debido a la presión hidrostática se
pueden evitar usando tubos hechos con materiales adecuados y un espesor
corroído. El uso de los sifones multitramo también es útil para reducir la presión
en las tuberías.
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
COMPONENTES DEL SIFON
Los componentes incluyen el material de la tubería y el tipo, salida de obras,
accesorios, y la ventilación.
Materiales de tubería:
Es especialmente importante que el tubo seleccionado puede soportar las
presiones de vacío negativos de un sifón.
El material de la tubería como el aluminio o de plástico de paredes delgadas
sólo debe utilizarse con precaución y sólo en aplicaciones con elevación
mínima. La disponibilidad local será a menudo un factor determinante para
que el material a utilizar.
Puede ser más económica y oportuna para utilizar varios tubos de menor
diámetro en lugar de una tubería de gran diámetro.
Entrada:
La entrada de un sifón debe estar configurado para evitar la entrada de aire en
la tubería. Si el nivel de agua está dentro de los dos pies de la entrada, el aire
puede ser introducido en el sistema con la creación de un vórtice.
Una solución utilizada para tratar esta condición es colocar una pieza plana de
madera contrachapada encima de la entrada para servir como un "deflector
anti-vórtice".
Una rejilla de escombros puede ser necesaria para evitar que los desechos
grandes entren en la tubería.
Salida:
Para que el sifón pueda funcionar de manera óptima, la salida debe ser
sumergido para evitar el arrastre de aire en el sifón.
Una cuenca de inmersión puede ser un lugar ideal para ubicar la salida del
sifón. Cuanto mayor es la profundidad del agua sobre la salida, menos
probabilidad de arrastre de aire en la tubería.
Para cebar el sifón, ambos extremos de la tubería de sifón deben estar
cerrados y se necesita un ajuste en la parte superior del sifón para llenar el
tubo desde arriba.
Para cerrar los extremos de la tubería, se recomienda instalar una válvula de
compuerta.
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
1.2. TIPOS DE SIFONES
SIFON “NORMAL”
Compuesto por un tubo en forma de U invertida o conducto cerrado que están
llenos o preparados para permitir que la presión atmosférica fuerce el agua
desde un reservorio y a través de una presa de terraplén y por el otro lado de la
tubería.
El tubo o conducto está diseñado para funcionar completa y bajo un diferencial
de presión.
La entrada del tubo forma un vacío y extrae el agua a través de la tubería, en un
ascensor designado, y descarga el agua a una ubicación por debajo del nivel de
agua original.
El sifón sacará el líquido fuera del reservorio hasta que el nivel cae por debajo de
la ingesta o hasta que la salida del sifón es igual al nivel del reservorio
Para el agua a presión atmosférica normal, la altura del sifón máximo es de
aproximadamente 10 metros.
Por supuesto, a 10 metros es un valor teórico que no tiene en cuenta las
condiciones reales en las fricciones que el valor sea menor debido a las pérdidas
de carga. Por otra parte el buen funcionamiento del sifón también se ve
afectada por la presión de aire, por lo tanto según la altitud: el funcionamiento
disminuye con un aumento de la altitud.
Leyenda:
A = reservorio
B = conducta en contra - la presión
C = punto de llenado y respiradero
D = tanque de almacenamiento
H = altura a la que el agua es elevada
Ah = diferencia entre la superficie del agua en el reservorio y el extremo final
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
SIFÓN INVERTIDO
El sifón invertido, llamado así porque se presenta una concavidad opuesta con
respecto al sifón, se caracterizan por:
se utilizan para transportar el agua a través de una depresión natural, bajo una
carretera, o en virtud de un canal.
Sifones son generalmente hechas de tubos de hormigón circular o PVC, que
conecta dos canales en series.
Cuando va a través de una depresión, el sifón debe estar completamente
enterrado, por lo general con un mínimo de aproximadamente 1 m de la
cubierta
Diametro tuberia
Velocidad (m/s)
120 1
200 1.5
250 1.55
300 1.6
400 1.7
450 1.8
500 1.9
600 2.2
800 2.4
1000 2.6
1200 2.6
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
Los sifones son como las alcantarillas, pero en lugar de que desciende de
entrada a la salida, se inclinan hacia abajo, luego de vuelta hasta la salida
Algunos sifones tienen múltiples tuberías en paralelo; Por ejemplo, cuando la
capacidad de flujo original aumenta.
Los sifones pueden ser muy problemático con agua cargada de sedimentos
debido a los sedimentos puede tender a depositar en el punto más bajo (s)
Leyenda:
A = cuenca de entrada o depósito de compensación
B = presión del conducto por tubería
C = cuenca de salida o depósito receptor
Ah = diferencia entre el depósito de cabecera y el tanque receptor
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
1.3. CRITERIOS DE DISEÑO
Componentes estructurales de Sifones
1. Tubería
La mayoría de los sifones se construyen a partir
de prefabricado tubería de concreto (PCP),
reforzado con acero de diámetros mayores
Clase cabeza tubería de concreto puede subir a
200 pies (86 psi) o más
Tubo de cilindro de hormigón pretensado tiene
alambre de acero envuelto alrededor de la tubería
con una capa de mortero
Tubos de hormigón pretensado se utiliza
normalmente en grandes sifones (más de 10 pies
de diámetro), con longitudes de 20 pies, y
colocado en zanja con un vehículo especial.
2. Las transiciones
Las transiciones para sifones son las estructuras de entrada y salida
La mayoría de los sifones tienen estructuras de entrada y salida para reducir la
pérdida de carga, prevenir la erosión y tuberías, y mantener la inmersión ("sello
hidráulico")
Puede ser muy peligroso para omitir las estructuras de entrada y salida, ya que
estos lugares están a menudo en taludes empinados que erosionar muy
rápidamente en caso de incumplimiento o de desbordamiento
Un aliviadero de emergencia a veces se encuentra justo arriba de una entrada
del sifón
Las transiciones en sifones más pequeñas pueden ser del mismo diseño en la
entrada y la salida, y los diseños estándar se puede utilizar para reducir los
costos
Con sifones más grandes, puede ser deseable hacer un diseño de transición
"específica de sitio", posiblemente con diferentes diseños para la entrada y
salida
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
3. Compuertas y Controles
Las Compuertas y controles se pueden instalar:
a la entrada de un sifón para controlar el nivel del agua aguas arriba
a la salida de un sifón para controlar la inmersión aguas arriba
El funcionamiento de una compuerta a la entrada de un sifón puede garantizar
la estanqueidad hidráulica, pero no va a garantizar el flujo de tubo lleno en la
sección de descenso (s) de tubería a las descargas por debajo del valor de
diseño
No es común instalar una compuerta a la salida de un sifón (esto nunca se hace
en diseños USBR)
4. Collares
Los collares se pueden utilizar, como con alcantarillas, para evitar la "tubería" y
el daño debido a la madriguera de animales
Sin embargo, con Los sifones no siempre son necesarias porque las estructuras
de entrada y salida deben ser diseñados y construidos para dirigir toda el agua
en la entrada y salir toda el agua en el canal de aguas abajo
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
DISEÑO DE SIFONES
SIFONES NORMALES
Los mayores desafíos con diseño sifón, todos se relacionan con las elevaciones de la tubería
del sifón. Lo más importante son la elevación, coronación de la presa en relación con elevación
mínima superficie del agua. Si esta diferencia de altura es demasiado grande, el sifón no
funcionará.
El funcionamiento del Sifón de se basa en la presión
atmosférica, levantar el agua hasta el sifón, se limita a la
diferencia de elevación que produce la vaporización de
agua. Si la elevación es demasiado grande, el agua se
evaporará, lo que resulta en la incapacidad para crear un
efecto de sifón y puede incluso causar el colapso del tubo.
Al decidir si un sifón funciona para el sitio la ecuación más
importante a entender es la elevación de ecuaciones Máxima del sifón.
Para determinar si las elevaciones en el sistema son apropiados para el diseño de sifón, la
primera medición que se debe tomar es la diferencia de la elevación coronación de la presa
(DCE) para la elevación mínima superficie del agua del depósito (RWS). La Figura 5 muestra la
ubicación de la RWS y DCE.
Este valor se puede utilizar para determinar si un sifón es factible hidráulicamente en el sitio
de acuerdo con la de ecuaciones elevación máxima de sifón.
Si la coronación de la presa es
demasiado alta en comparación con la
elevación de las aguas superficiales,
considere cavar una muesca temporal
en la coronación de la presa para
reducir la elevación requerida.
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
Haciendo muescas en la cresta de una presa para reducir elevación para el sifón
Esta ecuación se basa en la presión atmosférica a nivel del mar. Tenga en cuenta que la presión
disminuye el vapor de agua con el aumento de la elevación.
Es importante tener en cuenta que la elevación de la superficie reservorio cambia a medida
que el sifón atrae hacia abajo del agua.
A medida que el nivel de agua disminuye, la distancia vertical desde el nivel del agua a la parte
superior del terraplén se incrementará.
Esta ecuación, conocida como la de predicción del Caudal del Sifón y es una variación de la
ecuación de Bernoulli simplificada para tener en cuenta las aplicaciones de sifón típicos para
agua limpia.
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
donde :
λ = factor de fricción = 0,02 (tubos de acero)
1 = longitud del sifón, m
d = diámetro del sifón, m
Σ k = todos los coeficientes de pérdida local a lo largo del sifón
Diametro tuberia
Velocidad (m/s)
120 1
200 1.5
250 1.55
300 1.6
400 1.7
450 1.8
500 1.9
600 2.2
800 2.4
1000 2.6
1200 2.6
TIPO DE SIFON Diametro (mm) Longitud (m) Caudal (m3/s)
Pequeño, móvil 25-120 < 5 0.00025 - 0.015
Mediano, Semi estable 120-200 < 10 0.015 - 0.050
Largo, Estable 200-1200 < 100 0.050 - 3.10
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
SIFONES INVERTIDOS
El diseño de sifones tiene muchas similitudes con el diseño de alcantarillas; Sin
embargo, a diferencia del proyecto de alcantarillas:
1. Los sifones son generalmente diseñados para el flujo de tubería completa
2. Los sifones son generalmente diseñados para reducir al mínimo la pérdida de carga
3. Los sifones llevan el agua hacia abajo y luego la copia de seguridad
Los diseños de sifón son generalmente para una vida útil de 50 años asumido
1. Límite de Velocidad de tuberías
Según el USBR, las velocidades de tubería al momento del alta de diseño debe
estar entre 3,5 y 10 fps
Recientes diseños USBR han llamado principalmente para la velocidad de 8 fps
Muchas pequeñas alcantarillas están diseñados para 10 fps
En general, las velocidades de tubería inferiores están muy bien para los
pequeños sifones, pero en una gran capacidad y sifones o largas es justificable
para diseñar para velocidades más altas
Los sifones largos pueden costar mucho menos aún con un tamaño ligeramente
más pequeño de tubería
2. Las pérdidas de carga
Las alcantarillas se diseñan generalmente para el flujo de tubo lleno de entrada
a la salida (la salida está siempre sumergido casi, y es muy poco probable que el
flujo de canal abierto prevalecería en todo el sifón - el cambio en la elevación
suele ser demasiado grande)
Pérdida de carga total es la suma de: entrada, salida, tubería, y las pérdidas de
carga menores
La mayor parte de la pérdida en un sifón es de fricción en la tubería.
Pérdidas de corriente son típicamente alrededor del doble de las pérdidas de
entrada
Pérdidas menores en curvas de tubo son generalmente insignificantes
La mayoría de los sifones están diseñados para transportar el caudal de diseño
completo sin causar un perfil "M1" (de remanso) en el canal ascendente para
lograr esto, es importante calcular cuidadosamente las pérdidas de carga
Si la pérdida de carga total de sifón en la descarga de diseño sobrepasa el
cabezal disponible (diferencia en elevaciones del canal aguas arriba y aguas
abajo y profundidades de agua) el sifón funcionará a una descarga inferior y
hacer que el nivel de agua aguas arriba aumente.
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
Un salto hidráulico en la parte descendente de la (lado aguas arriba) de sifón
aumentará en gran medida la pérdida de carga, y puede causar problemas de
creciente y "vuelta de soplo"
La vuelta de soplo ocurre cuando el aire es arrastrado en el agua debido a un
salto hidráulico en la tubería, o debido al movimiento de un salto hidráulico
dentro de la tubería; agua y aire surgen periódicamente hacia atrás a través de
la entrada.
3. Sello hidráulico
El "sello hidráulico" es el mínimo requerido cabeza aguas arriba, con relación al
borde superior del tubo de sifón en la entrada del sifón, para evitar el arrastre
de aire en esa ubicación
El sello hidráulico recomendado por el USBR es igual a 1.5Δhv, donde Δhv es la
diferencia en las cabezas de velocidad en el canal abierto de aguas arriba y en la
tubería (cuando fluye completo)
Para un valor más conservador del sello hidráulico, use un tubo de 1,5 h, donde
h es la de tubería carga de velocidad en el tubo de sifón cuando fluye completo.
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
4. Fases del Diseño
Determinar la ruta que seguirá el sifón
Determine el diámetro de la tubería requerida de acuerdo con la aprobación de
la gestión del diseño y de la velocidad permitida
Determinar los tipos de estructuras de transición apropiadas a la entrada y
salida, o transiciones de diseño personalizados para la instalación en particular
Diseñar la disposición de sifón según el terreno existente y la propuesta (o
existente) elevaciones del canal a la entrada y salida
Determinar los requisitos de presión de la tubería de acuerdo a la cabeza (en el
punto más bajo) durante la operación
Determinar la pérdida de carga total en el sifón en la descarga de diseño
Si la pérdida de carga es demasiado alto, elegir un tubo más grande o diferente
material de la tubería; o, considerar ajustar las elevaciones del canal a la entrada
y salida.
CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO HIDRÁULICO
El perfil de sifón se determina para satisfacer ciertos requisitos de cobertura, las
pendientes, ángulos de curvatura, y sumersión de entrada y salida del sifón.
Sifón requisitos de cobertura son (Aisenbrey, et al., 1974):
1) todos, los sifones cruzan debajo de caminos distintos a caminos agrícolas y los
sifones que cruzan bajo ferrocarriles, deben tener siempre un mínimo de (0.91 m)
de la cubierta de tierra.
Los caminos agrícolas requieren sólo (0,61 m) de la cubierta de tierra y están con frecuencia en
rampa usando 10-1 pendientes (el 10 por ciento de grado) cuando sea necesario para
proporcionar los requisitos mínimos de cobertura.
Si existen cunetas de carreteras y se extendieron por el sifón, la distancia mínima de la zanja a
la parte superior de la tubería debe ser (0,61 m).
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
2) En sifones que cruzan bajo los canales de descarga de cruz, un mínimo de (0.91 m) de la
cubierta de la tierra debe siempre menos que los estudios indican una mayor cobertura se
requiere debido proyectadas retrocesos futuros del canal.
3) En los sifones que cruzan bajo un canal de tierra, un mínimo de (0.61 m) de la cubierta de la
tierra debe proporcionar.
4) En sifones que cruzan bajo un canal revestido, un mínimo de (0,15 m) de la cubierta de
tierra debería proporcionar entre el revestimiento de los canales y la parte superior del sifón.
Anchos de calzada y taludes en carreteras y ferrocarril que cruzan con un sifón
deben coincidir con anchos existentes carreteras y taludes laterales, o según se
especifique lo contrario.
Por lo general, las velocidades deben variar desde (1,07 m / s) a (3,05 m / s), en
función de cabezal disponible y las consideraciones económicas (Aisenbrey, et al.,
1974).
Los siguientes criterios de velocidad se pueden utilizar en la determinación de las
dimensiones del sifón:
1. (1,07 m / s) o menos durante un tiempo relativamente corto con sólo transiciones de
tierra proporcionada en la entrada y salida.
2. (1,52 m / s) o menos durante un tiempo relativamente corto sifón, ya sea con una
transición concreto o una estructura de control proporcionada en la entrada y una
transición de concreto proporcionada en la salida.
3. (3,05 m / s) o menos para un tiempo relativamente largo, ya sea con una transición
concreto o una estructura de control proporcionada en la entrada y una transición de
concreto proporcionada en la salida.
Para evitar sedimentaciones, la velocidad mínima que se considera (0,6 m / s).
Para las descargas hasta aproximadamente (2,5 m3 / s), tubos pueden ser usados,
pero para ampliar las descargas se prefiere una sección rectangular, (Jawad,
Kanaan, 1983).
En zonas de ladera donde la pendiente de la alcantarilla espera que sea
relativamente empinada y el flujo a través de la alcantarilla ganancias de energía
considerable, las tuberías de acero corrugado ofrecen ventajas de disipación de
energía. En terrenos planos, la pérdida de energía a través de una alcantarilla no es
deseable; Por lo tanto, tuberías de concreto son más adecuados (Simon, 1997). Para
propósitos de diseño en Irak, las tuberías de concreto y acero se consideran con
coeficiente de rugosidad (n) igual (0.014) y (0.01) respectivamente (Jawad, Kanaan,
1983).
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
PÉRDIDAS DE CARGA DE SIFÓN INVERTIDO
Las pérdidas totales de cabeza igual a la suma de la fricción, entrada, salida,
pantallas, codos, transiciones y codos pérdidas. La pérdida de carga total mínima
para sifones invertidos es (0,2 m) (Jawad, Kanaan, 0.1983). Las pérdidas por sifón
pueden calcular utilizando la siguiente fórmula (Garg, Santosh, 1978):
(
)
(4)
Una breve discusión sobre estas pérdidas puede ilustrarse de la siguiente manera:
LAS PÉRDIDAS DE FRICCIÓN
Las pérdidas por fricción a través de los barriles de sifón pueden calcular utilizando
la siguiente fórmula.
(
)
(5)
Dónde
(6)
Dónde se pueden tomar los valores de a y b para diferentes materiales como se indica en la
Tabla.
Materiales de la superficie a b
Tubería de hierro liso 0.00497 0.025
tubería incrustada 0.00996 0.025
Yeso de cemento liso 0.00316 0.030
Sillares o ladrillos 0.00401 0.070
Mampostería de piedra 0.00507 0.250
Los valores de a y b para diferentes materiales.
ENTRADA Y SALIDA PÉRDIDAS
Las pérdidas de entrada pueden calcular a partir de la siguiente ecuación (Jawad,
Kanaan, 1983):
(7)
Dónde:
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
K1: coeficiente de entrada, que obtiene a partir de la siguiente tabla.
Pérdidas de salida puede calcular a partir de la siguiente ecuación (5):
(8)
K2: coeficiente de salida que toma como 1,0 para la mayoría de salidas.
Descripcion K1
entrada canteada 0.5
entradas redondeadas, radio r, donde r / D ≤0.15 0.1
tuberías acanaladas finalizados 0.15
proyección de tubos de concreto 0.2
proyección de tubos de acero 0.85
Coeficiente de entrada [5].
CODOS Y PÉRDIDAS DE CODOS
Queda ahora a considerar el efecto de los codos y curvas, en la descarga del sifón.
Las pérdidas en un codo o una curva en una tubería parecen ser debido a la
circulación secundaria y a la contracción del caudal, que se producen, en, e
inmediatamente aguas abajo de, la causa de la perturbación.
Weisbach proporciona la siguiente fórmula para la pérdida de carga en los codos.
Dónde:
Según esta teoría, si el radio de curvatura R no cambia, la longitud ℓb de la parte
doblada de la tubería, y θ ángulo, tienen muy poco efecto (si lo hay) en la pérdida
total de la cabeza atribuible a la curva. Por consiguiente, la fórmula fue como sigue
(Leliavsky, Serrge, 1979).
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
Donde:
( (
)
)
D: Diámetro de la tubería.
PÉRDIDAS DE TRANSITION
Una transición de canal se puede definir, como cambio local es sección transversal,
que produce una variación en el flujo de un estado uniforme a otro. En muchas
estructuras hidráulicas la razón principal de constricción del flujo en la entrada
consiste en reducir, los costos de construcción de la estructura y en algunos casos
se pueden proporcionar un dispositivo conveniente para la medición de las
descargas en el cuerpo principal de la estructura. Es importante que las transiciones
hacia y desde las estructuras se diseñan adecuadamente cuando las pérdidas de
carga son críticos. Las transiciones pueden servir para varias otras funciones, a
saber:
1- Para reducir al mínimo la erosión del canal.
2- Incrementar la ruta de filtración y proporcionar así seguridad adicional contra la tubería.
3- Para conservar el terraplén en los extremos de las estructuras.
Todas las transiciones se pueden clasificar ya sea como entrada (contracción) o de
salida (de expansión) de transición.
Pérdidas de expansión y contracción pueden encontrando entre las siguientes
ecuaciones (Jawad, 1983):
(Para estructuras del canal)
(Para estructuras del canal)
(Para las estructuras de drenaje)
(Para las estructuras de drenaje)
Dónde:
MSc. Ing.JOSE ARBULU R.
ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE GRUPO 03
Kex y Kcon: son el coeficiente de dilatación y contracción respectivamente, que
pueden obtenerse de la Tabla (5) en función de los valores de descarga (en función
de la referencia de [5]).
Seccion del sifón Descarga
m3/s Kex Kcon
Rectangular 2.5 – 5 0.6 0.3
> 5 0.2 0.1
Tuberia <0.5 1.0 0.5
0.5 – 2.5 0.7 0.4