SALTOS DE AGUA Y SIFON

CURSO: OBRAS HIDRAULICASDOCENTE: ING. OSCAR MAZA ESPINOZA

SALTOS DE AGUA

Se le denomina saltos de agua a las estructuras

hidráulicas proyectadas para salvar desniveles,

entre ellas tenemos:

SALTOS DE AGUA

CAIDAS

CAIDAS VERTICALES

CAIDAS INCLINADASGRADAS

ESCALONADAS

RAPIDAS

CAÍDAS

Son estructuras proyectadas en canales o drenes para salvar desniveles bruscos en la rasante del fondo. Las caídas se localizan de tal manera que los cortes y rellenos del canal se equilibren en lo posible. Para controlar la velocidad en tramos de alta pendiente se pueden utilizar combinaciones entre caídas verticales, escalonadas o rápidas según las variaciones del terreno. Las caídas del canal pueden utilizarse para desarrollos hidroeléctricos, utilizando turbinas de tipo propulsión o bulbo.

CAÍDAS VERTICAL

ESLas caídas verticales pueden ser de varios tipos y se podría decir

que no tienen limitaciones en cuanto al caudal y altura de

caída, sin embargo, es recomendable su uso

hasta desniveles de 1.0 m y solo cuando la

naturaleza del problema así lo exija, se

construirán para desniveles mayores a

1.0 m

El asentamiento inaceptable del canal en la parte superior de la caída

ocasionando por la excavación para construir

la poza de disipación.

Problemas de tubificación debido a la remoción del material

para la construcción de la caída.

Al ser la longitud total de la caída vertical menor que la longitud total de una caída

inclinada, resulta un gradiente hidráulico más

fuerte, en el caso de la caída vertical, el chorro cae con

más fuerza siendo necesario ventilar el vacío que se forma debajo del chorro de caída.

A. ELEMENTOS DE UNA CAÍDA VERTICAL

Transición de entrada: Une por

medio de un estrechamiento

progresivo la sección del canal superior con la

sección de controlSección 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.

B. CLASIFICACIÓN

1. Caída con poza de disipación de sección rectangular, que puede ser.

a. De poza con obstáculos para el choque.b. De poza con obstáculos para el choque - tipo SAF

2. caída vertical con muro de mampostería de piedra y poza rectangular sin obstáculos

3. caída vertical con poza de disipación de sección trapezoidal.

C. CRITERIOS DE DISEÑO

CAÍDAS RECTANGUL

ARES INCLINADAS

Una caída rectangular

inclinada es una estructura de

forma rectangular y de ancho

constante que lleva agua de un lugar

alto a uno de menor elevación.

La altura de la caída puede estar comprendida entre

90 cm y 4,5 m.

PARTES DE UNA CAÍDA INCLINADA

• Transición de entrada con sección de control

• Caída propiamente dicha

• Colchón• Transición de salida

SECCIÓN DE CONTROL.- La sección de control consiste en una variación de la sección del canal en el punto donde se inicia la caída o en una rampa en contra pendiente, de manera que la energía en el canal aguas arriba sea igual a la energía en el punto donde se inicia la caída.

CONDUCTO INCLINADO: El piso del canal superior se une con el del inferior siguiendo un plano con talud igual al de reposo del material que conforma el terreno (1.5:1), obteniéndose economía en el proyecto, al necesitarse solo un revestimiento de 10 a 15 cm de espesor.

COLCHÓN: El segundo problema que se presenta es el paso del régimen rápido en la caída, al tranquilo en el canal de salida, aprovechándose la tendencia que existe de producir el Salto Hidráulico en este lugar, que es el sitio con que se cuenta para la disipación de energía, favoreciendo su formación en el lugar deseado.

GRADASSon caídas verticales

continuas, que se proyectan para

salvar desniveles abruptos siendo

recomendable no proyectar en este

caso caías o gradas con alturas mayores

s 0.80 m.

Proyectar un desnivel en forma de gradas siendo éstas de 0.5, 0.30, 0.8, 0.5 y la última de 0.40 m en un canal de 2.00 m de anchura, cuyo gasto es de 1.4 m3/s, de tal manera que entre grada y otra se asegure la formación perfecta del flujo supercrítico que sigue a cada grada, el canal aguas arriba y aguas abajo tiene pendiente 1% y es de tierra.

Es lógico suponer que en la sección 1 se va a producir un tirante crítico cuyo valor es:

.

El análisis hidráulico consiste en llegar a determinar la longitud necesaria para grada y grada siendo necesario confeccionar el siguiente cuadro:

Columna 1: Número de grada Columna 2: Altura de gradaColumna 3: Resulta de dividir la altura de grada entre el tirante crítico 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 supercrítico 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: Xo = 1 y K = 1.359 el valor

Columna 5: Sería el valor Xo = 1

Columna 6: El valor obtenido en la fig. 4.22: Columna 7: Sería el valor:

Y1 = 0.53 x 0.369Y1= 0.196 m

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

En la grada 2: tenemosYo = 0.196Xo= y X=0.815

Y1=0.178 m

En la grada 3:Yo = 0.178Xo= y k=2.174

Y1=0.146 m

FIG. 4 GRADAS DE BAJADA ANTECEDIDAS Y SEGUIDAS DE FLUJO SUPERCRITICO

FIG.5 DISTANCIA ENTRE GRADAS EN FLUJO SUPERCRITICO

En la grada 4:Yo = 0.146:

Xo= k=1.359

En la grada 5:Yo = 0.153

Xo= k=1.087

Grada 1:

Grada 2:

K = 1.359 K = 0.815Xo = 1.0 Xo = 0.533Se obtiene: Se obtiene:=3.3 =3.4d=3.3x0.368 d = 3.4 x 0.368d=1.21 m d = 1.25 m

Grada 3:

Grada 4:

K = 2.174 K = 1.359Xo = 0.484 Xo = 0.397Se obtiene: Se obtiene:=5.3 =4.8

d=5.3x0.368 d = 4.8 x 0.368d=1.95 m d = 1.77 m

Grada 5: K = 1.087Xo = 0.416Se obtiene:=4.2d=4.2x0.368d=1.55 m

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

En la grada 5 la situación 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 será:

Longitud del resalto:

Lr = 6 ( – )

Lr = 4.50 m

Profanidad del colchón:

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 situación final sería:

Como Yn > Y2 en 0.19 m no es necesario colchón o poza, pero por seguridad podría considerarse

una profundidad de colchón de unos 0.3 ó 0.25 m, según criterio del diseñador.

DISEÑO HIDRÁULIC

O DEL SIFÓN

INVERTIDO Para cruzar una

depresión, se debe recurrir a una

estructura de cruce, en cada caso se

escoge la solución más conveniente para

tener un funcionamiento

hidráulico correcto, la menor pérdida de carga posible y la mayor economía

factible.

ELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA.

Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar una alcantarilla.

Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar como estructura de cruce; un puente canal o un sifón invertido o la combinación de ambos.

El puente canal se utilizará cuando la diferencia de niveles entre la rasante del canal y la rasante de la quebrada o río, permita un espacio libre, suficiente para lograr el paso del agua.

El sifón invertido se utilizará si el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo.

 

 

CON

CEPT

O D

E AC

UED

UCT

O

El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresión. Está formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, acero, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad. CO

NCE

PTO

DE

SIFÓ

N

INVE

RTID

O

 

Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para conducir el

agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica o quebrada, también para pasar por debajo de un

camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso otro canal.

EJEMPLO DE DISEÑO Diseñar un sifón invertido en el cruce de un canal con la panamericana las características del cruce se presenta en la Fig. 1 y las características del canal arriba y aguas debajo del cruce son:Z = 1.5Q = 1 m3/sS = 1 %b = 1.0 mn = 0.025Y = 0.7 mV = 0.7 m/s= 0.025 m 

La pendiente aguas arriba y aguas abajo es de 1 % y las cotas según el perfil del canal son:

Km. 1 + 030 = 46.725 m.s.n.m.

Km 1 + 070 = 46.443 m.s.n.m.

FIGURA 1

1.Selección del diámetro del tubo

Asumimos una velocidad de 1.5 m/segA=Q/V=1.0/1.5A=0.67A=Di = 0.92, escogemos Di = 36” = 0.9144 mEl nuevo valor del área será:A=0.637 Y la velocidad de diseño:V = 1.52 m/s

2.Longitud de transicionesT1 = b + 2 Z Y = 1 + 2 x 1.5 x 0.7 = 3.1T2= 0.9144 m Lt=Lt = 2.35 mLt = 4 Di Lt = 3.67 ≈ 3.70Escogemos:Lt = 3.70 mα/2 = 16º30’

3.Nivel de agua en 1

Del km 1+030 al punto 1 según la Fig. 2 adjunta, hay 6.41 m, luego la cota de fondo en 1 será:36 46.725 – (6.41 x 0.001) = 46.719 m.s.n.m. El nivel del agua en 1: 46.719 + 0.7 = 47.419 m.s.n.m.

4.Cota de fondo en 2Cota de fondo en 2: 47.419 = (Hte – 1.5 Hv)Hte=1.5 hv=1.5hv=0.14 mCota de fondo en 2: 46.344 m.s.n.m. Cota de fondo en 3

 

5. Cota de fondo en 3 α1= 12º escogido previamente Sen 12º = h/5.0h = 1.04 mLuego: 46.344 – 1.04 = 45.304Cota de fondo en 3: 45.304 m.s.n.m.

6. Cota de fondo en 4 Longitud de tubo horizontal: 10 m

10 x 0.005 = 0.05

45.304 – 0.05 = 45.254

Cota de fondo en 4: 45.254 m.s.n.m.

7. Cota de fondo en 5 α2= 12º

Sen 12º = h/4

h = 0.8316 m

Luego: 45.254 + 0.8316 = 46.086

Cota de fondo 5: 46.086 m.s.n.m.

FIGURA 2

8.Cálculo del valor P en la salida: El máximo valor en P en la entrada debe ser ¾

D y en la salida ½ D; luego P en la salida: 0.9144÷ 2 = 0.4572

De otro lado se tiene que la cota en 6 será:

La distancia entre el punto 6 y el km 1 + 070: 7.388

La cota en 6 es: 46.443 – 0.0074 = 46.436 m.s.n.m.

Cota 6 – cota 5 = 46.436 – 46.086 = 0.35 m

Escogemos el valor P = 0.35 para que la cota 6 de la transición coincida con la de la rasante del canal.

FIGURA 3

9. Inclinación de los tubos doblados (codos)

A la entrada:

4.7:1 es más plano que 2:1, se acepta la inclinación

A la salida:

4.7:1 igual que la entrada aceptamos la inclinación

 

10. Carga hidráulica disponible

Cota 1 + tirante = 46.719 + 0.7 = 47.419 m.s.n.m.

Cota 6 + tirante = 46.346 + 0.7 = 47.136 m.s.n.m.

Carga disponible = 0.283 m 

11. Cálculo de las pérdidas de carga

Pérdida por entrada: 0.4 (0.0938) = 0.037

Pérdida por salida: 0.65 (0.0939) = 0.060

Pérdidas por fricción: f

Pérdidas por codos: Pcod.f = 0.025

L = 19.0 m

D = 4R = 0.9144

Pcod. =Para mayor seguridad las pérdidas totales se incrementaran en un 10%.

Luego: 1.1 x 0.16 = 0.198 m

Podemos deducir que la carga disponible menos las pérdidas totales son de: 0.283 – 0.198 = 0.085 m

Lo que significa que no habrá problema hidráulico.

12. Cálculo de la sumergencia a la salida  

Altura de sumergencia (0.70 + 0.35) – Hte

Hte=

Altura de sumergencia: 1.05 – 0.035 = 0.115 m

Este valor no debe exceder a: 156.06mLuego: 0.115 < 0.156

Se acepta el valor de sumergencia puesto que es menor a la altura permisible.

13. Longitud de protección con enrocado

Lp = 3 Di = 2.74 ≈ 2.80 m El proyecto preliminar trazado en la Fig. 6 - 3, se considera la solución al problema puesto que cumple con los requisitos hidráulicos.

 

CONCLUSION

La calidad de la información es vital para realizar los cálculos en el diseño tanto de saltos de agua como de sifones, ya que de no ser así se realizarán estructuras que no se ajuste a las necesidades y alcance los fines para los que fue destinada su construcción.

Se dio a conocer a la perfección las ecuaciones básicas que servirán para el diseño de caídas de agua y sifones.

Se han desarrollado ejercicios de diseño de sifón y caídas, en concordancia a las Normas Técnicas Vigentes y la buena práctica de la ingeniería hidráulica comprendiendo a fondo los temas ya mencionados.

Se han desarrollado ejercicios de diseño de sifón y caídas, en concordancia a las Normas Técnicas Vigentes y la buena práctica de la ingeniería hidráulica comprendiendo a fondo los temas ya mencionados.