Cap 7-2 Obras de Conduccion

5/26/2018 Cap 7-2 Obras de Conduccion

1/17

Cap 7- Obras de Conduccin

S.Santos H.

VI I .ESTRUCTURAS H IDRAUL ICAS EN CANALES DECONDUCCION

7.1 ClasificacinLas estructuras que se pueden requerir en los canales de conduccin se clasifican de

acuerdo a su funcin:

Obras de conduccin: cadas, rpidas, cruce de va, sifn invertido, flume. Obras de regul acin:

De Caudales: Partidores o repartidoresDe Niveles: Barrajes / Vertederos laterales

Obras de proteccin: Canal techado, Alcantarilla, Vertedero lateral o vertedor dedemasas

Obras de medicin Af oro:Vertederos: rectangular / triangular / trapezoidal

Aforadores de profundidad crtica: Aforador tipo Parshall, Venturi, Crump .

7.2 Obras de Conduccin

Son obras destinadas a transportar el agua desde una fuente hasta el sitio donde se

produce el aprovechamiento de la misma. El canal en s es una obra de conduccin y las

estructuras que se requieren para salvar desniveles y seguir conduciendo el agua son:

cadas, rpidas, cruce de va, sifn invertido y flume.

Cadas y RpidasLos cadas rpidas en el trazo de canales, son necesarios cuando la pendiente del

terreno es ms pronunciado que la mxima permisible, o hay desniveles naturales en el

terreno. El uso de estas estructuras se debe considerar con cuidado ya que se pierde

bastante energa.

Las cadas son usadas normalmente en desniveles desde 1m hasta 4.5m. Pueden ser cadas

verticales cadas inclinadas (Figs. 7.2.1 y 7.2.2), la energa se disipa en pozas

amortiguadoras.


2/17


S.Santos H.

Fig. 7.2.1 Cada Vertical

Fig. 7.2.2 Cada Inclinada

Las rpidas son usadas en desniveles mayores de 4.5m y cuando el desnivel se efecta en

una distancia larga, la disipacin de energa se lleva a cabo en la parte inclinada y en la

poza amortiguadora. Se puede usar una serie de cadas o una sola rpida la decisin se

toma luego de un estudio econmico de las alternativas.

7.2.1 CadasPartes de una Cada Transicin de entrada

Seccin de Control

Cada

Poza de amortiguacin

Transicin de salida

Cada Vertical sin Obstculos

La napa de cada libre aireada en un vertedero de cada recta invertir su curvatura y

girar suavemente dentro de un flujo supercrtico sobre la losa. Consecuentemente se

puede formar un salto aguas abajo.Basado sobre sus propios datos experimentales y los de Moore, Bakhmeteff yFeodoroff,Rand encontr que la geometra del flujo en vertederos de cada recta, se pueden describir

como funciones del nmero de cada (D), el cual se define como:

Ec 7.2.1

yc:tirante critico

h: altura de la cada.

Las funciones son:

Ecs 7.2.2O.37dD4.30=

h

L 0.22p D1.00y

h

O.4251 D0.54y

h

0.272 1.66Dh

y

3

c

h

y

D


3/17


S.Santos H.

Ld: longitud de la cada, distancia desde el muro de cada a la profundidad yl

yp: profundidad del estanque bajo la napayl: tirante conjugado menor del resalto

y2: tirante conjugado mayor del resalto

Fig. 7.2.3 Cada Vertical

La posicin de la profundidad y1se puede determinar aproximadamente por la lnea rectaABC que une al punto A sobre la losa en la posicin de y1,el punto B sobre el eje de lanapa a la altura de la profundidad del estanque, y el punto Csobre el eje de la napa en lacresta de la cada. El hecho de que estos tres puntos caigan en una lnea recta, fuetambin verificado por experimentos.

Para evitar que en la cmara de aire se produzca vaco (succin), se hacen agujeros en lasparedes laterales o se incrementa el ancho a ambos lados.

Para controlar las filtraciones en la pared vertical se disean drenes (lloraderos).

yp

By2

Yc

Q

y1

Ld L

h

A

C


4/17


S.Santos H.

7.2.2 Rpidas

Las rpidas (chutes) son usadas para

conducir agua desde una elevacin mayor

a una ms baja, cuando el desnivel se

efecta en una distancia larga.

Par tes de una RpidaTransicin de entrada

Seccin de Control

Canal de la rpida

Trayectoria

Poza de amortiguacin

Transicin de salida

Zona de proteccin

Consideraciones de Di seo:

Coef iciente de rugosidad de Manning

Se asumen valores conservadores: para

calcular altura de muros en una rpida de

concreto n = 0.014 y para el clculo de

niveles de energa n = 0.010Fig. 7.2.4 Rpida con formacin de ondas

Transiciones

La parte de la entrada de la estructura transiciona el flujo desde el canal aguas arriba dela estructura hacia el tramo inclinado.

Se disea esta estructura 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, el mximo ngulo de deflexin de la superficie de agua en la transicin de

entrada puede ser aproximadamente 30.

Seccin de ControlSeccin en el punto donde se inicia la rpida y se regula por dos razones:

Prevenir descenso del nivel del agua y por ende prevenir el incremento de erosin

aguas arriba de la seccin de control. Para mantener el nivel del agua, aguas arriba de la seccin de control durante flujos

bajos.

La seccin de control puede ser: una seccin donde se produzca flujo crtico, un vertedero

de cresta ancha sin contraccin , un vertedero de cresta aguda sin contraccin.

El ancho de la seccin de control es usualmente la misma que la del colchn disipador.

La entrada usada deber ser simtrica respecto al eje de la rpida, permitir el paso de lacapacidad total del canal aguas arriba hacia la rpida con el tirante normal de aguasarriba, y donde sea requerido, permitir la evacuacin de las aguas del canal cuando laoperacin de la rpida sea suspendida.

Si las prdidas de carga a travs de la entrada son pequeas se pueden despreciar. De otramanera, las prdidas a travs de la entrada deberan ser calculadas y usadas en ladeterminacin del nivel de energa en el inicio del tramo inclinado.


5/17


S.Santos H.

Fig. 7.2.5 Perfil Longitudinal de una Rpida


6/17

Cap.7 Cadas y Rpidas

S.Santos H .

Tr amo I ncl inado Canal de la Rpida

El tramo inclinado es la seccin comprendida entre la seccin de control y el principio dela trayectoria, puede ser un tubo o una seccin abierta. De acuerdo a la configuracin del

terreno puede tener una o varias pendientes.

La seccin usual para una rpida abierta es rectangular, cuando sea necesarioincrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan dentellones paramantener la estructura dentro de la cimentacin.

Para calcular los tirantes en los diferentes tramos de la rpida, se puede usar el Mtodo deTramos Fijos u otros mtodos que permitan determinar el perfil de flujo.

Para rpidas menores de 9m de longitud, la friccin en la rpida puede ser despreciable.

La altura de los muros en el tramo inclinado de seccin abierta ser igual al mximo

tirante calculado en la seccin, ms un borde libre, a 0.4 veces el tirante critico en eltramo inclinado, ms el borde libre cualquiera que sea mayor. El borde libre mnimorecomendado para tramos inclinados de rpidas en canales abiertos (hasta 2.8 m3/s) es0.30m. El tirante y el borde libre son medidos perpendicularmente al piso del tramoinclinado.

En velocidades mayores que 9 m/seg, el agua puede incrementar su volumen, debido alaire incorporado que est siendo conducido. El borde libre recomendado para los murosresultar de suficiente altura para contener este volumen adicional.


7/17


S. Santos H.

F ig 7.2.6 Rpida con poza disipadora


8/17


S. Santos H.

Diseo de Transiciones

Cuando se requiere realizar un cambio de seccin en un canal es necesario intercalar

una estructura en la cual el cambio se realice en

forma gradual, a fin de:

Reducir perdida de energa Minimizar erosin en canales

Eliminar ondas transversales y otras

turbulencias

Suministrar seguridad para la estructura y

el curso de agua

Si el cambio en profundidades es muy rpido se

produce FRV en forma de ondas estacionarias.

Tipos de Transicin

La forma de transicin puede variar desde muros enlnea recta normales al flujo de agua hasta muy

elaboradas estructuras curvas, los muros en lnea

recta son ptimos para estructuras pequeas.

Las estructuras de transicin de un canal

trapezoidal a uno rectangular pueden agruparse en

tres tipos:

a. Transicin con curvatura simpleb. Transicin de forma cuac. Transiciones con doble curvatura. Fig 7.2.7 Tipos de Transicion

Fig 7.2.8 Transicion de entrada a desarenador

Diseo de Transicin entre canal y canaleta o tnel

Longitud de Transicin

tg

TTL

2

21


9/17


S. Santos H.

: de acuerdo al U. S. Bureau of Reclamation (USBR), se recomienda que el

ngulo mximo, no exceda los 12.5.

T1,T2: anchos de superficie de agua mayor y menor respectivamente

Para disminuir las perdidas conviene no realizar cambios de direccin bruscos y se

procura redondear las esquinas.

Prdidas de energaLas prdidas que se producen en una transicin se debe a la friccin y al cambio de

velocidad, la primera es pequea y la segunda es una funcin de la diferencia entre las

cargas de velocidad.

Transiciones de entr adaV1< V2

Cada en la superficie del agua: y

Prdida por convergencia: hp= Cihv

Transiciones de sali daV

1> V

2

Levantamiento en la superficie del agua:y

Prdida por divergencia: hp= Cohv

Los valores medios de diseo para los coeficientes Ciy Co, se dan en la Tabla 7.2.1

Tabla 7.2.1Coeficientes de entrada y salida en transiciones

Tipo de Transicin

En curva 0.10 0.20

En cuadrante de crculo 0.15 0.25

En lnea recta 0.30 0.50

Extremos cuadrados 0.30+ 0.75Fuente: Hidrulica de Canales de Ven Te Chow

b2b1

y

b1 b2

y

Ci Co


10/17


S. Santos H.

Las transiciones se

pueden ubicar en:

Entrada y salida entre

canales de diferentes

secciones


canal y tnel


canal y sifn invertido

Fig 7.2.9Transiciones de

entrada y salida


11/17


S. Santos H.

Problemas

1. Un canal de seccin rectangular de 2.2m. de ancho que transporta 1.75m 3/s, tiene que salvar un desnivel vertical de 3.5m de alto.a) Disear una cada vertical.b) Calcular la altura delos muros.

2. El sistema mostrado en la figura consta de un canal trapezoidal de concreto donde se desarrolla un flujo uniforme, el canal cambia deseccin trapezoidal a rectangular mediante una transicin la cual conecta a la rpida de seccin rectangular. Sabiendo que Q =2 m3/s,

b1= 1.75m, z1= 0.75, S1= 0.0003, b3=1.2 m, cota1= 1129 msnm, cota6= 1120 msnm y que existe prdida de carga debido a la transicin.

a) Dimensionar la longitud de la transicinb) Calcular la cota de fondo de la seccin 2

c) Se forma Resalto hidrulico?, si se formara determinar los tirantes conjugados del Resalto Hidrulico que se forma aguas abajo dela rpida.

d) Calcular la cota del colchn disipador, de tal modo que se forme un resalto claro en el mismo, considerando que el canal de la

seccin 6 tiene la misma seccin y pendiente que el del primer tramo.

e) Graficar el perfil de flujo4 5 63

Cota 1:1129

S1=0.0003

Cota 2

1=1.75m 3=1.2m

LS3=0.022

6 =1.75m

1 2


12/17


S. Santos H.

7.2.3 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 ro, un

camino, una va de ferrocarril, un dren u otro canal.

Cr iter ios de Diseo

Si el flujo contiene alta cantidad de sedimentos, el sifn requiere de un desarenador

aguas arriba con el conducto de limpia que sirva a la vez de canal lateral en el caso de

que se tenga que cerrar el sifn por medio de una compuerta para poder hacer

reparaciones o mantenimiento.

Pueden utilizarse tubos de concreto armado o de asbesto cemento. Los primeros son

aceptables hasta presiones del orden de 45 m de columna de agua. Para presiones

mayores, se requerira conductos de acero.En la parte ms baja del conducto se coloca un registro de limpieza que permita

evacuar el agua que se queda almacenada en el conducto cuando se para el sifn por

mantenimiento o reparacin.

Las transiciones pueden ser de tierra o de concreto; pero, se requerir transiciones de

concreto en los siguientes casos:

Sifones situados bajo quebradas, vas frreas o carreteras de primer orden

Cuando el dimetro del tubo requerido sea mayor a 36 pulgadas.

Cuando la velocidad en el tubo exceda 1 m/s


13/17


S. Santos H.

Para asimilar cualquier efecto de remanso que pudiera producirse antes de la entrada

al tubo, se requiere incrementar el margen libre del canal en los 15 m previos a la

entrada al sifn.

Las velocidades de flujo en el sifn normalmente fluctan entre 1.5 m/s < V< 3m/s, con

el fin de prevenir la sedimentacin y bloqueo del sifn. Para establecer el dimetro delsifn, se recomienda tomar en cuenta las siguientes pautas:

V no mayor a 1m/s en sifones cortos con transiciones de tierra

V no mayor a 1.5 m/s en sifones cortos con transiciones de concreto

V no mayor a 3 m/s en sifones largos con transiciones de concreto

El sifn trabaja a presin, por lo tanto debe estar ahogado a

la entrada y a la salida.

, 10% ahogamiento < 50%

A la entrada el borde superior del sifn debe estar ahogado

con un mnimo de 0.15m. de 1.5hv (perdida de carga a la

entrada). Esto minimiza la posible reduccin en capacidad

del sifn por ingreso de aire. Se debe colocar rejas a la

entrada para evitar que ingresen materiales flotantes por

accidente personas animales. Se debe limpiar

peridicamente las rejas para evitar perdida de carga.

Fig 7.2.10 Ingreso Sifn Chaman

Canal Talambo Zaa P.E Gallito Ciego

Prdidas de carga en el Sifn

El sifn funciona por diferencia de energa, la cual debe absorber todas las prdidas en

el sifn (HT). Tentsal HEE

Por lo general se debe verificar que la prdida total calculada, se incremente en 10%

por razones de seguridad:

E 1.1HT
http://www.inade.gob.pe/doc/proyectos/memoria_2002/img/jequetepeque.jpg


14/17


S. Santos H.

Como las singularidades causan efectos hacia aguas arriba se empieza el clculo desde

aguas bajo sea desde el tirante normal del canal de salida. En el ejemplo sera de la

siguiente forma:

T

T

Hzg

v

yzg

v

y

HEE

1

2

1

16

2

6

6

16

22

Las prdidas de carga HT, en el sifn es la sumatoria de:

h 6-5: prdidas por transicin de entrada

h 5-4: por cambio de seccin (Borda-Carnot)

h 5: por rejilla (USBR)

h m: en rganos de control: codos, vlvula de limpieza,.. hm= K hvp

h 3-2: por cambio de seccin

h 2-1: por transicin de salida

h f: por friccin

Perdidas de carga por transiciones de entrada y salida

Se tomara en cuenta los siguientes coeficientes:

Tabla 7.2.2- Coefi cientes para Transicin en Sif ones

Transicin EntradaCi

SalidaCo

De concreto 0.4 0.7

De tierra 0.5 1.0

Perdidas de carga por rej i l lasLas prdidas de carga en las rejillas se deben a que estas producen perdidas por:

obstruccin, contraccin de la entrada y resistencias producidas por el rozamiento del

agua. La frmula de CREAGER nos da un buen criterio para evaluarla.

g

ningn

g

n

g

nt

ntr

e

eVV

a

a

a

aK

g

VKh

22

45.045.12

Kt: coeficiente de prdida en la rejilla

an: rea neta a travs de la rejilla


15/17


S. Santos H.

ag: rea bruta de las rejillas y sus soportes

Vn: velocidad a travs del rea de la rejilla

Ving: velocidad de ingreso

en: espacio neto a travs de la rejilla

eg: espacio bruto de las rejillas y sus soportes

Perdidas de carga por entr ada al conducto

Vs: velocidad en el conducto del sifn

Ke: coeficiente que depende de la forma de entrada al conducto

Tabla 7.2.3- Coefi cientes a la entrada del conducto

Forma de entr ada KeCompuerta en pared delgada- contraccin suprimida

en los lados y en el fondo

1.0

Entrada con arista en ngulo recto 0.5

Entrada con arista ligeramente redondeada 0.23

Entrada con arista completamente redondeada 0.10

Entrada abocinada circular 0.0004

Perdidas por f r iccin en el conducto

g

V

D

Lfh

LR

VnLSh

f

h

ef

2

2

2

32

L: longitud total del conducto Rh= D/4

Perdidas por cambio de dir eccin o codos

: ngulo de deflexin

kc: coeficiente para codos comunes =0.25

Perdidas de carga por salida del conducto

gVVh css

2

22

Vs: velocidad en el conducto del sifn

Vc: velocidad aproximada en la caja

En forma prctica: hs= 2he

g

VKh see

2

2

g

Vkchc

290

2


16/17


S. Santos H.

Tabla 7.2.4Seleccin de Dimetro de tuberas

Transicin

de tierra

Vmx = 1.06m/s

Transicin de

concreto

Vmx = 1.52m/sTuberas

Caudal(m

3/s)

Caudal(m

3/s)

Dimetro(pulg)

Dimetro(cm)

Area(m

2)

0-0.076 0 0.110 12 30.48 0.073

0.077 - 0.112 0.111- 0.173 15 38.10 0.114

0.123 - 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

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 69 178.26 2.412

2.575 - 2.803 72 182.88 2.626

Fuente: Diseo de Estructuras Hidrulicas- M. Villn


17/17


S. Santos H.

Problema

Un canal trapezoidal de ancho de solera 1m, z=1, n=0.025, est trazado con una

pendiente de 0.5 o/oo y conduce un caudal de 1 m3/s.

En cierto tramo de su perfil longitudinal, se tiene que construir un sifn invertido.

Realizar el diseo hidrulico de esta estructura, considerando la suma del coeficientede todas las perdidas menores como K=3 y la longitud del sifn = 80m.

13 2

65 4 80.3

Cap 7-2 Obras de Conduccion

Documents

Transcript of Cap 7-2 Obras de Conduccion