UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO
MANUAL DE CAIDAS VERTICALES E INCLINADAS Criterios Hidráulicos y Estructurale Estructuraless Ing Carlos E. Arteta Ar teta Valderrama
FACTULTA DE INGENIERIA AGRICOLA
TABLA DE CONTENIDO 1.
INTRODUCCION INTRODUCCI ON ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... .................. 0
2.
CONCEPTO Y FINALIDAD ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ..................... .... 0
3.
DISEÑO DE CAIDAS VERTICALES VERTICALE S ................................. ................ .................................. ................................... .................................... .............................. ............ 1 3.1.
3.1.1. 3.1.1 .
Características Caracterí sticas de la caída vertical ................................. ................ ................................... ................................... ........................... .......... 2
3.1.2. 3.1.2 .
Criterios de diseño de una caída ................................. ................ ................................... ................................... .............................. ............. 2
3.2.
Consideraciones Considera ciones de diseño .................................. ................ ................................... ................................... .................................... ..................... ... 3
3.2.2. 3.2.2 .
Procedimiento Procedimi ento de diseño ................................. ............... ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 3
Caída Vertical Tipo SAF con obstáculos obstáculo s.................................. ................. ................................... ................................... ........................... .......... 4
3.3.1. 3.3.1 .
Consideraciones Considera ciones aplicativas aplicativ as ................................... ................. ................................... .................................. ................................... .................... 5
3.3.2. 3.3.2 .
Procedimiento Procedimi ento de diseño ................................. ............... ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 5
DISEÑO DE CAIDAS INCLINADAS ................................... ................. ................................... ................................... .................................... ........................... ......... 6 4.1.
5.
Caída Vertical Tipo SAF sin obstáculos obstác ulos ................................... .................. ................................... ................................... ........................... .......... 3
3.2.1. 3.2.1 .
3.3.
4.
Elementos Elemento s de la caída........................... caída......... ................................... ................................... ................................... .................................. ........................... .......... 1
Consideraciones Considera ciones de diseño caída inclinada .................................. ................. ................................... ................................... ..................... .... 7
4.1.1. 4.1.1 .
Tramo inclinado ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ..................... .... 7
4.1.2. 4.1.2 .
Poza de disipación ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................. ............... 7
EJEMPLOS EJEMPLO S Y APLICACIONES APLICACI ONES.................................. ................. ................................... ................................... ................................... .................................. ................ 10 Ejemplo 1. .................................................................................................................................. 10 Ejemplo 2. .................................................................................................................................. 13
A la razón de mi vida, mi hijo Eduardo quién es fuente de mi inspiración, gracias por tu comprensión aún cuan pequeño valoras mi esfuerzo ya que muchas horas estoy ausente y dedico horas en mi labor profesional. Al ser que me dio la vida, Elba. Carlos Eduardo
El agua es tan noble para quién se acerca a ella con humildad y deseo sincero de conocer su comportamiento, como traicionera para el incauto que, con poca experiencia y visión estrecha, quiere conocerla Enzo Levi
MANUAL DE CAIDAS 1.
INTRODUCCION La literatura referente a las obras de disipación es vasta y dispersa en un sin número de documentos, por lo que es necesario disponer de un documento que agrupe toda esta información, que es lo que pretende este documento para que el ingeniero disponga de un manual como el que pretende desarrollar el presente trabajo sujeta a mejoras. Las estructuras de disipación de energía, desarrolladas en el presente manual consideran los principales parámetros y condiciones de diseño, especialmente desarrollados con estructuras que actualmente se diseñan y se utilizan con fines de riego, agua, hidroeléctricos y otros desarrollados en nuestra región, presentadas de una manera fácil y aplicabilidad del contenido. El presente manual pretende orientar técnicamente a las personas y futuros ingenieros agrícolas, cuya objetivo profesional creemos es mejorar la eficiencia de los proyectos de riego en nuestra región en especial. Los aspectos tratados en este Manual de Diseño para Caídas, se basan en gran parte la práctica y experiencia adquirida profesionalmente en el Programa Regional de Riego y Drenaje, y otras instituciones que me brindaron la oportunidad de desempeñarme profesionalmente.
2.
CONCEPTO Y FINALIDAD 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 (muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas ocasionan), permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo. La finalidad de estructura hidráulica 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. Las caídas funcionan bien cuando la relación entre el tramo horizontal y el vertical es mayor de 5 a 1. Cuando las condiciones del terreno no permiten diseñar el escalón con esta relación entonces se puede bajar la relación hasta 3 a 1, pero deberán incluirse pantallas que reciban el chorro de agua y no permitan que se dispare, como se muestra en la figura.
El objetivo de esta estructura es fundamentalmente la de desviar el flujo de un canal de mayor capacidad a un canal más pequeño, que es alimentado en su sección inicial, por obras de toma que están provistas de compuertas y sus mecanismos de izaje que se alojarán en los puentes de maniobra. Esta estructura por lo general consta de las siguientes partes: de una entrada, de un conducto para conducir el agua y cuando sea necesario de una transición de salida.
3.
DISEÑO DE CAIDAS VERTICALES 3.1.
Elementos de la caída
En el diseño de una caída, se pueden distinguir los siguientes elementos: 1.0 Transición de entrada: une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. 2.0 Caída en sí: la cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada. 3.0 Sección de control: es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones críticas. La sección de control tiene por finalidad, mantener el flujo aguas arriba en régimen tranquilo, de manera que es en la misma sección de control donde ocurre el cambio de régimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad crítica. La sección de control consiste en una variación de la sección del canal en el punto donde se inicia la caída o 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.
4.0 Poza o colchón amortiguador: es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída. 5.0 Transición de salida: une la poza de disipación con el canal aguas abajo.
3.1.1.
Características de la caída vertical El problema radica en controlar o evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura, producido por extracción de aíre de la cámara al caer la lámina vertiente de agua. Se propone la siguiente solución para facilitar la aireación Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/s – m, de ancho de la caída
Donde:
3.1.2.
qa Y qw
: : :
Suministro de aire por metro de ancho de cresta Tirante normal aguas arriba de la caída Máxima descarga unitaria sobre la caída
Criterios de diseño de una caída
Numero 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 lámina 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.
3.2.
Caída Vertical Tipo SAF sin obstáculos El tipo de caída vertical a exponer es el desarrollado en el Laboratorio de Hidráulica de Saint Anthony Fall (SAF), Servicio de Investigación Agrícola de la Universidad de Minesota; sustentado en la bibliografía correspondiente, se ha limitado su uso a alturas hasta 1.00 m. como máximo.
3.2.1.
Consideraciones de diseño
3.2.2.
Procedimiento de diseño 1.
Cálculo del ancho de la caída
⁄
Ecuación N° 1 Ecuación N° 2
Donde H es la altura de la energía total en el canal aguas arriba de la caída 2.
Diseño de la transición a la entrada
3.
Ecuación N° 3
Dimensiones de la caída, Cálculo de los Elementos Hidráulicos y Geométricos de la Poza Disipadora
Número de Caída D
Ecuación N° 4
Si z
:
i.
Altura de la caída o desnivel
Longitud al pie de caída hasta el punto de impacto (Ld)
ii.
Ecuación N° 5
Altura del depósito de agua (Y P)
iii.
Ecuación N° 6
Profundidad inicial del resalto hidráulico
iv.
Ecuación N° 7
Profundidad final del resalto hidráulico
v.
Ecuación N° 8
Longitud cubierta por el resalto hidráulico
( ) vi.
Ecuación N° 9
Altura del umbral n
4.
Ecuación N° 10
Verificación de los niveles de energía
Ecuación N° 11 Ecuación N° 12
H2 ≤H3 5.
Borde libre de la poza de disipación
( ) 6.
Ecuación N° 13
Ventilación bajo la lámina vertiente
Consiste en determinar el máximo Ø de los agujeros de ventilación, mediante la siguiente relación:
Donde:
3.3.
qa :
Caudal unitario de la caída
qw :
Suministro de aire por metro de ancho de cresta
y :
Tirante normal aguas arriba de la caída m del canal
yp :
Altura de la depósito de agua
Caída Vertical Tipo SAF con obstáculos Este tipo de caída vertical también ha sido desarrollado en el Laboratorio de Hidráulica de Saint Anthony Fall (SAF), Servicio de Investigación Agrícola de la
Universidad de Minesota; este tipo de caída se mejor a las fluctuaciones considerables del nivel del agua en el canal de salida
3.3.1.
Consideraciones aplicativas
1.
Aplicables a alturas comprendidas entre 1.0 (ho/Yc) a 15 (ho/Yc), y a anchuras de cresta W superiores a 1.5 Yc, Donde ho es la distancia vertical entre la cresta y el piso de la poza de disipación 2. La condición del flujo de agua tanto en el ingreso como en la salida debe ser subcrítica; lográndose unir intervalos o uniones de tramos de canal con pendiente suave con una de gran pendiente, de manera que no se desarrollen flujos supercríticos. 3. El uso de la transición entre el canal de ingreso y el ancho de la caída en la cresta si este es diferente al primero. 4. La estructura es efectiva para caídas que no excedan los 5 m, y si es que existe suficiente tirante en el canal de salida 5. La sumergencia máxima permisible (s), es decir, la altura del agua del canal de salida por encima de la cresta de la caída, no debe exceder a 0.7*Yc. 6. Para flujos cercanos al estado crítico, es conveniente prever un sardinel transversal que sobre salga del fondo del canal, con la finalidad de producir una contracción de fondo de chorro vertiente, de modo que se mejoren las condiciones de aireación en la parte inferior del mismo El calculo del vertedero, es partiendo del cálculo del Ancho del mismo.
3.3.2. 1º
Procedimiento de diseño Calcular el ancho de la cresta haciendo uso de la ecuación de Weisbach
⁄
Ecuación N° 14
Q
:
Caudal (m3/s)
:
0.55
H
:
Carga de agua por encima de la cresta del vertedero y aguas arriba de la misma (m)
W
:
Ancho de la cresta vertedora (m)
Obtenido el valor de W, aumentar el 10%, si existieran contracciones lateral0es 2º 3º
Calcular el Yc Calcular el tirante mínimo sobre el piso de la poza de disipación controlará el salto hidráulico
4º 5º
Ecuación N° 15
Calcular el tirante de agua y4, del canal de salida Determinar la cota de piso de la poza, si la cota A y B son datos conocidos en base a la información topográfica
Ecuación N° 16 Ecuación N° 17
Siendo el desnivel del piso de la poza con relación al piso del canal de salida será:
6º
Ecuación N° 18
Determinar la altura total de la caída (ho)
Ecuación N° 19
Calcular el valor de (ho /Yc) 7º
Calcular h2, según:
Ecuación N° 20
Y luego el valor de h2/yc 8º
Calculo de L1, a partir del Gráfico N° 1, nótese que los valores relativos de h2/yc representan la condición de que el nivel del agua en la poza esta por debajo de la cresta y por lo tanto no hay sumergencia; los valores positivos representan la condición de que el nivel de agua en la poza sobrepasa la cresta es decir hay sumergencia, el mismo que no debe ser superior a 0.7*yc
9º
Calculo de L2
10º
Calculo de L3
11º
14º
4.
Ecuación N° 24 Ecuación N° 25 Ecuación N° 26
Considerar el uso de él o los sardineles transversales longitudinales, los cuales deben pasar a través de los bloques y no entre estos, debiendo ser construidos con fines estructurales en caso de anchos considerables y no produciendo beneficio ni perjuicio desde el punto de vista hidráulico Calcular la altura del borde libre (b) por encima del nivel de agua del canal de salida
15º
Ecuación N° 23
Cálculo de los bloques y sardinel transversal
13º
Ecuación N° 22
Largo total de la poza Lt
12º
Ecuación N° 21
Ecuación N° 27
Proveer muro de ala a 45° con respecto a la longitudinal
DISEÑO DE CAIDAS INCLINADAS
Se consideran las siguientes limitaciones:
La pendiente del tramo inclinado será mayor a 1 :3, preferentemente Z = 1.5, La longitud del tramo inclinado como máximo 13.5 m La altura máxima de 4.5 m
Los elementos principales son
La transición aguas arriba,
La entrada El tramo inclinado La poza de disipación La salida La transición aguas abajo la salida 4.1.
Consideraciones de diseño caída inclinada
4.1.1.
Tramo inclinado
Preferentemente se propone de sección rectangular, de ancho igual al de sección de entrada, y poza de disipación, la altura de las paredes laterales se puede calcular en base al tirante crítico en la entrada con un borde libre de 0.30 para caudales menores de 3.00 m3/s. La pendiente máxima del tramo puede ser de 1:1.5 y mínima de 1:3, pero por lo general se de 1:2.
4.1.2.
Poza de disipación
Se controlará mediante el análisis de resalto hidráulico, el mismo que será contenido dentro de la poza, a continuación se resume el procedimiento de cálculo para la determinación de las características hidráulicas de este fenómeno hidráulico. Se analizaran dos procedimientos, para la determinación de los tirantes conjugados; el primero1 basado en la relación entre las pérdidas de energía, el tirante crítico y los tirantes conjugados, antes y después del resalto, el mismo que solamente es aplicable a una altura de 4.5 m.; el segundo mediante un balance de energía.
1
Ver publicación Desing of Small Canal Structures
H A Hvn H
yne
C A
HC Hv2
Hv3
Hv 1 y3 y2 y1 Transición de entrada
I.
Caída inclinada
CB Longitud de poza de disipación
CC P Rampa
Transición de salida
Determinación de los tirantes conjugados a partir de:
Donde: H
:
Diferencia entre los niveles de energía antes y después de la caída (m)
HA
:
Nivel de energía en el canal de ingreso a la caída (m)
HC
:
Nivel de energía aguas arriba de la poza de disipación, (m)
Si:
, , , Obtenidos H y YC, se puede hacer uso de la Tabla 1, y obtener los valores de los tirantes conjugados. Tabla I
:
Relación de Pérdida de Energía, Tirante Crítico y Tirantes antes y después del Salto, para Resaltos Hidráulicos en Canales Rectangulares respecto a un Plano de Referencia
H/dc
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
0
1.00
1.000
2.07
0.680
2.48
0.614
2.81
0.572
3.09
0.541
3.35
0.516
3.60
0.494
3.82
0.477
4.04
0.461
4.24
0.448
1
4.44
0.436
4.64
0.425
4.82
0.415
5.00
0.405
5.18
0.397
5.36
0.389
5.53
0.381
5.69
0.375
5.86
0.368
6.02
0.362
2
6.18
0.356
6.33
0.351
6.49
0.345
6.64
0.340
6.79
0.336
6.94
0.331
7.09
0.327
7.23
0.323
7.38
0.319
7.52
0.315
3
7.66
0.311
7.80
0.308
7.94
0.304
8.07
0.301
8.21
0.298
8.34
0.295
8.48
0.292
8.61
0.289
8.74
0.286
8.87
0.284
4
9.00
0.281
9.13
0.278
9.26
0.276
9.39
0.274
9.51
0.271
9.64
0.269
9.76
0.267
9.89
0.265
10.01
0.263
10.13
0.261
5
10.25
0.259
10.38
0.257
10.50
0.255
10.62
0.253
10.73
0.251
10.85
0.250
10.97
0.248
11.09
0.246
11.21
0.244
11.32
0.243
6
11.44
0.241
11.55
0.240
11.67
0.238
11.78
0.237
11.90
0.235
12.01
0.234
12.12
0.233
12.24
0.231
12.35
0.230
12.46
0.228
7
12.57
0.227
12.68
0.226
12.79
0.225
12.90
0.223
13.01
0.222
13.12
0.221
13.23
0.220
13.31
0.219
13.45
0.218
13.56
0.216
8
13.66
0.215
13.77
0.214
13.88
0.213
13.98
0.212
14.09
0.211
14.19
0.210
14.30
0.209
14.41
0.208
14.51
0.207
14.61
0.206
9
14.72
0.205
14.82
0.204
14.93
0.203
15.03
0.202
15.13
0.202
15.23
0.201
15.34
0.200
15.44
0.199
15.54
0.198
15.64
0.197
10
15.74
0.197
15.84
0.196
15.95
0.195
16.05
0.194
16.15
0.193
16.25
0.193
16.35
0.192
16.45
0.191
16.54
0.191
16.64
0.190
11
16.74
0.189
16.84
0.188
16.94
0.187
17.04
0.187
17.13
0.186
17.23
0.185
17.33
0.185
17.43
0.184
17.52
0.183
17.62
0.183
12
17.72
0.182
17.81
0.181
17.91
0.181
18.01
0.180
18.10
0.180
18.20
0.179
18.29
0.178
18.39
0.178
18.48
0.177
18.58
0.176
13
18.67
0.176
18.77
0.175
18.80
0.175
18.95
0.174
19.05
0.174
19.14
0.173
19.24
0.173
19.33
0.172
19.42
0.171
19.52
0.171
14
19.61
0.170
19.70
0.170
19.79
0.169
19.89
0.169
19.98
0.168
20.07
0.168
20.16
0.167
20.25
0.167
20.34
0.166
20.44
0.166
15
20.53
0.165
20.62
0.165
20.71
0.164
20.80
0.164
20.89
0.164
20.98
0.163
21.07
0.163
21.16
0.162
21.25
0.162
21.34
0.161
16
21.43
0.161
21.52
0.160
21.61
0.160
21.70
0.160
21.79
0.159
21.88
0.159
21.97
0.158
22.05
0.158
22.14
0.157
22.23
0.157
17
22.32
0.157
22.41
0.156
22.50
0.156
22.58
0.155
22.67
0.155
22.76
0.155
22.85
0.154
22.93
0.154
23.02
0.154
23.11
0.153
18
23.19
0.153
23.28
0.152
23.37
0.152
23.45
0.152
23.54
0.151
23.63
0.151
23.71
0.151
23.80
0.150
23.89
0.150
23.97
0.150
19
24.06
0.149
24.14
0.149
24.23
0.148
24.31
0.148
24.40
0.148
24.49
0.147
24.57
0.147
24.66
0.147
24.74
0.146
24.83
0.146
20
24.91
0.146
24.99
0.145
25.08
0.145
25.16
0.145
25.25
0.145
25.33
0.144
25.42
0.144
25.50
0.144
25.58
0.143
25.67
0.143
21
25.75
0.143
25.83
0.142
25.92
0.142
26.00
0.142
26.08
0.141
26.17
0.141
26.25
0.141
26.33
0.141
26.42
0.140
26.50
0.140
22
26.58
0.140
26.66
0.139
26.75
0.139
26.83
0.139
26.91
0.139
26.99
0.138
27.08
0.138
27.16
0.138
27.24
0.138
27.32
0.137
23
27.40
0.137
27.48
0.137
27.57
0.136
27.65
0.136
27.73
0.136
27.81
0.136
27.89
0.135
27.97
0.135
28.05
0.135
28.13
0.135
24
28.22
0.134
28.30
0.134
28.38
0.134
28.46
0.134
28.54
0.133
28.62
0.133
28.70
0.133
28.78
0.133
28.86
0.132
28.94
0.132
25
29.02
0.132
29.10
0.132
29.18
0.131
29.26
0.131
29.34
0.131
29.42
0.131
29.50
0.131
29.58
0.130
29.66
0.130
29.74
0.130
26
29.82
0.130
29.89
0.129
29.97
0.129
30.05
0.129
30.13
0.129
30.21
0.128
30.29
0.128
30.37
0.128
30.45
0.128
30.52
0.128
27
30.60
0.127
30.68
0.127
30.76
0.127
30.84
0.127
30.92
0.127
31.00
0.126
31.07
0.126
31.15
0.126
32.23
0.126
31.31
0.126
28
31.38
0.125
31.46
0.125
31.54
0.125
31.62
0.125
31.69
0.125
31.77
0.124
31.85
0.124
31.93
0.124
32.00
0.124
32.08
0.124
29
32.16
0.123
32.23
0.123
32.31
0.123
32.39
0.123
32.46
0.123
32.54
0.122
32.62
0.122
32.69
0.122
32.77
0.122
32.85
0.122
30
32.92
0.121
33.00
0.121
33.08
0.121
33.15
0.121
33.23
0.121
33.31
0.121
33.38
0.120
33.46
0.120
33.53
0.120
33.61
0.120
31
33.68
0.120
33.76
0.119
33.84
0.119
33.91
0.119
33.99
0.119
34.06
0.119
34.14
0.119
34.21
0.118
34.29
0.118
34.36
0.118
32
34.44
0.118
34.51
0.118
34.59
0.118
34.66
0.117
34.74
0.117
34.81
0.117
34.89
0.117
34.96
0.117
35.04
0.117
35.11
0.116
33
35.19
0.116
35.26
0.116
35.34
0.116
36.41
0.116
35.49
0.116
35.56
0.115
35.63
0.115
35.71
0.115
35.78
0.115
35.86
0.115
34
35.93
0.115
36.00
0.115
36.08
0.114
36.15
0.114
36.23
0.114
36.30
0.114
36.37
0.114
36.45
0.114
36.52
0.113
36.59
0.113
35
36.67
0.113
36.74
0.113
36.81
0.113
36.89
0.113
36.96
0.112
37.03
0.112
37.11
0.112
37.18
0.112
37.25
0.112
37.33
0.112
36
37.40
0.112
37.47
0.112
37.55
0.111
37.62
0.111
37.69
0.111
37.76
0.111
37.84
0.111
37.91
0.111
37.98
0.111
38.05
0.110
37
38.13
0.110
38.20
0.110
38.27
0.110
38.34
0.110
38.42
0.110
38.49
0.110
38.56
0.109
38.63
0.109
38.70
0.109
38.78
0.109
H/dc
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
38
38.85
0.109
38.92
0.109
38.99
0.109
39.06
0.109
39.14
0.108
39.21
0.108
39
39.56
0.108
39.64
0.107
39.71
0.107
39.78
0.107
39.85
0.107
39.92
40
40.28
0.106
40.35
0.106
40.42
0.106
40.49
0.106
40.56
0.106
40.63
II.
d1/dc
d2/d1
0.7
0.8 d1/dc
d2/d1
0.9
d1/dc
d2/d1
d1/dc
d2/d1
39.28
0.108
39.35
0.108
39.42
0.108
39.49
0.108
0.107
39.99
0.107
10.06
0.107
40.14
0.107
40.21
0.106
0.106
40.70
0.106
40.77
0.105
40.84
0.105
40.91
0.105
Número de Froude
Se calcula mediante las siguientes ecuaciones
√ Es necesario mencionar que la disipación de la energía hidráulica en la poza es mejor si F está comprendido entre 4.5 a 15, el número de Froude se puede aumentar si también se incrementa el ancho de la poza y con esto el del tramo inclinado. III.
Selección del tipo de la poza de disipación POZA TIPO I
:
La poza posee bloques al pie del canal de descarga (ingreso), aplicable para F entre 2,5 y 4,5.
POZA TIPO II
:
La poza posee además de los bloques de descarga, bloques amortiguadores en la poza, F>4,5 y Ve<15.00 m/s.
POZA TIPO III
:
La poza posee además de los bloques del TIPO I, el umbral de salida dentado, F>4,5 y Ve>15.00 m/s.
IV.
Verificación de los niveles de energía
Se tiene que asegurar que el resalto hidráulico sea contenido en la poza de disipación, para esto se tiene que verificar los niveles de energía H 2 del resalto hidráulico correspondiente al tirante y2, el mismo que será menor o igual al nivel de energía H 3, es decir en el canal aguas abajo de la caída inclinada, de no conseguir se profundizará la poza de disipación hasta conseguir la condición.
, , V.
Borde libre de la poza de disipación
( )
,
5.
EJEMPLOS Y APLICACIONES Ejemplo 1.
Se tiene un canal de sección trapezoidal con las siguientes características hidráulicas y geométricas aguas arriba: Q Bc
: :
3.00 m/s 2.00 m
d1/dc
S N Z EA Ec
: : : : :
0.0002 0.025 2 46.50 msnm 45.50 msnm
Solución: i.
Características hidráulicas del canal
3
Q :
3 m / s
B :
2 m
S :
0.0002
n: z :
yne
Tirante ingreso
Tirante salida
3
Q :
3 m / s
B :
2 m
S :
0.0002
0.025
n:
0.025
2
z :
2
yns
1.34 m
1.3363 m
A
6.244 m²
A
6.244 m²
P
7.976 m
P
7.976 m
f(yn) T
0.00000
f(yn)
7.3450 m
0.00010
T
7.3450 m
V0
0.48 m/s
V0
0.4805 m/s
F
0.17
F
0.1664
hcanal
1.600 m
hcanal
1.350 m
hvi =
0.0117
hvn=
0.0118 m/s
E A =
1.3480 m
E3 =
1.3480 m
BL
ii.
0.26 m
Altura de caida Hc
1.00 m
BL
Ancho de la caída
2.1
haciendo uso de la ecuación 1, donde se obtiene B = 2.48, el valor asumido es de B: 2.50 m.
2.2
Para calcular la altura de la caída Hc (z ), debe conocerse la elevación de B, que es el piso de la poza de disipación, tomando en primera instancia la elevación de EC que es el canal aguas abajo del canal, el mismo que se verificará mediante un balance de energías
2.3
El caudal unitario es q = 3.00 / 2.50 = 1.20 m3/s - m
2.4
Tirante crítico Yc = 0.53 m
2.5
Número de la caída D:
iii.
m
Características de la poza de disipación:
i) Longitud al pie d e caida hasta el punto de imp acto
Ld =
2.55 m
ii) Altura del dep osito de agua
yP =
0.65 m
iii) Resalto
y1 =
0.24 m
V1 =
5.02 m/s
F1 =
3.28
y2 =
0.99 m
V2 =
1.21 m/s
F2 =
0.3894225
iv) longit ud cubierta por el resalto hidráulico
LJ =
5.18 m
v) Altura del umbral terminal
n=
0.16 m
vi) Longitud total de la poza
LTOTAL =
7.73 m
tirante conjugado menor
tirante conjugado mayor
iv.
Verificación de los niveles de energía:
Para asegurar que el resalto hidráulico esté contenido dentro de la poza de disipación, se verificará si el nivel de energía H2 del resalto hidráulico (flujo sub crítico), es menor o igual al nivel de energía H3, o sea en el canal aguas abajo de la caída. H2 ≤ H3 EB + y2 + hvn2 ≤ = EC + y3 + hvn3 Reemplazando se tiene que 46.56 ≤ 46.86
v. vi.
Longitud de la sección antes de la caída Li = 3.5*yc = 1.85 m Comprobación si el chorro cae en la poza de disipación:
Considerando altura de disipación P = 0.40 Hc = 0.40+1.00 = 1.40 m
L = 2*1.22 = 2.44 P = 2.44 / 6 =0.41, que es el valor aproximado al tomado
Se tiene un canal de sección transversal cuyas características hidráulicas son: Canal de ingreso Q Bc S N Z EA
: : : : : :
2.00 m3/s 1.00 m 0.001 0.015 1 96.50 msnm
Q B S n Z Ec
: : : : : :
2.00 m3/s 1.00 m 0.0007 0.015 1 95.50 msnm
Yn
:
0.85
yn :
0.935 m
Ejemplo 2.
Diseño de caída vertical sin obstáculos Solución: q= 1.48^3/2 q=1.33 m3/s-m B = 1.50 Yc = 0.56 m D = 0.18 Ld = 2.7 m Yp = 0.69 Y1 = 0.26 m Y2 = 1.05 m Lj = 5.5 m Lt = 8.2 Resalte o grada 0.935/6 = 0.16 es decir 0.20 Longitud antes de la caída 3.5*yc = 1.96 = 2.00 m Ejemplo 3.
Se desea trazar un canal de conducción cuya capacidad máxima es de 1.62 m3/s, de sección trapezoidal con características geométricas e hidráulicas siguientes: Z
:
1
B
:
1.0 m
H
:
0.75 m
S
:
0.007
Yn
:
0.60 m
Bl
:
0.15 m
El canal necesita salvar un desnivel de 1.40 m Cota EA :
101.40 msnm
Cota EB :
100.00 msnm
Solución: 1)
Cálculo de las características hidráulicas y geométricas del canal,
D I S E ÑO H ID R A U L I C O D E C A N A L E S Datos :
Calculos
Q= B= Z= n= S
Ynormal = Area = Perimetro = f(yn) =
1.620 m³/s
Tirante
1.00 m 1.0000 0.0250
0.601 m 0.963 m² 2.701 m -0.00010
0.0070
Resultados:
Tirante Área hidráulica Perímetro mojado Radio Hidráulico Espejo de Agua Velocidad El Número de Froude Energía específica Borde libre Altura de canal Altura de canal asumido
0.601 m 0.963 2.701 m 0.357 m 2.203 m 1.683 0.813
,siendo el flujo : subcrítico
0.746 m-Kg/Kg 0.149 m 0.750 m 0.750 m
Tirante crítico
Q=
YCRITICO
1.620 m³/s
Tirante critico Area
B=
1.00 m
Z=
1.0000
Espejo
n=
0.0250
f(yn)
S
0.0070
0.535 m 0.821 m² 2.070 m -0.00009
Resultados:
Tirante Área hidráulica Perímetro mojado Radio Hidráulico Espejo de Agua Velocidad El Número de Froude Energía específica hv1 =
0.535 m 0.821 2.070 m 0.397 m 2.070 m 1.973 1.000 ,siendo el flujo : subcrítico 0.733 m-Kg/Kg 0.198 m
El tirante crítico se producirá a una distancia aproximada a 3 - 4 veces el Yc aguas arriba de la cresta, pero conservadoramente y para fines prácticos podemos utilizar el Yc del canal, sin que haya diferencia significativa entre los valores, para el cálculo de L1. Entonces Yc = 0.53 m, en el canal 2)
Ancho de la caída B
⁄, donde: H es el tirante de ingreso, = 0.55 y despejando B y reemplazando valores se tiene:
⁄ √ , Aumentando un 10%, se tiene 2.36, por motivos constructivos se tomará B = 2.40 m 3) 4)
El tirante crítico es: 0.54 m Tirante mínimo para controlar el salto hidráulico Y 3
Y3 = 2.15*YC = 2.15 * 0.54 = 1.16 m 5)
Cálculo de la cota de fondo ED
Cota EC = Cota EB + Y4 = 100.00 + 0.60
=
100.60 msnm
Cota ED = Cota EC – Y3 = 100.60 – 1.16
=
99.440 msnm
Desnivel al piso del canal P = Cota EB – Cota ED = 100.00 – 99.440 = 0.56 m 6)
Cálculo de la Altura de la caída
z = Cota EA – ED = 101.40 – 99.44 = 1.96 m,
Número de la caída D Si q = 0.675 m3/s - m
Y = (101.40+0.60)-(100.00+0.60) = 1.40 m, entonces
7)
Longitud entre la caída del chorro y el obstáculo L2
L2 = 0.8*Yc = 0.8*0.54 = 0.43 m 8)
Longitud entre el obstáculo y el empalme del canal L 3
L3 = 1.75*Yc = 1.75 *0.54 = 0.95m 9)
Longitud total de la poza de disipación LT
LT = Ld + L2 + L3 = 2.13 + 0.43 + 0.95 = 3.51 m 10)
Tirante de salida Y 4
Y4 = 0.60 m
Y/Y = 2.33
