Cap.6

Estructuras Hidrulicas en Canales

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VI. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS EN CANALES

DE CONDUCCION

6.1 Clasificacin Las estructuras que se pueden requerir en los canales de conduccin se clasifican de

acuerdo a su funcin:

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.

Cadas, Rpidas, Cruce de Va, Sifn Invertido, Flume.

Obras de regulacin y de medicin Aforo:

Obras de regulacin, son obras destinadas a regular el caudal o el nivel del agua en

un canal.

Regulacin de Caudales: Partidores o repartidores, Vertederos, Compuertas

Regulacin de Niveles: Barrajes, Vertederos, Compuertas

Obras de Medicin de caudales:

Vertederos: rectangular / triangular / trapezoidal

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

Obras de proteccin

Las obras de proteccin tienen por finalidad proteger al canal de efectos externos o

internos.

Obras de Proteccin frente a efectos internos:

Transiciones, Pozas de Disipacin Vertedero lateral o Aliviadero de demasas

Obras de Proteccin frente a efectos externos:

Canal techado Alcantarilla

6.2 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.

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Tipos de Transicin La forma de transicin puede variar desde muros en

lnea 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 simple b. Transicin de forma cua c. Transiciones con doble curvatura.

Fig 6.2.1 Tipos de Transicion

Fig 6.2.2 Transicion de entrada a desarenador

Diseo de Transicin entre canal y canaleta o tnel

Longitud de Transicin

tg

TTL

2

21

: 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

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

procura redondear las esquinas.

Prdidas de energa

Las 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 entrada

V1 < V2

Cada en la superficie del agua: y

Prdida por convergencia: hp= Ci hv

Transiciones de salida

V1 > V2

Levantamiento en la superficie del agua: y

Prdida por divergencia: hp= Co hv

Los valores medios de diseo para los coeficientes Ci y Co, se dan en la Tabla 6.1

Tabla 6.2.1 Coeficientes de entrada y salida en transiciones

Tipo de Transicin C

i

C

o

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+ 0.75 Fuente: Hidrulica de Canales de Ven Te Chow

T2 T1

y

T1 T2

y

Ci Co

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Las transiciones se

pueden ubicar en:

Entrada y salida entre

canales de diferentes

secciones

Entrada y salida entre

canal y tnel

Entrada y salida entre

canal y sifn invertido

Fig 6.3

Transiciones de

entrada y salida

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6.3 Cadas y Rpidas

Los 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. 6.3.1 y 6.3.2), la energa se disipa en pozas

amortiguadoras.

Fig. 6.3.1 Cada Vertical

Fig. 6.3.2 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.

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6.3.1 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.

Partes de una Rpida Transicin de entrada

Seccin de Control

Canal de la rpida

Trayectoria

Poza de amortiguacin

Transicin de salida

Zona de proteccin

Consideraciones de Diseo:

Coeficiente 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 = 0.010 Fig. 6.3.3 Rpida con formacin de ondas

Transiciones

La parte de la entrada de la estructura transiciona el flujo desde el canal aguas arriba de

la 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 Control Seccin 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 la capacidad total del canal aguas arriba hacia la rpida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuacin de las aguas del canal cuando la operacin de la rpida sea suspendida.

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

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Tramo Inclinado Canal de la Rpida El tramo inclinado es la seccin comprendida entre la seccin de control y el principio de la 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 necesario incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan dentellones para mantener la estructura dentro de la cimentacin. Para calcular los tirantes en los diferentes tramos de la rpida, se puede usar el Mtodo de Tramos 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 el tramo inclinado, ms el borde libre cualquiera que sea mayor. El borde libre mnimo recomendado para tramos inclinados de rpidas en canales abiertos (hasta 2.8 m

3/s) es

0.30m. El tirante y el borde libre son medidos perpendicularmente al piso del tramo inclinado. En velocidades mayores que 9 m/seg, el agua puede incrementar su volumen, debido al aire incorporado que est siendo conducido. El borde libre recomendado para los muros resultar de suficiente altura para contener este volumen adicional.

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Fig. 6.3.4 Perfil Longitudinal de una Rpida

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Fig 6.3.5 Rpida con poza disipadora

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6.3.2 Cadas Partes de una Cada Transicin de entrada

Seccin de Control

Cada

Poza de amortiguacin

Transicin de salida

Fig. 6.3.6 Cada Vertical

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 y Feodoroff, 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 6.1

yc: tirante critico

h: altura de la cada.

Las funciones son: Ecs 6.2

O.37d D 4.30 =h

L 0.22 p D 1.00 y

h

O.4251 D 0.54 y

h

0.272 1.66D h

y

3

c

h

y

D

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

yp: profundidad del estanque bajo la napa yl: tirante conjugado menor del resalto

y2: tirante conjugado mayor del resalto

Fig. 6.3.7 Cada Vertical La posicin de la profundidad y1 se puede determinar aproximadamente por la lnea recta ABC que une al punto A sobre la losa en la posicin de y1, el punto B sobre el eje de la napa a la altura de la profundidad del estanque, y el punto C sobre el eje de la napa en la cresta de la cada. El hecho de que estos tres puntos caigan en una lnea recta, fue tambin verificado por experimentos.

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

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

yp

B y2

Yc

Q

y1

Ld L

h

A

C

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