AUTORIDAD NACIONAL DEL AGUA

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSAUTORIDAD NACIONAL DEL AGUAMANUAL:CRITERIOS DE DISEOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HIDRICODIRECCION DE ESTUDIOS DE PROYECTOS HIDRAULICOSMULTISECTORIALESLima, Diciembre 20101

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSCONTENIDO1.0.DISEO DE CANALES ABIERTOS1.2.3.GeneralidadesCanales de riego por su funcinElementos bsicos en el diseo de canales3.1.3.2.3.3.3.4.3.5.3.6.3.7.Trazo de canalesRadios mnimos en canales Elementos de una curva Rasante de un canal Seccin Hidrulica OptimaDiseo de secciones hidrulicasCriterios de espesor de revestimiento2.0.DISEO DE SIFON1.TEORIA DEL SIFON IN VERTIDOEleccin del tipo de estructuraConcepto de acueductoConcepto de sifn invertidoCriterios de DiseoClculo hidrulico de un sifn DISENO HIDRAULICO DEL SIFON. Ejemplo de diseo 1.Clculo del dim etro de la tubera.Clculo de las prdidas hidrulicas. Ejemplo de diseo 22.2.2.1 .2.2.2 .2.2.3 .2.2.4 .2.2.5 .2.2.6 .2.2.7 .2.2.8 .2.2.9 .2.2.10 .2.2.11 .2.2.12 .2.2.13 .Selecc in del dime tro del tubo Longitud de transicionesNiv el de agua en 1 Co ta de fondo en 2 Co ta de fondo en 3 Co ta de fondo en 4 Co ta de fondo en 5Clculo del valor P en la salidaInclinacin de los tubos doblados (codos ) Carga hidrulica disponibleClc ulo de las prdidas de carga Clculo de la s umergenc ia a la s alida Longi tud de proteccin con enrocado3.0.DISEO DE ALIVIADERO LATERALAliviaderos lateralesGeneralidadesCriterios de DiseoClculo Hidrulico de un aliviadero AlcantarillaAmortiguadores del tipo de impacto2

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS4.0.DISEO DE ALCANTARILLASAlca ntarillasGeneralidadesTipos de alcantarilla por el flujo a la entrada y a la salidaCriterios de diseoTipos de alcantarillas por su capacidadCollarines para los tubos5.0.DISEO DE DESARENADORES1.2.DESARENADORESEJEMPLO DE DISEO DE UN DESARENAD OR6.0.DISEO DE RPI DAS1.2.3.INTRODUCCIONPROPOSITO Y DESCRIPCION. CONSIDERACIONES DE DISEOCoeficiente de rugosidad de MANNINGTransicionesTramo inclinadoTrayectoriaPoza disipadoraFormacin de ondasPROCEDIMIENTO DE DISEO EJEMPLO DE DISEODiseo de la entradaPrdidas en la entradaDeterminacin del flujo en la seccin de la rpidaEl flujo entre los puntos 4 y 6El flujo entre los puntos 6 y 8Diseo de la trayectoriaDiseo de la poza disipadoraDiseo de la transicin de salida4.5.7.0.DISEO DE CAI DAS1.Cadas verticales1.11.21.3Criterios de DiseoCadas verticales con obstculos para el choque Gradas: Diseo Ejemplo8.0.DISEO DE P ARTI DORES1.PARTIDORES1.11.21.31.4Generalidades Tipos de PartidoresPartidores de escurrimiento crticoPartidores de resalto o de barrera de seccin triangular9.0.DISEO DE AFORADOR PARS HALL1.CONDUCCION ELEVADA - AFORADOR PARSH ALL1.1 Descripcin general3

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS1.21.31.41.51.61.71.81.9Propiedades hidrulicas Derrame libreDerrame sumergidoCondiciones de la corriente de aproximacin Medicin de descargaDeterminacin aproximada de las descargas sumergidas Instalacin de las conducciones elevadasEleccin del tamao de conduccin elevada1.9.11.9.21.9.3Conduccin elevada de 4 pies (122 cm) Conduccin elevada de 3 pies (91.5 cm)Conduccin elevada de 2 pies (61 cm)Desviacin con respecto a las dimensiones normalizadasConstruccinCONDUCCIN ELEVADA DE GARGANTA CORTADA2.2.12.22.32.4GeneralDeterminacin de la descarga en condiciones de derrame libre Ejemplo de clculo de caudalInstalacin de conducciones elevadas con garganta cortada para funcionamiento en condiciones de derrame libre10.0. DISEO DE BOCATOM AS DE MONTAA1.BOCATOMAS EN ROS DE MONTAA1.11.21.31.41.5Consideraciones importantes Tomas ConvencionalesUbicacin y forma de construccin de la toma Reja de entradaDesripiadorRegulacin de la crecienteCalculo del azud forma del vertedero MOVIMIENTO DE AGUA BAJO LAS PRESAS2.3. CALCULO DEL DENTELLN AL FINAL DEL ZAMPEADO11.0. DISEO DE PRESAS PEQUEAS4

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS1.0 DISEO DECANALES ABIERTOS5

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSCRITERIOS PARA DISEO DE CANALES ABIERTOS1. GeneralidadesEn un proyecto de riego, la parte correspondiente a su concepcin, definido por su planteamiento hidrulico, tiene principal importancia, debido a que es all donde se determinan las estrategias de funcionamiento del sistema de riego (captacin, conduccin canal abierto o a presin -, regulacin), por lo tanto, para desarrollar el planteamiento hidrulico del proyecto se tiene que implementar los diseos de la infraestructura identificada en la etapa de campo; canales, obras de arte (acueductos, canoas, alcantarillas, tomas laterales etc.), obras especiales (bocatomas, desarenadores, tneles, sifones, etc)etc.Para el desarrollo de los diseos de las obras proyectadas, el caudal es un parmetro clave en el dimensionamiento de las mismas y que esta asociado a la disponibilidad del recurso hdrico (hidrologa), tipo de suelo, tipo de cultivo, condiciones climticas, mtodos de riego, etc., es decir mediante la conjuncin de la relacin agua suelo planta. De manera que cuando se trata de la planificacin de un proyecto de riego, la formacin y experiencia del diseador tiene mucha importancia, destacndose en esta especialidad la ingenieraagrcola.2. Canales de riego por su funcinLos canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones:Canal de primer orden.- Llamado tambin canal madre o de derivacin y se le traza siempre con pendiente mnima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos.Canal de segundo orden.- Llamados tambin laterales, son aquellos que salen delcanal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub laterales, el rea de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego.Canal de tercer orden.- Llamados tambin sub laterales y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a travs de las tomas del solar, el rea de riego que sirve un sub lateral se conoce comounidad de rotacin.De lo anterior de deduce que varias unidades de rotacin constituyen una unidad de riego, yvarias unidades de riego constituyen un sistema de riego, este sistema adopta el nombre o codificacin del canal madre o de primer orden.6

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS3. Elementos bsicos en el diseo de canalesSe consideran elementos; topogrficos, geolgicos, geotcnicos, hidrolgicos, hidrulicos,ambientales, agrolgicos, entre otros.3.1Trazo de canalesCuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar lasiguiente informacin bsica:Fotografas areas, imgenes satelitales, para localizar los poblados, caseros, reas de cultivo, vas de comunicacin, etc.Planos topogrficos y catastrales.Estudios geolgicos, salinidad, suelos y dems informacin que pueda conjugarse en el trazo de canales.vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazoUnapreliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios,obtenindose finalmente el trazo definitivo.En el caso de no existir informacin topogrfica bsica se procede a levantar el relievedel canal, procediendo con los siguientes pasos:a.Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona, anotndose todos los detalles queinfluyen en la determinacin de un eje probable de trazo, determinndose el punto inicial y el punto final (georreferenciados).b.Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topogrfica, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelar la poligonal y se har el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harn de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsin de relieve, la seccin se hace a cada 5 m, si el terreno nomuestra muchas variaciones y es uniforme la seccin es mximo a cada 20 m.c.Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuentala escala del plano, la cual depende bsicamente de la topografa de la zona y de la precisin que se desea:Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500.Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000.3.2Radios mnimos en canalesEn el diseo de canales, el cambio brusco de direccin se sustituye por una curva cuyo radiono debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mnimo, dado que al trazar curvas con7

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSradios mayores al mnimo no significa ningn ahorro de energa, es decir la curva no ser hidrulicamente ms eficiente, en cambio s ser ms costoso al darle una mayor longitud omayor desarrollo.Las siguientes tablas indican radios mnimos segn el autor o la fuente:Tabla N 01 - Radio mnimo en funcin al caudalFuente: "International Institute For Land Reclamation And Improvement" ILRI, Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands 1978.Tabla N 02 - Radio mnimo en canales abiertos para Q < 20 m3/sFuente: Ministerio de Agricultura y Alimentacin, Boletn Tcnico N 7 "Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales" Lima 1978.Tabla N-03 -. Radio mnimo en canales abiertos en funcin del espejo de aguaFuente: Salzgitter Consult GMBH "Planificacin de Canales, Zona Piloto Ferreafe" Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones Chiclayo 1984.8Canal de riegoCanal de drenajeTipoRadioTipoRadioSub canal4TColector principal5TLateral3TColector5TSub lateral3TSub colector5TSiendo T el ancho superior del espejo de aguaCapacidad del canalRadio mnimo20 m3/s100 m15 m3/s80 m10 m3/s60 m5 m3/s20 m1 m3/s10 m0,5 m3/s5 mCapacidad del canalRadio mnimoHasta 10 m3/s3 * ancho de la baseDe 10 a 14 m3/s4 * ancho de la baseDe 14 a 17 m3/s5 * ancho de la baseDe 17 a 20 m3/s6 * ancho de la baseDe 20 m3/s a mayor7 * ancho de la baseLos radios mnimos deben ser redondeados hasta el prximo metro superior

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS3.3Elementos de una curva3.4Rasante de un canalUna vez definido el trazo del canal, se proceden a dibujar el perfil longitudinal de dicho trazo, las escalas ms usuales son de 1:1000 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relacin entre la escala horizontal y vertical es de 1 a10. El procesamiento de la informacin y dibujo se puede efectuar empleando el software AUTOCAD CIVIL 3D (AUTOCAD clsico, AUTOCAD LAND, AUTOCAD MAP o AUTOCADCIVIL).Para el diseo de la rasante se debe tener en cuenta:La rasante se debe trabajar sobre la base de una copia del perfil longitudinal del trazo Tener en cuenta los puntos de captacin cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren u obra de arte.9A=Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20 mC=Cuerda larga, es la cuerda que sub tiende la curva desde PC hasta PT.=Angulo de deflexin, formado en el PI.E=External, es la distancia de PI a la curva medida en la bisectriz.F=Flecha, es la longitud de la perpendicular bajada del punto medio de la curva a la cuerda larga.G=Grado, es el ngulo central.LC=Longitud de curva que une PC con PT.PC=Principio de una curva.PI=Punto de inflexin.PT=Punto de tangente.PSC=Punto sobre curva.PST=Punto sobre tangente.R=Radio de la curva.ST=Sub tangente, distancia del PC al PI.

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSLa pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno (optimizar el movimiento de tierras), cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se proyectan cadas o saltos de agua.Para definir la rasante del fondo se prueba con el caudal especificado y diferentes cajas hidrulicas, chequeando la velocidad obtenida en relacin con el tipo de revestimiento a proyectar o si va ser en lecho natural, tambin se tiene la mximaeficiencia o mnima infiltracin.El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar comosiguiente informacin.mnimolaKilometraje Cota de terrenoBMs (cada 500 1000 m) Cota de rasante PendienteIndicacin de las deflexiones del trazo con los elementos de curva Ubicacin de las obras de arteSeccin o secciones hidrulicas del canal, indicando su kilometraje Tipo de sueloCuadro con elementos geomtricos e hidrulicos del diseoSeccin tpica de un canalDonde:T = Ancho superior del canalb = Plantillaz = Valor horizontal de la inclinacin del taludC = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m., segn el canal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente.10

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSV = Ancho del camino de vigilancia, puede ser: 3; 4 y 6 m., segn el canal sea de tercer,segundo o primer orden respectivamente.H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal.En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos mrgenes, segn lasnecesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no ser necesaria, dependiendo de la intensidad del trfico.3.5Seccin Hidrulica OptimaDeterminacin de Mxima Eficiencia HidrulicaSe dice que un canal es de mxima eficiencia hidrulica cuando para la misma rea y pendiente conduce el mayor caudal posible, sta condicin est referida a un permetrohmedo mnimo, la ecuacin que determina la seccin de mxima eficiencia hidrulica es:Siendo el ngulo que forma el talud con la horizontal, arctan (1/z), b plantilla del canal y ytirante o altura de agua.Determinacin de Mnima InfiltracinSe aplica cuando se quiere obtener la menor prdida posible de agua por infiltracin encanales de tierra, esta condicin depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuacin que determina la mnima infiltracin es:La siguiente tabla presenta estas condiciones, adems del promedio el cual se recomienda.Tabla N 04 -. Relacin plantilla vs tirante para, mxima eficiencia, mnima infiltracin y el promedio de ambas.11TaludAnguloMxima EficienciaMnima InfiltracinPromedioVertical90002.00004.00003.00001 / 4 : 175581.56163.12312.34231 / 2 : 163261.23612.47211.85414 / 7 : 160151.16062.32131.74103 / 4 : 153081.00002.00001.50001:145000.82841.65691.24261 : 138400.70161.40311.05231 : 133410.60561.21110.90832 : 126340.47210.94430.70823 : 118260.32460.64910.4868b 4 * tgy2 b 2 * tgy2

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSDe todas las secciones trapezoidales, la ms eficiente es aquella donde el ngulo a que forma el talud con la horizontal es 60, adems para cualquier seccin de mxima eficienciadebe cumplirse: R = y/2Donde:R = Radio hidrulicoy = Tirante del canalNo siempre se puede disear de acuerdo a las condiciones mencionadas, al final seimponen una serie de circunstancias locales que imponen un diseo propio para cada situacin.3.6Diseo de secciones hidrulicasSe debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo del canal,coeficiente de rugosidad, velocidad mxima y mnima permitida, pendientetaludes, etc.delcanal,La ecuacin ms utilizada es la de Manning o Strickler, y su expresin es:Donde:Q = Caudal (m3/s)n = RugosidadA = rea (m2)R = Radio hidrulico = rea de la seccin hmeda / Permetro hmedo En la tabla N 6, se muestran las secciones ms utilizadas.Criterios de diseoSe tienen diferentes factores que se consideran en el diseo de canales, los cuales tendrn en cuenta: el caudal a conducir, factores geomtricos e hidrulicos de la seccin, materiales de revestimiento, la topografa existente, la geologa y geotecnia de la zona, los materiales disponibles en la zona o en el mercado ms cercano, costos de materiales, disponibilidad de mano de obra calificada, tecnologa actual, optimizacin econmica, socioeconoma de los beneficiarios, climatologa, altitud, etc. Si se tiene en cuenta todos estos factores, se llegara una solucin tcnica y econmica ms conveniente.12Q 1 AR 2/3 S 1 / 2n

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSa)Rugosidad.- Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetacin, irregularidad y trazado del canal, radio hidrulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se disea canales en tierra se supone que el canal est recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difcilmente se conservar con el tiempo, lo que quiere decir que en la prctica constantemente se har frente a un continuo cambio de larugosidad.En canales proyectados con revestimiento, la rugosidad es funcin del material usado,que puede ser de concreto, geomanta, tubera PVC HDP metlica, o si van a trabajar a presin atmosfrica o presurizados.La siguiente tabla nos da valores de n estimados, estos valores pueden ser refutados con investigaciones y manuales, sin embargo no dejan de ser una referencia para eldiseo:Ta bla N 5 - Va lore s de rugosida d n de Ma nning13nSuperficie0.010Muy lisa, vidrio, plstico, cobre.0.011Concreto muy liso.0.013Madera suave, metal, concreto frotachado.0.017Canales de tierra en buenas condiciones.0.020Canales naturales de tierra, libres de vegetacin.0.025Canales naturales con alguna vegetacin y piedras esparcidas en el fondo0.035Canales naturales con abundante vegetacin.0.040Arroyos de montaa con muchas piedras.

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSTabla N 6 - Relaciones geomtricas de las seccione s transversales m s frecuente sb)Talud apropiado segn el tipo de material.- La inclinacin de las paredes laterales de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde estn alojados, la U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda un talud nico de 1,5:1 para sus canales, a continuacin se presenta un cuadro de taludes apropiadospara distintos tipos de material:Tabla N 7 - Taludes apropiados para distintos tipos de materialFuente: Aguirre Pe, Julin, Hidrulica de canales, Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras CIDIAT, Merida, Venezuela, 197414MATERIALTALUD (h : v)RocaPrcticamente verticalSuelos de turba y detritos0.25 : 1Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de concreto0.5 : 1 hasta 1:1Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en grandes canales1:1Arcilla firma o tierra en canales pequeos1.5 : 1Tierra arenosa suelta2:1Greda arenosa o arcilla porosa3:1

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSTabla N 8 - Pendientes laterales en canales segn tipo de sueloMATERIALCANALES POCO PROFUNDOSVertical 0.5 : 11 : 11.5 : 12 : 11 : 1CANALES PROFUNDOS0.25 : 1 1 : 1 1.5 : 1 2 : 13 : 11.5 : 1Roca en buenas condiciones Arcillas compactas o conglomerados Limos arcillososLimos arenosos Arenas sueltas ConcretoFuente: Aguirre Pe, Julin, Hidrulica de canales, Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974c)Velocidades mxima y mnima permisible.- La velocidad mnima permisible es aquella velocidad que no permite sedimentacin, este valor es muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas, en canales de tierra. El valor de 0.8 m/seg se considera como la velocidad apropiada queno permite sedimentacin y adems impide el crecimiento de plantas en el canal.La velocidad mxima permisible, algo bastante complejo y generalmente se estimaempleando la experiencia local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos dan valores sugeridos.Tabla N - 9. Mxima velocidad permitida en canales no recubiertos de vegetacinFuente: Krochin Sviatoslav. Diseo Hidrulico, Ed. MIR, Mosc, 1978Para velocidades mximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidadesque los nuevos; adems un canal profundo conducir el agua a mayores velocidades sin erosin, que otros menos profundos.15MATERIAL DE LA CAJA DEL CANALn ManningVelocidad (m/s)Agua limpiaAgua con partculas coloidalesAgua transportando arena, grava o fragmentosArena fina coloidal0.0201.450.750.45Franco arenoso no coloidal0.0200.530.750.60Franco limoso no coloidal0.0200.600.900.60Limos aluviales no coloidales0.0200.601.050.60Franco consistente normal0.0200.751.050.68Ceniza volcnica0.0200.751.050.60Arcilla consistente muy coloidal0.0251.131.500.90Limo aluvial coloidal0.0251.131.500.90Pizarra y capas duras0.0251.801.801.50Grava fina0.0200.751.501.13Suelofrancoclasificadono coloidal0.0301.131.500.90Suelo franco clasificado coloidal0.0301.201.651.50Grava gruesa no coloidal0.0251.201.801.95Gravas y guijarros0.0351.801.801.50

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSTabla N -10 -. Velocidades mximas en hormign en funcin de su resistencia.Fuente: Krochin Sviatoslav. Diseo Hidrulico, Ed. MIR, Mosc, 1978La Tabla N 10, da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormign no armado, las velocidades no deben exceder de 2.5 3.0 m/seg. Para evitar la posibilidad deque el revestimiento se levante.Cuando se tenga que proyectar tomas laterales u obras de alivio lateral, se debe tener en cuenta que las velocidades tienen que ser previamente controladas (pozas de regulacin), con la finalidad que no se produzca turbulencias que originen perturbaciones y no puedancumplir con su objetivo.d)Borde libre.- Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el clculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originarpor causas incontrolables.La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la siguiente frmula:Donde:Borde libre: en piesC = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/seg.Y = Tirante del canal en piesLa secretara de Recursos Hidrulicos de Mxico, recomienda los siguientes valores en funcin del caudal:Tabla N 11 -. Borde libre en funcin del caudal16Caudal m3/segRevestido (cm)Sin revestir (cm)0.057.510.00.05 0.2510.0020.00.25 0.5020.040.00.50 1.0025.050.0BordeLibre CYRESISTENCIA,(kg/cm2)PROFUNDIDAD DEL TIRANTE (m)0.513510509.610.612.313.014.17511.212.414.315.216.410012.713.816.017.018.315014.015.618.019.120.620015.617.320.021.222.9

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSFuente: Ministerio de Agricultura y Alimentacin, Boletn Tcnico N- 7 Consideraciones Generalessobre Canales Trapezoidales Lima 1978Mximo Villn Bjar, sugiere valores en funcin de la plantilla del canal:Tabla N -12 -. Borde libre en funcin de la plantilla del canalFuente: Villn Bjar, Mximo; Hidrulica de canales, Dpto. De Ingeniera Agrcola Instituto Tecnolgico de Costa Rica, Editorial Hozlo, Lim a, 19813.7Criterios de espesor de revestimientoNo existe una regla general para definir los espesores del revestimiento de concreto, sin embargo segn la experiencia acumulada en la construccin de canales en el pas, se puede usar un espesor de 5 a 7.7 cm para canales pequeos y medianos, y 10 a 15 cm paracanales medianos y grandes, siempre que estos se diseen sin armadura.En el caso particular que se quiera proyectar un revestimiento con geomembranas, se tieneque tener en cuenta las siguientes consideraciones:Para canales pequeos se debe usar geomembrana de PVC y para canales grandes geomembrana de polietileno - HDP.Los espesores de la geomembrana, varan entre 1 a 1.5 mmSi el canal se ubica en zonas en donde puede ser vigilado permanentemente, por lo tanto no puede ser afectada la membrana.Caractersticas y cuidado en la actividades de operacin y mantenimiento Tcnica y cuidados de instalacin de la geomembranaEl grupo social a servir tiene que capacitado para el manejo de dicho tipo de revestimiento.Tambin se puede usar asociada la geomembrana con un revestimiento de concreto; la geomembrana acta como elemento impermeabilizante (el concreto se deteriora con las bajas temperaturas) y el concreto como elemento de proteccin, sobre todo cuandose trata de obras ubicadas por encima de los 4, 000 m.s.n.m. o zonas desoladas.17Ancho de la plantilla (m)Borde libre (m)Hasta 0.80.40.8 1.50.51.5 3.00.63.0 20.01.01.0030.060.0

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS2.0 DISEO DE SIFON18

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSDiseo hidrulico del sifn invertido1.TEORIA DEL SIFON INVERTIDOPara cruzar una depresin, se debe recurrir a una estructura de cruce, en c ada caso se escoge la solucin mas conveniente para tener un funcionamiento hidrulico correcto, lamenor prdida de carga posible y la mayor economa factible. Los cuales pueden ser:Puente canal Sifn invertidoAlcantarilla1.1Eleccin del tipo de estruct uraCuando el nivel del agua es m enor que la rasante del obstc ulo, se puede utiliz ar una alcantarilla.Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstculo, se puede utilizar como estructura de cruce; un puente canal o un sifn invertido o la c ombinacin de am bos.El puente canal se utiliz ar cuando la diferencia de niveles entre la ras ante del canal y la rasante de la quebrada o ro, permita un espacio libre, suficiente para lograr el paso del agua.El sifn invertido se utilizar si el nivel de la superficie libre del agua es mayor quela ras ante del obstculo.1.2Concepto de acueductoEl puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresin. Esta formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, acero, madera u otro material resistente, donde el agua escurrepor efectos de la gravedad.1.3Concepto de sifn invertidoLos sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a pres in, se utilizan para conducir el agua en el cruc e de un canal c on una depresin topogrfica o quebrada, tambin para pas ar por debajo de un camino, una va de ferrocarril, un dren o inclusootro canal.1.4Criterios de DiseoLas dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ngulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida.En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiere un mnimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales d riego19

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSsin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifn cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura.En el caso particular del cruce con una quebrada o ro de rgimen caudaloso, deber hacerse un estudio de profundidad de socavacin para definir la profundidad en la que deber cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin que esta sea afectada.La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mnima del tubo horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda transicin de concreto a la entrada y salida cuando el sifn cruce caminos principales en sifones con mayor o igual a 36y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/s.Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifn debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseo, se recomienda aumentar en un 50% o 0.30 m como mximo al borde libre del canal en una longitud mnima de 15 m a partir de la estructura.Con la finalidad de determinar el dimetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierras, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una velocidad de 1 m3/s, en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/s y entre 3 a 2.5 m/s en sifones largos con transiciones de concreto cono sin control en la entrada.Las prdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo Cubierta Partida, se pueden calcular rpidamente con los valores 0.4 y 0.65 hv respectivamente (Ver. Fig. 2.15) o con lo manifestando en los tems 2.4 y 2.5.A fin de evitar remansos aguas arriba, las prdidas totales computadas se incrementan en 10%.En el diseo de la transicin de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifn, est ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseo se toma1.5 veces la carga de velocidad del sifn o 1.1 como mnimo o tambin 3. En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6.En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspeccin y mantenimiento.En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse ya sea que el sifn opere a flujo parcial o a flujo lleno, con un coeficiente de friccin menor que el sumido en el diseo, por esta razn se recomienda usar n = 0.008 cuando se calcula las prdidas de energa.Con la finalidad de evitar la cavitacin a veces se ubica ventanas de aireacin en lugares donde el aire podra acumularse.Con respecto a las prdidas de carga totales, se recomienda la condicin de que estas sean iguales o menores a 0.30 m.20

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSCuando el sifn cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto mximode la creciente.Se debe considerar un aliviadero de demasas y un canal de descarga inmediatamenteaguas arriba de la transicin de ingreso.Se recomienda incluir una tubera de aeracin despus de la transicin de ingresoSe debe analizar la necesidad de incluir vlvulas rompe presin en el desarrollo de la conduccin a fin de evitar el golpe de ariete, que podra hacer colapsar la tubera (solopara grandes caudales).Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el diseohidrulicoSe debe tener en cuenta los criterios de sumergencia (tubera ahogada) a la entrada ysalida del sifn, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubera.1.5Clculo hidrulico de un sifnPara que cumpla su funcin el diseo del sifn, se debe de proceder como sigue:Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplic am os la ecuac in de energaespecific a:Donde:Zi : carga de posicin Zi : carga de presi6n21

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSVi 2 /2g: carga de velocidad (g =9.81 m/s2)H: carga hidrulicaSe debe de cumplir que la AH debe de ser mayor a la suma de todas las prdidas que segeneren en el sifn. Esto se demostrar en el clculo del siguiente captulo.1.5.1Partes de un sifn invertidoLos sifones invertidos, constan de las siguientes partes:a. Transiciones de entrada y salidaComo en la mayora de los casos, la seccin del canal es diferente a la adoptada en el conducto o barril, es necesario construir una transicin de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda.En el diseo de una transicin de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifn un poc o ms abajo de la superfic ie norm al del agua. Esta prctica hace mnima la posible reduccin de la capacidad del sifn causada por la introduccin del aire. La profundidad de sumergencia de la abertura superior del sifn se recomienda que este comprendida entre un mnimo de 1.1 h v y un mximo de 1.5hv .hh = carga de velocidad =v2/2gDonde:v: velocidad en el canal (m/s)g: aceleracin gravedad (9.81 m/s)b.Rejilla de e ntrada y SalidaLa rejilla de entrada se ac ostum bra hac erla con varillas de 3/8" de dim etro o varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 cm2 (3/8" x 3/8") colocados a cada 10 cm, y soldadas a un marco de 2.54 x 1.27cm2 (1" x 1/2"). Su objeto de la rejilla de entrada es el im pedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y objetos extraos que impidan elfuncionamiento correcto del conducto y la rejilla de salida para evitar el ingreso de objetosextraos o personas.c.Tuberas de presin:Son tuberas que transportan agua bajo presin. Para que los costos de mantenimiento sean bajos hay que colocar soportes y los anclajes de la tubera en pendientes estables y encontrar buenos cimientos. No deber haber peligro de erosin pordesprendimiento de laderas, pero si acceso seguro para hacer mantenimiento y reparacin.22

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSc.1Material usado para tubera de presin:El ac ero c om erc ial fue fabric ado con planc ha de ac ero roladas y s oldada. En general las tuberas de acero que estn protegidas por una capa de pintura u otra capa de proteccin pueden durar hasta 20 aos. Adems, son efectivas en resistencia a impactos pero son pesadas, se unen mediante bridas, soldadura o juntas metlicas. Evitarenterrar las tuberas de presin debido a que corren el riesgo de corroerse.c.2Velocidades en el conductoLas velocidades de diseo en sifones grandes es de 2.5 - 3.5 m/s, mientras que en sifones pequeos es de 1.6 m/s. Un sifn se considera largo, cuando su longitud esmayor que 500 veces el dimetro.d.Funcionamiento del sifnEl sifn siem pre funciona a presin, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a lasalida. Aplicamos Energa en 1 y 2:Otras formulas usada es:23

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSPolikous ki y PerelmanDonde:vt : velocidad media en la tubera (m/s) D: dimetro de la tubera de acero (m)El sifn funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todaslas prdidas en el sifn. La diferencia de carga AZ debe ser mayor a las prdidas totales.e.Vlvula de purga de agua y lodosSe coloca en la parte ms baja de los barriles, permite evacuar el agua que se quedealmacenada en el conducto cuando se para el sifn o para desalojar lodos. Para su limpiezao reparacin, y consistir en vlvulas de com puerta deslizante de lasse estime conveniente de acuerdo con el caudal a des alojar.dimensionesque24

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS2DISENO HIDRAULICO DEL SIFON2.1Eje mplo de diseo 1Con la inform ac in topogrfic a de las c urvas de nivel y el perfil del terreno en el sitio de la obra, se traza el sifn y se procede a disear la forma y dimensiones de Ia seccin del conducto mas econmica y conveniente, esto se obtiene despus de hacer varios tanteos, tomando en cuenta las prdidas de carga que han de pres entars e.Las dimensiones de la seccin transversal del conducto dependen del caudal quedebe pas ar y de la velocidad. En sifones grandes se c ons idera una veloc idadconveniente de aguaen el barril de 2.5 - 3.5 m/s que evita el deposito de azolvesen el fondo del conducto y que no es tan grande que pueda producir la erosin del material de los barriles.Cuando por las condiciones del problema, no sea posible dar el desnivel que por estas limitaciones resulten, se pueden reducir las prdidas, dism inuyendo prudentemente la velocidad del agua, teniendo en cuenta que c on esto se aum enta el peligro de az olvam iento del sifn, por lo que habr nec esidad de m ejorar las facilidades para limpiar el interior del barril.El sifn funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las prdidas en el sifn. La diferencia de c argas AZ debe ser mayor que las prdidas totales . Para el sifn particularmente que analiz am os, las secc iones del canal a la entrada y salida son rectangulares y de las mismas dim ensiones, adem sde la misma pendiente 0.002, en c onsec uencia tendr el mismo tirante y velocidad.H = E1 E2 = z 1 - z 2 = 3487.342 - 3478.76 = 8.582m2.1.1 Clculo del dimetro de la tuberaPara encontrar el conducto mas adecuado econmicamente y tcnicamente, se determinaron s us dim ensiones en funcin de la desc arga que pas ar y de la velocidad que res ulta. Consideremos una veloc idad de 3.6 m/s que es te prxim o al intervalo entre 2.5 y 3.5 m/s que nos evita el deps ito de lodo o basura en el fondo del conducto y que no sea tan grande que pueda producir erosin en la tubera, con este valor conseguiremos su dimetro, y despejando de la ecuacin decontinuidad:Por lo que asumiremos la tubera de =26" cuyas caractersticas hidrulicas sern:Su rea hidrulica ser:25

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSSu permetro mojado:Su radio hidrulico:De la ecuacin de continuidad, la velocidad dentro de la tubera de acero ser:Su nmero de ReynoldsSe trata de un rgimen de flujo turbulento pero aun es aceptable la velocidad.Adems, a la entrada y salida de la tubera de presin, la velocidad con la que discurre y el tipo de flujo por el c anal rectangular, de dimensiones 13m de solera y un 0.74m de tirante, s er:Donde:VcrAcr= Velocidad en el canal rectangular= rea mojada del canal rectangular26

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSLa altura mnim a de ahogamiento a la entradaPor lo tanto:La altura mnima ahogamiento en la salidaComparando los resultados anteriores sernHmin=1.018mHmin = 0.62mHmin = 0.89m27

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS2.1.2Clculo de las prdidas hidrulicasLas principales prdidas de carga que se presentan son:Prdidas por transicin de entrada y salidaPrdidas en la rejillaPrdidas de entradaPrdidas por friccin en el conducto o barrilPrdidas por cambio de direccin o codosPrdidas por vlvulas de limpiezaEl caudal de diseo que transportar el sifn Acueducto Cc ochanccay es de 1.25 m3/s en una tubera de 26" (0.6604 m.) de dim etro. El des nivel que em palm ar en sifn esde 8.582 m. cuya cota en la entrada 3,487.342 m.s.n.m. y en la salida 3,478.760 m.s.n.m.i.Prdidas de carga por transicin de entrada y salidaDonde:hle = prdidas por transicin de entrada hls = prdidas por transicin de salida vt = velocidad en el sifnvcr = velocidad en la seccin del canal rectangular (aguas arriba) vt = velocidad en el sifnvcr .= velocidad en la seccin del canal rectangular (aguas abajo)28

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSii.Prdidas por rejillasCuando la estructura consta de bastidores de barroteslas prdidas originadas se c alculan con la ecuacin:y rejillaspare el paso del agua,Las soleras de la rejilla son 9 ytienedimensionesde2x1mx1/4 (0.051mx1mx0.0064m)separadas cada 0.1m.Donde:El rea neta por metro cuadrado:An= 1 m*1 m 9 (1 m*0.0064 m) = 0.942 m2Como el rea hidrulica (rea bruta) de la tubera es 0.34253 m2 entonces el rea neta ser:An = 0.942x0.34253 = 0.3227 m2Entonces:Donde:K = coeficiente de prdidas en la rejilla An = rea neta de paso entre rejillas.AS = rea bruta de la estructura y su soporte, que quede dentro del rea hidrulica.29

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSVn = velocidad a travs del rea neta de la rejilla dentro del rea hidrulicaFinalmente las prdidas por entrada y por salida sern:iii.Prdidas de carga por entrada al conductoDonde:v = velocidad del agua en el barril.Ke = coeficiente que depende de la forma de entrada Para entrada con arista ligeramente redondeada Ke= 0.23iv.Prdidas por friccin en el conductoUtilizando la form ula de Hazen W illiams para una longitudres ulta:de tuberade 379.60mDonde:R =C=radio hidrulico115 (coeficiente de rugosidad relativa tomando las tablas de tuberas de acero usadas para valores de Hazen Williams).Utilizando la form ula de Darc y W eis bac h y considerando una rugos idad f para elacero en el rango de 0.014-0.018.30

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSv.Prdidas de carga por cambio de direccin o codosUna frmula muy empleada es:Donde: = Angulo de deflexi nKc= coeficiente para codos comunes = 0.25vi.Prdidas por vlvulas de limpiezaLas prdidas de carga que se originan enlos sifones porel hecho de insertarlateralmente una tubera en la que se coloca una vlvula para desage y limpieza se31

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSdeben considerar como prdidas por bifurcacin de tuberas.Esta prdida existe aun cuando una de las partes esta cerrada por la vlvula, ya que se forman turbulencias dentro de la tubera, pero en vista de que se considera muy pequea y no se ha podido evaluar se desprecia.Finalmente la suma de todas las prdidas producidas en el sifn es:En resumen:La carga hidrulica dis ponible s upera a las prdidas totales en el sifnH = 8.582m > prdidas = 7.7212mPor lo tanto se demuestra que el sifn estar correctamente diseadoH - prdidas = 0.8608m3.1.3Evacuacin de excedencias y sedimentosPara el caso de eventuales excedencias que superen al caudal de diseo 1.25 m 3/s, estas sern evacuadas por el vertedero de demasas, de 2.90 m. de longitud,que seencuentraaguasarriba en el desarenador (Km13+257.30 al Km13+267.30) el cual se conecta con el canal de desage de lodos del desarenador. Los sedim entos que trae consigo el canal princ ipal s on retenidos en el desarenador, en el cual dec antan; tal estructura esta formado por una nave de 10 m de largo, por 3.0 mde anc ho, profundidad prom edio de 1.3m, con transiciones de entrada y s alida de 4m .32

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS2.2Ejemplo de diseo 2Disear un sifn invertido en el cruce de un canal con la panamericana las caractersticas del cruce se presenta en la Fig. 1 y las caractersticas del canal arriba y aguas abajo del cruce son:Z = 1.5Q = 1 m3/s S = 1 o/oo b = 1.0 m n = 0.025 Y = 0.7 mV = 0.7 m/sV 22g= 0.025 mLa pendiente aguas arriba y aguas abajo es de 1 o/oo y las cotas segn el perfil del canal son:Km. 1 + 030 = 46.725 m.s.n.m.Km1 + 070 = 46.443 m.s.n.m.33

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COSFIGURA 134

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOSolucinCon la informacin topogrfica del perfil del terreno en el cruce y el perfil del canal, se efecta el dimensionamiento previo de la figura adjunta, el cual si cumple con los requisitos hidrulicos necesarios, se puede aceptar como solucin al problema, en caso contrario, sehar los ajustes necesarios.2.2.1Seleccin del dimetro del tuboAsumimos una velocidad de 1.5 m/segQ 1.0A =V1.5A = 0.67 m22D14A = Di = 0.92, escogemos Di = 36 = 0.9144 m El nuevo valor del rea ser:A = 0.637 m2Y la velocidad de diseo: V = 1.52 m/s2V0.118m2g2.2.2Longitud de transicionesT1 = b + 2 Z Y = 1 + 2 x 1.5 x 0.7 = 3.1T2 = 0.9144 mT1 T2Lt =; para /2 = 252tg/ 2Lt = 2.35 mLt = 4 DiLt = 3.67 3.70Escogemos: Lt = 3.70 m/2 = 16302.2.3Nivel de agua en 1Del km 1+030 al punto 1 segn la Fig. 2 adjunta, hay 6.41 m, luego la cota de fondo en 1 ser:35

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO46.725 (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.2.2.4Cota de fondo en 2FIGURA 2Cota de fondo en 2: 47.419 = (Hte 1.5 Hv)Di0.9144Hte =0.935mCos120.9787Vt 2V 2 1.5(0.118 0.025)11.5 hv =2g2g 1.5 hv = 0.14 mCota de fondo en 2: 46.344 m.s.n.m.2.2.5Cota de fondo en 31 = 12 escogido previamenteh5.0Sen 12 =h = 1.04 mLuego: 46.344 1.04 = 45.304Cota de fondo en 3: 45.304 m.s.n.m.2.2.6Cota de fondo en 4 Longitud de tubo horizontal: 10 m 10 x 0.005 = 0.0545.304 0.05 = 45.25436

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOCota de fondo en 4: 45.254 m.s.n.m.2.2.7Cota de fondo en 52 = 12h4Sen 12 =h = 0.8316 mLuego: 45.254 + 0.8316 = 46.086Cota de fondo 5: 46.086 m.s.n.m.2.2.8Clculo del valor P en la salidaFIGURA 3El mximo valor en P en la entrada debe ser D y en la salida D; luego P en la salida: 0.91442 = 0.4572De otro lado se tiene que la cota en 6 ser:La distancia entre el punto 6 y el km 1 + 070: 7.388La cota en 6 es: 46.443 0.0074 = 46.436 m.s.n.m.Cota 6 cota 5 = 46.436 46.086 = 0.35 mEscogemos el valor P = 0.35 para que la cota 6 de la transicin coincida con la de la rasante del canal.2.2.9Inclinacin de los tubos doblados (codos)4.89 4.7A la entrada:1.044.7:1 es ms plano que 2:1, se acepta la inclinacin3.912A la salida:4.70.83237

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO4.7:1 igual que la entrada aceptamos la inclinacin2.2.10 Carga hidrulica disponibleCota 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 m2.2.11 Clculo de las prdidas de cargaPrdida por entrada: 0.4 (0.0938) = 0.037Prdida por salida: 0.65 (0.0939) = 0.060L VtPrdidas por friccin: f0.061D 2gPrdidas por codos: Pcod.f = 0.025L = 19.0 mD = 4R = 0.91440.252 12 x Vt0.022Pcod. = 2902g Para mayor seguridad las prdidas totales se incrementaran en un 10%. Luego: 1.1 x 0.16 = 0.198 mPodemos deducir que la carga disponible menos las prdidas totales son de: 0.283 0.198= 0.085 mLo que significa que no habr problema hidrulico.2.2.12 Clculo de la sumergencia a la salidaAltura de sumergencia (0.70 + 0.35) HteDiHte =0.935mCos12Altura de sumergencia: 1.05 0.035 = 0.115 mHte6Este valor no debe exceder a:0.156mLuego: 0.115 < 0.156Se acepta el valor de sumergencia puesto que es menor a la altura permisible.2.2.13 Longitud de proteccin con enrocadoLp = 3 Di = 2.74 2.80 mEl proyecto preliminar trazado en la Fig. 6 - 3, se considera la solucin al problema puesto38

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOque cumple con los requisitos hidrulicos.39

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO3.0 DISEO DEALIVIADERO LATERAL40

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO1.Aliviaderos laterales1.1GeneralidadesEstas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitndose posibles desbordes que podran causar serios daos, por lotanto, su ubicacin se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro.Los cuales de exceso a eliminarse, se originan algunas veces por fallas del operador o por afluencias, que durante las lluvias el canal recibe de las quebradas, estos excesos debe descargar con un mnimo de obras de arte, buscndose en lo posible cauces naturales para evitar obras adicionales, aunque esto ltimo depende siempre de la conjugacin dediferentes aspectos locales (topografa, ubicacin del vertedero, etc.)1.2Criterios de Diseoi.El caudal de diseo de un vertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel mximo de su caja hidrulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como de mxima avenida.El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente de caudal, siempre quedar un excedente que corresponde tericamente a unos 10 cm encima del tirante normal.La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de ste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn.Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de formulas, a continuacin sedescribe la frmula de Forchheiner.ii.iii.iv.2 3L n3 / 2Q V2gDonde:V = 0.95 = coeficiente de contraccin L = longitud del vertederoh = carga promedio encima de la cresta41

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOEl flujo del canal, deber ser siempre subcrtico, entonces:h2 > h1h1 h2h 2h1 = 0.8 h2h = 0.9 h2La formula 4,21 da buena aproximacin cuando se cumple:V10.75gY1h2 h1 Y2 - Ynv.Para mejorar la eficiencia de la cresta delvalores, segn la forma que adopte la cresta.vertederosesueleutilizardiferentes42Formaa)Anchos de cantos rectangulares0.49-0.51b)Ancho de cantos redondeados0.5-0.65Afilado con aeracin necesaria0.64c)En forma de techo con corona0.79redondeadad)

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOvi.El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se est eliminando por la ventana o escotadura del canal, cruza un camino, frecuentemente se utilizan cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del vertedero se puedeeliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c d.vii.Los aliviaderos laterales pueden descargar a travs de un vertedero con colchn alpie (desniveles pequeos) mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energa al final (desniveles grandes).Ejerci 1Un canal trapezoidal de rugosidad 0.014 con taludes 1: 1 plantilla 1 m y pendiente 1 o/oo, recibe en pocas de crecidas un caudal de 9 m3/s., el canal ha sido construido para 4 m3/s, pero puede admitir un caudal de 6 m3/s. Calcular la longitud del aliviadero para eliminar elexceso de agua.Solucin1. Clculo de los tirantesYMax YnY2= 1.71 m= 1.17 m= 1.42 mClculo de hh2 = .25 mh1 = 0.8 x h2 = 0.2 mh = 0.2 + 0.25 = 0.225 m2caudal a evaluarQ = 3 m3/s43

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO4) Clculo de LPara = 0.5 y aplicando ecuacin:L 30 2xVxx 2g xh3 / 2L = 20 mEjercicio 2Resolver el ejercicio anterior empleando la frmula de WeisbachQ 2 L 2gh3 / 23h = se considera un 60% del borde libre, como un criterio prctico de diseo y segn problema anterior se tiene:Q = 3 m3/s = 0.50h = 0.6 (1.71 1.17) = 0.324 melLuego:L 3x3 3x0.5x4.43x0.184L = 11 mEn la Fig. 4.9 se aprecia una aplicacin prctica de este diseo:Nota: Comparando los ejercicios anteriores se puede concluir que WEISBACH da vertederos muchos ms cortos que Forchheiner, razn por la cual recomendamos el uso dela frmula de Weisbach, ademsDepartamento de Lambayeque.stahasidoutilizadaconbuenosresultadosen el44

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO1.345

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO46

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MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO1.3Clculo Hidrulico de un aliviadero AlcantarillaEjercicio 3.A la altura del km 15+790 de un canal principal se plantea la necesidad de eliminar 9 m3/s proveniente de los excesos de lluvia y con la finalidad de prevenir desbordes del canal, se desea proyectar un aliviadero, si el canal presenta un borde libre de 0.9 m, se pide:dimensionar hidrulicamente el aliviadero.Soluc inLa solucin al problema se presenta en las Figs. 4.10. a, b y c, donde debido a la situacin topogrfica se ha proyectado un aliviadero con alcantarilla.1) Longitud del Aliviad eroComo criterio prctico de diseo asumimos que un 60% del borde libre sera el valor de h en la frmula de Weisbach y tomando = 0.62 como promedio, se tiene:L 503x9 2x0.62x4.43x(0.54)1.52zx 2g xh3 / 2L = 12.4 12.50 mEl caudal de 9 m3/seg entra poruna inclinacin mnima de 5%.el aliviadero de 12,50 m de longitud y cae a una rampa con48

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO2) Clculo de H2El valor H2 se estima 1.5 Yc, siendo Yc el que ocurre en la seccin 2y si asumimos en 2un ancho de rampa b2 = 2.0 se tendr:q 9 4.5m3 / segxm2Yc = 1.273 mEntonces: H 2 = 1.91 mEl valor de la cota en 2, ser : 97.593) Clculo de H1Yc H97.59 +99.5012H1 = 1.274 mEl valor de la cota en 1, ser: 99.23En 1 el ancho de la rampa es: 60% de b2 ; b1 = 1.2 m4) Pendiente de la ram paLa rampa deber tener una pendiente 5%98.23 97.5912.5S =5.12%El caudal que se est eliminando pasa por el punto 2 y cae a una poza que va conectada auna alcantarilla.49

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO5) Dimensionam iento de la alcantarillaEs necesario remarcar que por seguridad, se debe considerar una carga mnima de 1.5 Va2/2g encima de la alcantarilla hasta el Punto 1, con lo cual se garantiza la sumergencia y sobre todo, hay ms confianza de que no habr desborde por la escotadura o aliviadero en el caso imprevisto de un mayor caudal.Asumiendo una alcantarilla de 1.5 x 1.5, se tiene: A = 2.25 m2Va = 4 m/segCon estos datos asumidos se prosigue el clculo1.5 Va1.22m2gLa altura de energa respecto al fondo de la alcantarilla ser: H2 = 99.50 95.506 = 3.994 mCon ayuda del Plano Topogrfico, se establece aproximadamente la cota de entrega de la alcantarilla y se hace un balance de energa entre este Punto y el Punto 2.E2 = 99.50E2 = E3 + prdidas + H250

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOESQUEMA PRELIMINARPerdidas = Entrada + Friccin + Codos (2 codos)1/ 2Va2 Va22gL Va22Prdidas = 0.3fx( A)D 2g90 2gVa = velocidad de la alcantarillaf= 0.025, tomando este valor se obtienen tambin buenos resultados.= 0.25 (ver 2.6.11)= 22A 4 1.5x1.5 1.5D = 4R = 4 P 4x1.5L = 22.6 (se obtiene aproximadamente mediante el esquema tentativo).51

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO52

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO53

MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOMANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS54

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOReemplazando valores en (A) se obtiene:Va 22gPrdidas =09238La ecuacin del balance de energa ser:V 2Va 2399.50 = 92.30 + Y3 +0.9238 3.9942g2gY3 = 1.5 m V3 = VaLuego:1.706x19.62Va =1.9238Va = 4.17 m/segResulta una velocidad ligeramente superior a la de 4 m/seg. asumida debido a las prdidas de carga que son necesarias vencer, siendo necesario proyectar al final de la alcantarilla, un amortiguador del tipo de impacto que garantice una entrega con flujo lento, evitndose laserosiones y segn la Fig. 4.11 corresponde a un amortiguador de W = 4.0 m.1.4Amortiguadores del tipo de impactoLa Fig. 4.11 resulta de gran utilidad para dimensionar estos amortiguadores con caudales hasta de 11.2 m3/s (400 p.c.s) y velocidades iguales o menores a 9.14m/s (30 pies).Estos amortiguadores pueden ser utilizados tanto en canales abiertos como en tuberas y la disipacin es obtenida haciendo chocar el chorro de llegada contra un deflector vertical suspendido, el mejor funcionamiento es obtenido, cuando el tirante de la descarga, se aproxima, pero no excede a la mitad de la altura del deflector, siendo recomendable que el borde inferior del deflector se coloque al mismo nivel que el fondo del canal o tubo dellegada.55

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOFIG. 4.11 AMORTIGUADORES DEL TIPO DE IMPACTO56

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MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO4.0 DISEO DEALCANTARILLAS58

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO1.1.1LasAlcantarillas Generalidadesalcantarillas son conductos que pueden ser de seccin circulares o de marco(cuadradas o rectangulares) usualmente enterradas, utilizadas en desages o en cruces con carreteras, pueden fluir llenas o parcialmente llenas dependiendo de ciertos factores tales como: dimetro, longitud, rugosidad y principalmente los niveles de agua, tanto a la entada como a la salida.Es as como desde el punto de vista prctico, las alcantarillas se han clasificado en funcin de las caractersticas del flujo a la entrada y a la salida de la misma.Segn las investigaciones de laboratorio, se dice que la alcantarilla no se sumerge si lacarga a la entrada es menor que un determinado valor crtico denominadovara de 1.2 D a 1.5 D siendo D el dimetro o altura de la alcantarilla.H,cuyo valor1.2Tipos de alcantarilla por el flujo a la entrada y a la salidaTipo I: Salida sumergidaFigura 1La carga hidrulica H* a la entrada es mayor al dimetro D, y el tirante Yt a la salida, es mayor a D, en este caso la alcantarilla es llena:Luego: H* > D Yt > DAlcantarilla llena59

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOTipo II: salida no sumergidaFigura 2H > H* 1.2 H* 1.5Yt < DAlcantarilla llenaTipo III: Salida no sumergidaH > H Yt < DParcialmente llenaTipo VI: Salida no sumergidaH < H*Yt > ycFlujo subcrtico en la alcantarillaTipo V: Salida no sumergidaH < H*Yt < YcFlujo subcrtico en la alcantarilla Flujo supercrtico en la salidaTipo VI: Salida no sumergidaH < H*Yt < YcFlujo supercrtico en la alcantarilla Flujo supercrtico en la entradaEn diseos preliminares rpidos se recomienda usar H* = 1.5 D60

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOLos tipos I y II corresponden a flujo confinado en tuberas y los otros tipos a flujo en canalesabiertos.1.31.Criterios de diseoEl diseo hidrulico de una alcantarilla consiste en la seleccin de su dimetro de manera que resulte una velocidad promedio de 1.25 m/seg., en ciertos casos se suele dar a la alcantarilla una velocidad igual a la del canal donde sta ser construida, slo en casos especiales la velocidad ser mayor a 1.25 m/seg.La cota de fondo de la alcantarilla en la transicin de entrada, se obtiene restando a la superficie normal del agua, el dimetro del tubo ms 1.5 veces la carga de velocidad del tubo cuando ste fluye lleno o el 20% del tirante de la alcantarilla.La pendiente de la alcantarilla debe ser igual al a pendiente del canal.El relleno encima de la alcantarilla o cobertura mnima de terreno para caminos parcelarios es de 0.60 m y para cruces con la panamericana de 0.9 m.La transicin tanto de entrada como de salida en algunos casos se conectan a la alcantarilla mediante una rampa con inclinacin mxima de 4:1.El talud mximo del camino encima de la alcantarilla no debe ser mayor de 1.5:1En cruce de canales con camino, las alcantarillas no deben disearse en flujo supercrtico.Se debe determinar la necesidad de collarines en la alcantarilla.Normalmente las alcantarillas trabajan con nivel del agua libre, llegando a mojar toda su seccin en periodos con caudales mximos.Las prdidas de energa mximas pueden ser calculadas segn la frmula:2.3.4.5.6.7.8.9.10.Va22 gPerd. = (Pe + Pf + Ps)Donde loscoeficientesde prdida pueden ser determinadassegn lo explicado anteriormente:Pe = Prdidas por entrada Ps = Prdidas por salidaPf = Prdidas por friccin en el tuboVa = Velocidad en la alcantarillaEl factor f de las prdidas por friccin, se puede calcular mediante el diagrama de Moody opor el mtodo que ms se crea conveniente.1.4Tipos de alcantarillas por su capacidada. Alcantarilla de un tuboPara caudales iguales o menores a 1.2 m3/seg Q max = Di2 (m3/seg)61

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOLongitud de Transiciones LP 4 DiLa transicin de entrada no lleva proteccin y la transicin de salida lleva una proteccin de enrocado con un espesor de la capa igual a 0.20m.Longitud de proteccin LP 3 DiDimetro interno mnimoDi = 0.51b. Alcantarilla de 2 tubosPara caudales que oscilan entre 0.5 m3/s y 2.2 m3/s. Q max = 2 Di2 (m3/s)Longitud de las transiciones Lt 5 DiLas transiciones de entrada y salida llevan proteccin de enrocado con un espesor de la capa de roca de 0.25 m hasta una altura sobre el fondo del canal de 1.2 D.Longitud de proteccin en la entrada Lp 4 DiLongitud de proteccin en la salida Lp 5 DiDimetro interno mnimoDi = 0.51 mc) Alcantarilla de 2 ojosPara caudales que oscilan entre 1.5 m3/s y 4.5m3/s Seccin del ojo = Ancho x AlturaD x 1.25 DCapacidad Mxima de la alcantarilla Q max = 3.1 D2 (m3/s)Entrada y salida con proteccin de enrocado y con espesor de la capa de roca de 0.25 m. Longitud de las transicionesLt = D + bb = plantilla del canalLongitud de proteccin en la entrada Lp = 3 DLongitud de proteccin en la salida Lp = 5 DDimetro interno mnimo62

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICODi = 0.80 mD. Alcantarilla de 3 ojosPara caudales que oscilan entre 2.3 m3/s y 10.5 m3/s Seccin del ojo = ancho x alturaD x 1.25 DQ max = 4.8 D2 (m3/s)Entrada y salida con proteccin de enrocado y con un espesor de la capa de roca de 0.25 m. Longitud de las transicionesLt = D + bb = Plantilla del canalLongitud de proteccin de la entrada Lp 3 DLongitud de la proteccin de la salida Lp 5 DDimetro interno mnimoDi = 0.80 m1.5Collarines para los tubosEstos se construyen cuando existe la posibilidad de una remocin de las partculas del suelo en los puntos de emergencia y exista peligro de falla de la estructura por tubificacin, debidoal agua que se mueve alrededor de la superficie del tubo en toda su longitud.FIG 3. COLLARINES PAR A T UBOS63

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICODIMENSIONES1.6Ejemplos de diseoEjercicio 1.Disear la alcantarilla de la figura adjunta, que cruza un camino parcelario con ancho de 5.5 m.Caractersticas del canal aguas arriba y aguas abajoQ = 0.7 m3/s (Mximo) Z = 1.5S = 1 o/oo n = 0.025b = 1.0 mY1 = Y2 = 0.59 mV = 0.63 m/sV 22g= 0.02 mSoluc inEl diseo se har siguiendo los criterios recomendados en los tems descritos anteriormente64tuboh (m)e (m)181.520.15211.600.15241.680.15271.900.15302.130.15362.600.15422.820.15483.000.15543.500.15603.650.15

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO1) Seleccin del DimetroQ max = Di2Di =0.70Di = 0.836 escogemos: 36Di = 36 = 0.9144 m2) Cota del tubo en 2rea = r 2 = 0.6567 m2 Va = 1.066 m/sVa 22g1.5= 0.087El nivel de carga aguas arriba = 100 + 0.59 = 100.592VaCota del tubo en 2 = 100.59 (D + 1.5)2g3) Longitud de las transiciones entrada y salidaLt = 4 DiLt = 3.66 3.70Longitud de la tubera:Cota del camino: 101.60 msnm Cota del punto 2: 99.59 msnmLong. = 2 (1-5 (101.60 99.59) ) + 5.50Long. 11.53 11.60 mCota en 4:Esta cota al igual que la del punto 1, se obtiene del perfil del canal, cota 4: 99.90 msnm.4) Carga hidrulica disponibleSera la diferencia de niveles entre el punto 1 y 4H = (100.00 + 0.59) (99.90 +0.59)H = 0.10 (Debe ser a las prdidas de carga)5) Inclinacin de la transicin de entradaLa inclinacin mxima recomendada es 4:1 Lt3.709Cota1 Cota2100.0 99.59La inclinacin sera 9:1 < 4:1; se acepta.65

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO6) Balance de energa entre 1 y 41 = E4 + PrdidasPerdidas = Pe + Pf + PsVa 22gVa22gPe = Perdidas por entrada = 0.50.029Ps = Perdidas por salida = 0.650.038LVa 2Pf = Perdidas por friccin = fx0.019D2gDonde:f = 0.025 (comnmente asumido para casos prcticos) L = 11.60 (se puede redondear a 12)D = 0.9144 mLos coeficientes de Pe y Ps: segn Fig. 2.15Prdidas = 0.086 mE1 = 100.0 + 0.59 + 0.02 = 100.61 mE4 = prdidas = 99.90 + 0.59 + 0.02 + 0.086 = 100.596 mEn la ecuacin (x) debe cumplirse la igualdad, o ser E1 ligeramente mayor, en nuestro caso se tiene:E1 (E4 + prdidas) = 100.61 100.596 = 0.014 mLo que significa que no habr problema hidrulico,funcionar perfectamente.segnnuestro clculo la alcantarillaCota en 3La pendiente del tubo es 2 o/oo Luego: 12 x 0.002 = 0.024Cota 3 = Cota 2 0.024 = 99.57 msnm7) Inclinacin de la transicin de salida3.7011.299.90 99.57La inclinacin sera: 11.2 : 1 < 4:1 Se aceptaAltura de la cobertura66

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOCota 2 + Cota 3 = 99.58101.60 (99.58 + 0.9144) = 101.60 100.49) = 1.10 m1.10 > 0.60 (mnimo requerido) No existe problema8) Longitud de proteccinEs la longitud del enrocado en seco colocado a mano, entre la transicin y el canal de tierra y segn el tems 4.3.1.4 ser:Lp = 3 DiLp = 3 x 0.9144 = 2.74 Lp = 2.80 mEl enrocad se colocar solo en la salida y en un espesor de 0.2 m.Ejercicio 2.Cul ser el caudal mximo que evacua la alcantarilla de 36 de dimetro de la Fig. adjunta,para desaguar una quebrada que cruza un camino, siquebrada es de 3.02 m y a la salida la descarga es libre.elnivelmximodeaguaenlaSoluc inEstablecimiento balance de energa entre 1 y 2 E1 = E2 + Perdidas (A)Perd. = Pe + P f2VA2gPe = Perdidas por entrada = KeKe = 0.5 (comnmente adoptado para este caso)22VA20x VAPerd. = 0.5+ 0.025 x2g0.91442g67

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO2VAPerd. = 1.0472gReemplazando valores en la igualdad (A) se tiene:22VAVA99.52 = 96.45 + 0.9144 ++ 1.0472g2gVA = 4.55 m/segD 24Q = VA x A = 4.55 x Q = 2.99 m3/seg.Ejercicio 3.Calcular hidrulicamente la alcantarilla en el cruce del canal Batangrande con un camino parcelario, la pendiente del canal es de 4 o/oo y no es posible modificarlo, ni antes nidespus del cruce, puesto que el canal ya est construido, ademsson de material pedregoso (canto rodado medio).el lecho y lostaludesCarac tersticas del canal en Tierra Q = 5 m2 /segb = 2.5 m n = 0.035Z = 1.5Y = 0.95 mV = 1.34 m/segV 22g= 0.092H = 1.30 (altura de caja del canal)68

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOESQUEMA PRELIMINARSolucin:Son muchos y diferentes los criterios que entran en juego cuando se disea hidrulicamente una obra de arte y a veces stos escapan a los ya establecidos, al fin y al cabo cualquiera que sea el criterio, ste tendr que ser comprobado de manea que se demuestre que lasolucin adoptada satisface el problema planteado.Criterios.Este es un caso que comnmente se presenta en la prctica, despus de disear el perfil, se procede al diseo de las obras de arte cuando ya no se puede variar la rasante del canal.Nuestro punto de partida para iniciar el diseo, ser asumir una velocidad en la alcantarilla igual o casi igual a la velocidad en el canal.En este caso disearemos la alcantarilla para que trabaje a pelo libre, aun para el caudalmximo, debido a que ste ha sido precipitacin, lo cual nunca debe omitirse.4. Segn el problema se tiene:Velocidad de diseo = 1.34 m/s Caudal mximo= 5.0 m3/scalculado sin tener en cuenta los aportes porQ53.73m2rea =V1.34Si asumimos una plantilla de 3 m nos resulta un tirante de:rea: Plantilla x tirante = 3.73 m23.73 m23.0 m Tirante = 1.24 1.25 mEn consecuencia podemos asumir una alcantarilla d 2 ojos, cada ojo de seccin rectangular de: 1.5 x 1.5, con un borde libre de 0.25 que puede servir para los avenamientos y para caudales imprevistos o extraordinarios mayores a Qmx.69Tirante =

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO5. Longitud de transicionesT1 T2Lt =2Tg/ 2T1 = b + 2zy = 2.5 + 2 x 1.5 x 0.95 = 5.35 mT2 = 3.20 m/2 = 45 (para asegurar una mayor capacidad de embalse en casos fortuitos)Lt = 2.15 1.08m2.0Como Lt = resulta demasiado corto se toma: Lt = D + b = 1.5 + 2.5 = 4.0 m6. Cota de la plantilla de la alcantarilla en el Punto 2Cota 1 = 100.0 msnm (del perfil del canal)Nivel de agua en 1 = 100.0 + 0.95 = 100.95 m.s.n.m.Cota en 2 = 100-95 1.25 = 99.70 msnmNivel de agua en 2 = 99.70 + 1.25 = 100.95 m.s.n.m.7. Longitud de la alcantarilla Cota del camino = 102,00 Cota del punto 2 = 99.70Dif. de cotas = 2.30 mLongitud = 5.5 + 2 (1.5 x 2.30) = 12.40 m70

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO8. Cota de la plantilla de la alcantarilla en 322 Vn1.34 x0.014 S0.0012 / 3 r 2 / 31.875 4S = 1 o/ooCota del punto 2 (0.001 x 12.40) = 99.70 0.0124 Cota de la plantilla en 3 = 99.688Nivel de agua en 3 = 100.938 m.s.n.m.9. Cota de la plantilla en el punto 4Se obtiene del perfil del canal y esta equivale a: Longitud de alcant. + transiciones = 20.40 m Desnivel: 0.004 x 20.40 = 0.0816 mCota 1 0.0816 = 100.0 0.0816 = 99.92Cota de la plantilla en 4 = 99.92Nivel de agua en 4 = 99.92 + 0.95 = 100.87 m.s.n.m.10. Chequeo o comprobacin hidrulicaE1 = E4 + perdidas(A)En este caso calcularemos las prdidas analticamentePrdidas por Entrada22A2 ) V2fPog =(1 A22tg 452g1Segn las ecuaciones descritas:A1 = (2.5 + 1.5 x 0.95) 0.95 = 3.73 m2A2 = 2 (1.5 x 1.25) = 3.75 m2F1 = 2.5 2 x 0.95 1 + 1.52 = 5.93 mF2 = 2 (1.25 x 2 + 1.5) = 8 mR1 = 0.63 mR2 = 0.47 mR = 0.55 (promedio)F = 0.037 (segn 2.5.2.3.)Reemplazando valores, se tiene: Pog = 071

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOPrdidas por friccinS = 0.001Perdidas = 12.40 x 0.001 Perdidas = 0.0124 mPrdidas por salida222V3 V4 A4 1V4Peg = A32g2gT45.35 1.67Razn de anchuras:T33.20Con este valor y con /2 = 45 se obtiene:= 0.8 (aprox.)A4 = 3.73 m2 A3 = 3.75 m2Reemplazando valores se obtiene:Pa = 011. Sumatoria de prdidasPerd. = Pe + Pf + Ps = 0.0124 mSe puede concluir que cuando se proyecta con velocidades iguales las perdidas de cargas se pueden despreciar.Reemplazando valores en la igualdad (A) E1 = E4 = Perdidas100.0 + 0.95 + 0.092 = 99.92 + 0.95 + 0.0124101.042 = 100.974DIF. = 0.068 mLo que significa que no habr problema hidrulico, puesto que la carga hidrulica en 1 es mayor que en 4.Inclinacin de las transicionesTransicin de entrada413.3 o sea 13.3:1100.0 99.70Transicin de salida414.6 sea 14.8:199.92 99.65Ambas son ms planas que 4:1 luego se aceptan72

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOES Q UEM A DEF INITIVO73

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO5.0 DISEO DEDESARENADORES74

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO1.DESARENADORES1.1LosDefinicindesarenadores (figura 1), son obras hidrulicas que sirven para separar (decantar) yremover (evacuar) despus, el material slido que lleva el agua de un canal.El material slido que se transporta ocasiona perjuicios de las obras:i.Una gran parte del material slido va depositndose en el fondo de los canales disminuyendo su seccin. Esto aumenta el costo anual de mantenimiento y produce molestas interrupciones en el servicio del canal.Si los canales sirven a plantas hidroelctricas, la arena arrastrada por el agua pasa a las turbinas desgastndolas tanto ms rpidamente cuanto mayor es la velocidad. Esto significa una disminucin del rendimiento y a veces exige reposicionesfrecuentes y costosas.ii.1.2Clases de desarenadoresi.En funcin de su operacin:Desarenadores de lavado continuo, es aquel en el que la sedimentacin y evacuacin son dos operaciones simultneas.Desarenadores de lavado discontinuo (intermitente), que almacena y luego expulsa los sedimentos en movimientos separados. Son el tipo ms comn y la operacin de lavado se procura realizar en el menor tiempo posible con el objetode reducir al mnimo las prdidas de agua.ii.En funcin de la velocidad de escurrimiento:De baja velocidad v < 1 m/s (0.20 0.60 m/s)De alta velocidad v > 1 m/s (1 1.5 m/s)iii.Por la disposicin de los desarenadores:En serie, formado por dos o ms depsitos construidos uno a continuacin del otro.En paralelo, formado por dos o ms depsitos distribuidos paralelamente ydiseados para una fraccin del caudal derivado.1.3Fases del desarenamientoFase de sedimentacinFase de purga (evacuacin)1.4Elementos de un desarenadorPara cumplir su funcin, el desarenador se compone de los siguientes elementos:a.Transicin de entrada: une el canal con el desarenador.75

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOb.Cmara de sedimentacin: lugar en la cual las partculas slidas caen al fondo,debido a la disminucin de la velocidad producida por el aumento de la seccin transversal.Segn Dubuat, las velocidadesdiversas materias son:lmites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrarPara la arcillaPara la arena fina Para la arena gruesa0.081 m/s0.16 m/s0.216 m/sDeacuerdo a lo anterior, laseccin transversal de un desarenador, se disea paravelocidades que varan entre 0.1 m/s y 0.4 m/s, con una profundidad media de 1.5 m y 4 m. Observar que para una velocidad elegida y un caudal dado, una mayor profundidad implicaun ancho menor y viceversa.La forma de la seccin transversal puede ser cualquiera aunque generalmente se escoge una rectangular o una trapezoidal simple o compuesta. La primera simplifica considerablemente la construccin, pero es relativamente cara pues las paredes deben soportar la presin de la tierra exterior y se disean por lo tanto como muros de sostenimiento. La segunda es hidrulicamente ms eficiente y ms econmica pues las paredes trabajan como simple revestimiento. Con el objeto de facilitar el lavado, concentrando las partculas hacia el centro, conviene que el fondo no sea horizontal sino que tenga una cada hacia el centro. La pendiente transversal usualmente escogida es de1:5 a 1:8.c.Vertedero: al final de la cmara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Las capas superiores son las que primero se limpian, es por esto que la salida del agua desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea posible debe trabajar con descarga libre.Tambin mientras ms pequea es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensin arrastran.Como mximo se admite que esta velocidad puede llegar a v = 1 m/s.De la ecuacin de Francis para un vertedero rectangular sin contracciones, se tiene:3Q C L h 2(1)Donde:Q = caudal (m3/s)C = 1.84 (para vertederos de cresta aguda)C = 2.0 (para vertederos de perfil Creager)76

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOL = longitud de la cresta (m)h = carga sobre el vertedero (m)Siendo el rea hidrulica sobre vertedero:A = L h(2)La velocidad, por la ecuacin de continuidad, ser:31QCLh 2v ACh 2(3)Lhy la carga sobre el vertedero:2v h (4)C De donde para los valores indicados de v y C, se puede concluir que el mximo valor de hno debera pasar de 25 cm.Casi siempre el ancho de la cmara del desarenador no es suficiente para construir el vertedero recto y perpendicularmente a la direccin del agua. Por esto se le ubica en curva que comienza en uno de los muros laterales y continan hasta cerca de la compuerta de desfogue. Esta forma facilita el lavado permitiendo que las arenas sigan trayectorias curvasy al mismo tiempo el flujo espiral que se origina las alejas del vertedero.d. Compuerta de lavado o fondo, sirve para desalojar los materiales depositados en el fondo. Para facilitar el movimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador se le da una gradiente fuerte del 2 al 6%. El incremento de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de clculo, sino que el volumen adicional obtenido se lo toma como depsito para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos.Es necesario hacer un estudio de la cantidad y tamao de sedimentos que trae el agua para asegurar una adecuada capacidad del desarenador y no necesitar lavarlo con demasiadafrecuencia.Para lavar una cmara del desarenador se cierran las compuertas de admisin y se abren las de lavado con lo que el agua sale con gran velocidad arrastrando la mayor parte de los sedimentos. Entre tanto el caudal normal sigue pasando al canal sea a travs del canaldirecto o a travs de otra cmara del desarenador.Una vez que est vac a la cmara, se abren parcialmente las compuertas de admisin y elagua que entra circula con gran velocidad sobre los sedimentos que han quedado,77

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOerosionndolos y completando el lavado (en forma prctica, el operario se puede ayudar de una tabla para direccional el agua, a fin de expulsa el sedimento del desarenador).Generalmente, al lavar un desarenador se cierran las compuertas de admisin. Sin embargo, para casos de emergencia el desarenador debe poder vaciarse inclusive con estas compuertas abierta. Por este motivo las compuertas de lavado deben disearse para un caudal igual al trado por el canal ms el lavado que se obtiene dividiendo el volumen deldesarenador para el tiempo de lavado.Hay que asegurarse que el fondo de la o las compuertas est ms alto que el punto del ro al cual se conducen las aguas del lavado y que la ardiente sea suficiente para obtener una velocidad capaz de arrastrar las arenas.Se considera que para que el lavado pueda efectuarse en forma rpida y eficaz esta velocidad debe ser e 3 5 m/s.Muchas veces, esta condicin adems de otras posibles de ndole topogrfica, impidencolocar al desarenador, inmediatamente despus de la toma que es la ubicacin ideal, obligando desplazarlo aguas abajo en el canal.e. Canal directo, por el cual se da servicio mientras se est lavando el desarenador. El lavado se efecta generalmente en un tiempo corto, pero con si cualquier motivo, reparacin o inspeccin, es necesario secar la cmara del desarenador, el canal directo que va por su contorno, permite que el servicio no se suspenda. Con este fin a la entrada se colocan dos compuertas una de entrada al desarenador y otra al canal directo.En el caso de ser el desarenador de dos o ms cmaras, el canal directo ya no es necesariopues una de las cmaras trabaja con el caudal total mientras la otra se lava.1.51.5.1Consideraciones para el diseo hidrulicoClculo del dimetro de las partculas a sedimentarLos desarenadores se disean para un determinado dimetro de partcula, es decir, que se supone que todas las partculas de dimetro superior al escogido deben depositarse. Por ejemplo, el valor del dimetro mximo de partcula normalmente admitido para plantas hidroelctricas es de 0.25 mm. En los sistemas e riego generalmente se acepta hasta un dimetro de 0.5 mm.Se debe tener en cuanta el usar convenientemente la curva granulomtrica representativa del material en suspensin y fondo para un periodo de retorno equivalente a criterio del diseador (se sugiere 50 aos). Informacin bsica necesaria para determinar la cmara de colmatacin, determinacin del periodo de purga y el porcentaje de material en suspensin que no podr ser retenido.Para el uso de agua en agricultura, el dimetro mnimo de la partcula a eliminar seria de 0.5 mm, y para energa 0.2 mm. Para proyectar la decantacin del material de78

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOmaterial slido de dimetro menor, el diseador deber utilizar otras tcnicas sobre la base de experiencias que permitan garantizar la eficiencia en la retencin.Tambin se debe prever a que lugares se va a orientar o depositar los materiales decantados.La seccin ms eficiente para decantar, resulta ser la compuesta por paredes verticales en la parte superior y trapecial en la parte inferior.En sistemas hidroelctricos el dimetro puede calcularse en funcin de la altura decada como se muestra en la tabla 1, o en funcin del tipo de turbinamuestra en la tabla 2.como seTabla 1 Dimetro de partculas en funcin de la altura de cadaTabla 2 Dimetro de partculas en funcin del tipo de turbinas1.5.2Clculo de la velocidad del flujo v en el tanqueLa velocidad en un desarenador se considera lenta, cuando est comprendida entre 0.20 m/s a 0.60 m/s.La eleccin puede ser arbitraria o puede realizar utilizando la frmula de Campo.v =a d(cm/s)(5)Donde:d = dimetro (mm)a = constante en funcin del dimetro79Dimetro de partculas (d) a eliminar en el desarenador (mm)Tipo de turbina1 30.4 10.2 0.4KaplanFrancis PeltonDimetro de partculas (d) que sonretenidas en el desarenador (mm)Altura de cada (H)(m)0.6100 2000.5200 3000.3300 5000.1500 - 1000

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO1.5.3Clculo de la velocidad de cada w (en aguas tranquilas)Para este aspecto, existen varias frmulas empricas, tablas y nomogramas, algunas de las cuales consideran:Peso especfico del material a sedimentar ( ps ): gr/cm3 (medible)Peso especifico del agua turbia (w ): gr/cm3 (medible)ooAs se tiene:Tabla 4 preparada por Arkhangelski, la misma que permite calcular w (cm/s) en funcin del dimetro de partculas d (en mm).La experiencia generado por Sellerio, la cual se muestra en el nomograma de lafigura 3, la misma que permite calcular w (en cm/s) en funcin del dimetro d (en mm)La formula de Owens:ooow k d (s 1)(6)Donde:w = velocidad de sedimentacin (m/s)d = dimetro de partculas (m)s= peso especifico del material (g/cm3)k = constante que vara de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos, sus valores se muestra en la tabla 3Tabla -3 Valores de la constante k80Forma y naturalezaKArena esfrica9.35Granos redondeados8.25Granos cuarzo d > 3 mm6.12Granos cuarzo d > 0.7 mm1.28ad (mm)514436< 0.10.1 - 1> 1

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOTabla 4 Velocidades dedimetro de partculassedimentacin wcalculado porArkhangelski(1935) enfuncindelTabla 5 Valores de la constante k1.5.4La frmula de Scotti - Foglieniw = 3.8Donde:d + 8.3 d(7)w = velocidad de sedimentacin (m/s)d = dimetro de la partcula (m)Para el clculo de w de diseo, se puede obtener el promedio de los ws con los mtodos enunciados anteriormente.81Forma y naturalezakArena esfrica9.35Granos redondeados8.25Granos cuarzo d > 3 mm6.12Granos cuarzo d < 0.7 mm1.28d (m)W (cm/s)0.050.1780.100.6920.151.5600.202.1600.252.7000.303.2400.353.7800.404.3200.454.8600.505.4000.555.9400.606.4800.707.3200.808.0701.009.442.0015.293.0019.255.0024.90

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOEn algunos casos puede ser recomendable estudiar en el laboratorio la frmula que rija lasvelocidades de cada de los granos de un proyecto especfico.1.5.5 Clculo de las dimensiones del tanquea.Despreciandoelefectodelflujoturbulentosobresedimentacin, se pueden plantear las siguientes relaciones:lavelocidaddeCaudal: Q = b h v ancho del desarenador:Qkvb ... (8)Tiempo de cada:w h t hw.. (9)1Tiempo de sedimentacin:LLvv t t... (10)De donde la longitud, aplicando la teora de simple sedimentacin es:hvwL ... (11)b.Considerando los efectos retardatorios de la turbulenciaCon el agua en movimiento la velocidad de sedimentacin es menor, e igual a w w, donde w es la reduccin de velocidad por efectos de la turbulencia.Luego, la ecuacin (4.11) se expresa:L hv w w' . (12)en la cual se observa que manteniendo las otras condiciones constantes la ecuacin (12) proporciona mayores valores de la longitud del tanque que la ecuacin (11).Eghiazaroff, expres la reduccin de velocidad como:vw' m / s. (13)5.7 2.3hLevin, relacion esta reduccin con la velocidad de flujo con un coeficiente:w' = v m/s... (14)82

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOBestelli et al, considera:0.132...(15)hDonde h se expresa en m.En el clculo de los desarenadotes de bajas velocidades se puede realizar una correccin,mediante el coeficiente K, que vara de acerado a las velocidades de escurrimiento en el tanque, es decir:L K hvw (16)donde K se obtiene de la tabla 6.Tabla 6 Coeficiente para el clculo de desarenadores de baja velocidad.En los desarenadores de altas velocidades, entre 1 m/s a 1.50 m/s, Montagre, precisa que lacada de los granos de 1 mm estn poco influenciados por la turbulencia, el valor de K en trminos del dimetro, se muestra en la tabla 7.Tabla 7 Coeficiente para el clculo de desarenadotes de alta velocidadEl largo y el ancho de los tanques pueden en general, construirse a ms bajo costo que las profundidades, en el diseo se deber adoptar la mnima profundidad prctica, la cual paravelocidades entre 0.20 y 0.60 m/s, puede asumirse entre 1.50 y 4.00 m.1.5.6Proceso de clculo de las dimensiones del tanqueEl proceso de clculo se puede realizar de la siguiente manera:83Dimensione s de las partculas a eliminar d(mm)K10.500.25 0.3011.32Velocidad de escu rrimiento(m/s)K0.200.300.501.251.502

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICOa.a.1Asumiendo una profundidad (por ejemplo h = 1.50 m)Aplicando la teora de simple sedimentacin:Calcular la longitud con la ecuacin:hvwL Calcular el ancho de desarenador con la ecuacin:Qhvb Calcular el tiempo de sedimentacin con la ecuacin:hwt Calcular el volumen de agua conducido en ese tiempo con la ecuacin: V = Q tVerificar la capacidad del tanque con la ecuacin:V = b h La.2Considerando los efectos retardatorios de la turbulencia:Calcular , segn Bastelli et al:0.132hCalcular w, segn Levn:w = vCalcular w, segn Eghiazaroff :vw' 5.7 2.3hCalcular la longitud L utilizando la ecuacin:L hv w w'Para valores de w obtenidos de las ecuaciones de Bestelli y EghiazaroffCalcular L, corregida segn la ecuacin (9):L K kvwDe lo valores de L obtenidos, elegir uno de ellos.Definido h, b, y L se tienen las dimensiones del tanque desarenador.Para facilidad del lavado, al fondo del desarenador se le dar una pendiente del 2%. Esta inclinacin comienza al finalizar la transicin.84

MANUAL: CRITERIOS DE DISE OS DE OB RAS HI DRAULICAS PA RA LA FORMULACIO N DE PRO YE CTOS HIDRAULI COS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HI DRICO1.5.7 Clculo de la longitud de la transicinLa transicin debe ser hecha lo mejor posible, pues la eficiencia de la sedimentacin depende de la uniformidad de la velocidad en la seccin transversal, para el diseo se puede utilizar la frmula de Hind:T1 T2L (17)2tg 22.5oDonde:L = longitud de la transicinT 1 = espejo de agua del desarenadorT 2 = espejo de agua en el canal1.5.8 Clculo de la longitud del vertederoAl final de la cmara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Mientras ms pequea es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador