Dispositivos de aforo en canales

El gasto en un canal se puede medir simplemente con un vertedor, ya que se conoce la formula que relaciona la carga sobre su cresta con el gasto que pasa sobre él. Sin embargo el vertedor no es muy apropiado para medir gastos en canales grandes porque exige una diferencia importante de niveles en la plantilla antes y después de la estructura.

También puede medirse gastos en canales construyendo secciones con geometría sencilla, llamadas secciones de aforo, y a partir de mediciones cuidadosas, generalmente hechas con molinete donde se pueden elaborar curvas de gasto Q-h.La dificultad que encierra este procedimiento es que la presión obtenida no es a menudo la deseada y por eso se ha recurrido a otro tipo de aforador como es el debido a parshall.

En general, el procedimiento para aforo en canales puede planearse en la siguiente fórmula:

Supóngase que se diseña un cambio geométrico en un canal de una sección 1 a dos, construidas en un tramo pequeño de un mismo canal partiendo de la ecuación de la energía (1). Y puede escribirse (para S0 =0)(2)

z1+h1+ v 12

2g=z2+h2+ v 2

2

2g + hF1-2 (1) h1−h2= v2

2

2g− v 1

2

2g+hF1-2 (2)

y Como:

hf 1−2=f (Cf ,V 12 ,V 22)

En que Cf es el coeficiente que incluye la geometría del tramo.Utilizando hf 1-2 que se indica obtenemos la formula De:

Q= Cd √h1−h2

Siendo Cd EL coeficiente de descarga.

El aforador Parshall

El aforador Parshall es una estructura hidráulica que permite medirla caudal de agua que pasa por una sección de un canal. Consta de cuatro partes principales:

il Transici6n de entrada.

ii) Sección convergente

iii) Garganta.

iv) Sección divergente.

En la transición de entrada, el piso se eleva sobre el fondo original del canal, con una pendiente suave y las paredes se van cerrando. va sea en línea recta o circular. En la sección convergente, el fondo es horizontal y el ancho va disminuyendo. En la garganta el pico vuelve a bajar para terminar con otra pendiente ascendente en la sección divergente. En cualquier parte del aforador, desde el inicio de la transición de entrada hasta la salida, el aforador tiene una sección rectangular. Junto a la estructura del aforador se tienen dos pozos laterales o tanques con la misma profundidad, o mayor, que la parte más baja del aforador. El agua que escurre por el aforador pasa a estos tanques por medio de unas perforaciones colocadas en la pared de la sección convergente y en la garganta, ver figura 1.

Fundamentalmente. el aforador es una reducción de la sección que obliga al agua a elevarse o a remansarse", y volver a caer. Hasta la elevación que se tenía sin la presencia del aforador. En este proceso se presenta una aceleración del flujo que permite establecer una relación matemática entre la elevación del agua y el gasto.

Por medio de muchos experimentos en los que se colocaron diferentes tamaños de aforadores y se midió el gasto y la profundidad, (a la que también puede llamársele elevación. nivel, tirante o carga] se observo que todos los aforadores tienen un comportamiento similar en la relación tirante contra gasto, para condiciones de descarga libre ; es decir, todos se pueden representar matemáticamente con la siguiente ecuación.

Q=Cd√h1−h2 (1)

Donde Q es el gasto, para condiciones de descarga libre; Ha es la profundidad del agua en una ubicación determinada del aforador (ver figura 3); C y n son valores diferentes para cada tamaño de aforador. En función del tamaño del aforador las unidades de la ecuación (1) pueden ser en uso m3ís cúbicos para el gasto y en milímetros o metros para la profundidad He. Los aforadores que se probaron tienen medidas establecidas y cualquier aforador que se construya debe apegarse a dichas medidas, ya que los errores de construcción generaran mediciones err6neas. En la figura 3 y en la tabla 1 se proporcionan los datos de cada aforador.

2.4 TRANSICIONES Y CURVAS EN REGIMEN SUBCRITICO. Un trabajo que frecuentemente deben realizar los ingenieros civiles, consiste en el diseño de unatransición entre dos canales de diferente sección transversal, o entre un canal y una galería o unsifón. Como criterios para el dimensionamiento hidráulico se pueden mencionar:a. Minimización de las pérdidas de energía por medio de estructuras económicamente justificables.b. Eliminación de las ondulaciones grandes y de los vórtices (por ejemplo, los vórtices deentrada con el consecuente peligro de introducción de aire. c. Eliminación de zonas con agua tranquila o flujo muy retardado (por ejemplo: las zonas deseparación traen consigo e! riesgo de depósito de material en suspensión).Estos criterios se cumplen para el caso de flujo subcrítico, si se le confiere a la estructura detransición una formahidrodinámica con la ayuda de relacionesderivadas del fenómeno de laformación de ondas.El problema de la formación de ondas no se restringe a las estructuras conflujo supercrítico. También en flujo subcrítico se forman ondas permanentes si hay cambiosbruscos dedirección o cambios fuertes de nivel del fondo del canal. En este

último caso puedellegar a presentarse un cambio de régimen con salto hidráulico, si no se pone atención en el diseñode la estructura.Para los cálculos hidráulicos en las estructuras de transición con flujo subcrítico son admisibles lassiguientes hipótesis:  Se supone que la pendiente de la línea de energía es constante en el tramo relativamente cortode la estructura de transición y, en ausencia de pérdidas locales, puede, asimismo, calcularsepor tramos con la ayuda de la ecuación de Gauckler-Manning-Strickler:  La velocidad varía principalmente en función de la distancia. Se supone que los factores α y β son iguales a 1, o bien, pueden definirse para las secciones transversales extremas y efectuaruna interpolación para las secciones intermedias.Los efectos de la curvatura del flujo pueden ignorarse, con lo que las distribuciones de presión resultan hidrostáticas. Se pueden dejar de considerar también las zonas de separación de flujo. PASOS PARA EL DISEÑO DE UNA ESTRUCTURA DE TRANSICIÓN. Una ayuda valiosa en el cálculo hidráulico es el diagrama de energía con las curvas Ho-y. Serecomienda trazar, con el caudal dado Q, una familia de curvas para varias

seccionestransversales de la estructura, donde los cambios en la sección transversal de la estructura detransición están limitados únicamente a cambios en el ancho B del canal, de tal modo que lassecciones transversales consecutivas están caracterizadas por valores definidos del caudal unitarioq=Q/B.

Consideraciones generalesUn trabajo que frecuentemente deben realizar los ingenieros civiles, consiste en el diseño de una transición entre dos canales de diferente sección transversal, o entre un canal y una galería o un sifón. Como criterios para el dimensionamiento hidráulico se pueden mencionar:a. Minimización de las pérdidas de energía por medio de estructuras económicamente

justificables.b. Eliminación de las ondulaciones grandes y de los vórtices (por ejemplo, los vórtices de

entrada con el consecuente peligro de introducción de aire.c. Eliminación de zonas con agua tranquila o flujo muy retardado (por ejemplo: las zonas de

separación traen consigo e! riesgo de depósito de material en suspensión).

Estos criterios se cumplen para el caso de flujo subcrítico, si se le confiere a la estructura de transición una forma hidrodinámica con la ayuda de relaciones derivadas del fenómeno de la formación de ondas. El problema de la formación de ondas no se restringe a las estructuras con flujo supercrítico. También en flujo sub-crítico se forman ondas permanentes si hay cambios bruscos de dirección o cambios fuertes de nivel del fondo del canal. En este último caso puede llegar a presentarse un cambio de régimen con salto hidráulico, si no se pone atención en el diseño de la estructura

ALCANTARILLASHidráulicamente, las alcantarillas se definen como conductos cerrados, ya que pueden operar con la línea de carga de la corriente de agua por encima de su corona y, por consiguiente, trabajar a presión. Una alcantarilla que no trabaje a plena carga opera de la misma forma que un canal abierto. Las alcantarillas se construyen de diversas formas: circulares, ovaladas o abovedadas cuadradas y rectangulares, y están hechas de distintos materiales, concreto simple o armado, metal liso o corrugado, arcilla,

ESTUDIOS PREVIOS AL DISEÑO DE ALCANTARILLAS

El diseño de alcantarillas requiere una serie de estudios previos agrupados en: Hidrológicos, Topográficos e Hidráulicos.

ESTUDIOS HIDRÁULICOS

El diseño hidráulico de las alcantarillas tienen por finalidad encontrar el tipo y tamaño de éstas que desagüen de la manera más económica la corriente original por una lluvia de frecuencia establecida. Una alcantarilla se construye para dar paso bajo la carreta al agua que escurre por la corriente o canal. Generalmente, la alcantarilla reduce el cauce de la corriente, ocasionando un represamiento del agua a su entrada y un aumento de su velocidad dentro del conducto y a la salida. El éxito del diseño hidráulico radica, en lograr una estructura con capacidad de descargar, económicamente, una cantidad de agua dentro de los límites del nivel de las aguas y de velocidad. Con la altura y descarga determinadas, la finalidad del diseño es proporcionar la alcantarilla más económica.

EL FLUJO EN LAS ALCANTARILLAS

Para proyectar una alcantarilla se debe conocer la mecánica básica del flujo en el conducto para establecer las ecuaciones que relacionan a la altura del agua a la entrada con el gasto y las dimensiones de la alcantarilla. El escurrimiento a través de una alcantarilla se regula por los siguientes factores: pendiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo del lugar, pendiente del fondo de alcantarilla, altura de embalse a la entrada, tipo de entrada, rugosidad de las paredes de la alcantarilla, y altura del remanso a la salida a, que será la que con menor sección transversal satisfaga los requisitos del diseño.

CLASIFICACION DE LAS ALCANTARILLAS

ALCANTARILLAS METALICAS

Generalmente corrugadas, ya que esta condición aumenta la resistencia del material, acero o aluminio, a los esfuerzos. Figura 10 – 64.

ALCANTARILLAS DE CONCRETO Según su forma pueden ser de cajón circular y ovaladas. En canales estrechos y profundos que lleven altos flujos en épocas lluviosos, es más conveniente alcantarillas

estrechas y altas. En zonas planas, sin cauces definidos, el agua escurre en grandes volúmenes pero pequeñas alturas, en este caso, una alcantarilla de cajón de varias celdas o aberturas será la indicada.

ALCANTARILLAS DE CAJON Estas son adecuadas cuando trabajan bajo condiciones de compresión moderadas o rellenos muy bajos; cuando las cargas del relleno aumentan, o cuando las presiones hidrostáticas internas son mayores de las cargas interiores; esta forma de alcantarilla es menos económica. Las alcantarillas de varias celdas se adaptan a rellenos moderados a largos cursos de aguas; son ventajosas cuando la pendiente del terreno es fuerte y la altura de relleno es restringida, en estas alcantarillas no se presentan de fundación; sobre suelos que no se portan compresión o que tienen baja capacidad de soporte, las presiones se distribuyen de forma más uniforme y sobre un área más ancha que en los otros tipos de alcantarillas; el asentamiento es menos probable y, por lo tanto disminuye la posibilidad de hundimientos en la vía. En fundaciones sobre rocas, el espesor de la loza de fondo puede ser reducido y, a veces, hasta eliminado mediante l uso de pequeñas bases. El uso de las alcantarillas de cajón es muy frecuente debido a la simplicidad de su construcción. Figura 10 – 65 A.

ALCANTARILLAS CIRCULARES Pueden ser prefabricadas o de diseño especial. Las prefabricadas se usan cuando va a estar sometidas a carga de relleno y Cargas hidrostáticas dentro de los límites normales. Cuando la eficiencia hidráulica es importante, como en el caso de las alcantarillas largas las características d la alcantarillas circulares son decisivas para su elección. En efecto, para un perímetro dado, la selección circular tiene mayor área que cualquier otra forma, lo que significa economía de materiales. Además para un área dada de sección circular se tendrá el mayor flujo debido al mayor radio hidráulico.

ALCANTARILLA DE DISENO ESPECIAL Se diseñan con la cara inferior relativamente plana, logrando una distribución amplia de la carga, la cual da grandes espesores y resistencia en los lados y la transición uniformes de los grandes empujes a la fundación y pequeños espesores en la parte superior para resistir las pequeñas presiones y fuerzas cortantes. En resumen este tipo de alcantarillas tiene diseño hidráulico de un tubo circular, las propiedades de soporte de un arco y una base plana tan útil como las alcantarillas de cajón. Figura 10 – 65 B. Se ha comprobado que los siguientes factores afectan la vida de una alcantarilla: Gasto que fluye a través de la alcantarilla, velocidad del flujo contenido de sedimentos abrasivos, concentración de iones hidrógeno (PH) en el suelo, resistividad eléctrica del suelo contenido de carbonato de calcio, sulfato y sólidos disueltos en el agua, características geológicas de los manantiales presencia de compuesto orgánicos en el agua y afectación de la holla por materias contaminantes.

DISENO ESTRUCTURAL DE LAS ALCANTARILLAS El análisis y diseño estructural e una alcantarilla es, un problema de interacción suelo – estructura. Determinada esta interacción, el diseño es similar a cualquier otra estructura. Determinación de las cargas a que van a estar sometidas, tales como el peso de tierra que los cubrirá y las cargas del tráfico e impacto, y la estimación de la resistencia o capacidad para soportar esas cargas con un margen de seguridad apropiado. La capacidad de soporte de una alcantarilla depende principalmente, de la resistencia del conducto, de la

distribución de la carga vertical y la reacción del fondo y de la magnitud y distribución de los empujes laterales.

CARGAS QUE ACTÚAN SOBRE LOS CONDUCTOS Sobre los conductos subterráneos actúan las siguientes son: Carga debido al peso del relleno Carga debidas al tráfico Empujes laterales del material de relleno Presión hidrostática interna debido al flujo de agua. Ysd =(Sm + Sg) – (Sf + dc) Sm Donde: Ysd = Relación de asentamiento Sm = Deformación de la columna de terraplen entre el plano crítico y el terreno natural. Sg = Asentamiento del terreno natural adyacente al conducto Sf = Asentamiento de la fundación del conducto dc = acortamiento del diámetro vertical del conducto