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Manual de diseño de caídas para canales de riego.
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Resumen elaborado:
Ing. Teresa Velásquez Bejarano
Docente Principal del DRAT-FIA
Fuentes:
Fotografías de Proyectos del SUR del Perú.
Principios y aplicaciones del Drenaje. Diseño y Manejo de los sistemas de Drenaje. ILRI.
Manuales de Diseño cooperacion Peruano-Holandesa. ILACO.
Manual de Design of Small Dams y Small Canal Structures. Bureau of Reclamation. Manual Criterios de diseños de obras hidraulicas para la formulacion de proyectos hidraulicos multisectoriales y de afianzamiento hidrico. ANA.
CURSO Diseño Hidráulico y Estructural de Obras de Arte
CAIDAS
UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA Departamento de Recursos Hídricos
CAIDAS
• Son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario efectuar cambios bruscos en la rasante de un canal, permite unir dos tramos (uno superior y otro inferior) de un canal, por medio de un plano vertical, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de aguas abajo.
Interpretación de
fenómenos locales Ven Te Chow
FINALIDAD DE UNA CAIDA • La finalidad de una caída es conducir agua desde un determinado nivel
a uno mas bajo y disipar la energía generada por esta diferencia de niveles a través de una poza disipadora.
• Al efectuarse la caída pasa de un flujo Normal a un Flujo Supercritico para luego a través de la poza disipadora obtener nuevamente su estado de flujo Normal debido a la liberacion de energía a través del Salto Hidráulico y al suscitarse el choque de un flujo Supercritico con un flujo Normal.
ELEMENTOS DE UNA CAIDA
• TRANSICION DE ENTRADA-.Une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal con la sección de control de la caída.
• SECCION DE CONTROL-.Es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones criticas. O sea que se presentan el tirante critico, por lo que el flujo pasa de sub-crítico a supercrítico.
• CAIDA EN SI-.La cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada.
• POZA O COLCHON AMORTIGUADOR-.Es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía interna del agua al pie de la caída.
• TRANSICION DE SALIDA-.Une la poza de disipación con el canal aguas abajo
ENTRADA
SALIDA
POZA AMORTIGUADORA
CAIDA EN SI
SECCION
CONTROL
CAIDA
ALGUNAS VISTAS
DISEÑO DE UNA CAIDA
• La mayoría de obras hidráulicas con casos de desniveles que se suscitan en cortas distancias, opta por elegir caídas que pueden ser INCLINADAS o VERTICALES, su elección depende del terreno y la forma como se presenta la diferencia de nivel.
• Los Manuales nos dan una posibilidad de diseñar este tipo de caídas con 4 diferentes tipos de poza de disipación que pueden ser: la POZA SAF (Saint Antony Falls), o 3 TIPOS del USBR (US Bureau of Reclamation) II, III y IV
• Las caidas pueden considerar pozas con obstaculos o sin obstaculos, su eleccion depende de la velocidad del flujo al llegar a la misma.
• La teoría y formulas aplicadas son tratadas en las publicaciones:
Principios y aplicaciones del Drenaje. Diseño y Manejo de los sistemas de Drenaje. ILRI.
Manuales de Diseño cooperacion Peruano-Holandesa. ILACO.
Manual de Design of Small Dams y Small Canal Structures. Bureau of Reclamation.
DISEÑO DE UNA CAIDA
• La diferencia maxima de nivel entre el pelo libre del agua aguas arriba de la caida y aguas abajo ha sido determinada en 4.50 m.
• La estructura debe de tener suficiente seguridad contra la tubificacion y el deslizamiento.
• La informacion MINIMA para el diseño de una caida son las caracteristicas hidraulicas y elevaciones del fondo de los tramos del canal tanto aguas arriba como aguas debajo de la estructura proyectada, Perfil longitudinal del terreno del sitio proyectado para ubicar la estructura con informacion sobre el material de la cimentacion propia del estudio geologico e investigaciones geotecnicas.
• La ubicación de la estructura debe de considerar que el flujo de agua hacia la estructura sea lo mas uniforma posible, osea de preferencia seleccionar tramos rectos de suficiente longitud.
• Los criterios para diseñar una caida vertical y una incliunada son diferentes y seran tratados independientemente.
Criterios Hidráulicos en Caídas
Inclinadas
Fuente:
• Design of small dams. Bureau of Reclamation
• Design of small dams. Bureau of Reclamation
• Manuales de Diseño cooperacion Peruano-Holandesa. ILACO.
Criterios hidráulicos de una Caída Inclinada
• La diferencia maxima de nivel entre el pelo libre del agua aguas arriba de la caida y aguas abajo ha sido determinada en 4.50 m.
• SINAMOS, recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000 l/s x m de ancho, siempre se debe construir caídas inclinadas, además manifiesta que la ejecución de estas obras debe limitarse a caídas y caudales pequeños, principalmente en canales secundarios construidos en mampostería de piedra donde no se necesita ni obras de sostenimiento ni drenaje.
• Cuando el desnivel es ≤ 0.30 m y el caudal ≤ 300 l/s x m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.
• Limitaciones para el diseño:
. La pendiente del tramo sera de 1:3
. Longitud maxima del tramo recomendada en no mas de 13.50 m
. Altura de caida hasta 4.50 m
ENTRADA
CAIDA EN SI
SECCION CONTROL
SALIDA
POZA AMORTIGUADORA
CAIDA INCLINADA
B
B
D
D
A A
C
C
PROCEDIMIENTO DE CALCULO DE UNA
CAIDA INCLINADA
Cálculo Hidráulico
Se utilizará el método empleado por el Bureau of Reclamation.
1. Determinación de los niveles de energía antes y después de la caída. (F).
El C1 = El C0 + d0 + hv0, (Antes de la caida)
El C4 = El C3 + d3 + hv3,(Despue3s de la caida)
1 2
Antes de la caida
Despúes de la
caida
2. Determinación de la diferencia de niveles
de Energia (F).
F = El C1 – El C4, siendo El C1 = El C0 + d0 + hv0 y El C4 = El C3 + d3 + hv3
2 1
3. Determinación del caudal unitario (q)
q = 1.71 H 3/2 (m3/seg/metro de ancho)
H = do + hvo 4. Determinación del ancho de la caida
J = Q/ q
2 1
5. Determinación de la profundidad critica
yc
yc = (q2/g) 1/3 = 0.467 q2/3
q = Q/ J definitivo
2 1
6. Determinación de las profundidades
aguas arriba y1 y aguas abajo y2
VER TABLA “Perdida de Energía en saltos hidráulicos”
7. Elevacion del Pozo
El C2 = El C1 – ( hv1-d1)
8. Determinacion de la Longitud del
Pozo
Lp= 6 (d2- d1) o Lp = 4 d2
TABLA “Perdida de
Energía en saltos
hidráulicos”
H es la perdida de
energia total entre
1 y 2
1 2
Fuente: Design of small
canal structures. BUREAU
2 1
9. Determinacion del Bordo libre. En el
Pozo
Q v1 d1/A1
10. Determinacion de la Longitud de las
Transiciones de entrada y salida.
Ver Unidad Transiciones
Criterios Hidráulicos en Caídas
Vertical
Fuente:
• Design of small dams. Bureau of Reclamation.
• Design of smallcanal structures. Bureau of Reclamation.
• Hidraulica. Dominguez.
• Principios y aplicaciones del Drenaje. Diseño y Manejo de los sistemas de Drenaje. ILRI.
Criterios hidráulicos de una Caída Vertical
• Se construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1 m como máximo, sólo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores.
• SINAMOS, recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000 l/s x m de ancho, siempre se debe construir caídas inclinadas, además manifiesta que la ejecución de estas obras debe limitarse a caídas y caudales pequeños, principalmente en canales secundarios construidos en mampostería de piedra donde no se necesita ni obras de sostenimiento ni drenaje.
• Cuando el desnivel es ≤ 0.30 m y el caudal ≤ 300 l/s x m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.
• El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la formula para caudal unitario “q”, q = 1.48 H 3/2
• Siendo el caudal total:
(Formula de Weisbach)
μ = 0.50, B = ancho de caída
• La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte
sobre ella si se coloca un vertedero calibrado.
• Por debajo de la lámina vertiente en la caída se produce un depósito de agua
de altura yp, que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de
agua marche hacia abajo.
Criterios hidráulicos de una Caída Vertical
• Rand (1955) citado por ILRI (5) Pag. 209, encontró que la geometría del flujo de
agua en un salto vertical, puede calcularse con un error inferior al 5% por medio
de las siguientes funciones:
Criterios hidráulicos de una Caída Vertical
Criterios hidráulicos de una Caída Vertical
• Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara
indicada en la Figura mostrada, el cual se debe reemplazar para evitar la
cavitación o resonancias sobre toda la estructura.
• Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones
siguientes: a) Contracción lateral completa en cresta vertiente, disponiéndose
de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lámina
vertiente. b)Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en
m3/sxm de ancho de cresta de la caída, según ILRI (5) Pag. 210.
Criterios hidráulicos de una Caída Vertical
Contracción lateral completa en cresta vertiente
Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/sxm de
ancho de cresta de la caída, según ILRI (5) Pag. 210.
Criterios hidráulicos de una Caída Vertical
Criterios hidráulicos de una Caída Vertical con
obstáculos El Bureau of Reclamation, ha desarrollado para saltos pequeños, un tipo de
caída con obstáculos donde choca el agua de la lámina vertiente y se ha
obtenido una buena disipación de energía para una amplia variación de la
profundidad de la lámina agua abajo, a tal punto que puede considerarse
independiente del salto.
Criterios hidráulicos de una Caída Vertical con
obstáculos
Anchura y espaciamiento de los obstáculos = 0.4 Yc
Longitud mínima de la cubeta = Ld + 2.55 Yc
Ld = 4.30 D0.27H D= q2 / g h3 q= Q / B
Con contracciones laterales Q = C L H3/2 Puede asumir C= 2.2 como maximo
Donde:
B = Ancho de la caída, Q = Caudal en vertedero o caudal de la caída,
P = El mínimo valor de P, será la diferencia de energías aguas arriba de la cresta y en la cresta
donde se produce Yc
h = Carga sobre cresta
Se calcula primeramente B, puesto que “Q” es el caudal en el canal y por lo tanto es ya conocido. La
anchura y espaciamiento entre los obstáculos será aproximadamente 0.4 Yc.
Criterios hidráulicos de una Caída Vertical con
gradas
Son caídas verticales continuas, que se proyectan para salvar desniveles abruptos
siendo recomendable no proyectar en este caso caídas o gradas con alturas
mayores de 0.80 m.
GRADAS DE BAJADA
ANTECEDIDAS Y
SEGUIDAS DE FLUJO
SUPERCRITICO
Y1/Yo Y1 tirante de flujo
supercrítico y a la vez es
el valor Yo aguas arriba
de la segunda grada.
Yo tirante de flujo
supercrítico y a la vez es
el valor Yo aguas arriba
de la segunda grada.
K= a/yc A altura de la grada
Yc Tirante critico
DISTANCIA ENTRE
GRADAS EN
FLUJO
SUPERCRITICO
D= d/Yc d ancho de la poza.
Yc tirante crítico
X1= Y1/yc Yc Tirante critico
POZAS DE DISIPACION
Fuente:
• Design of small dams. Bureau of Reclamation.
• Design of smallcanal structures. Bureau of Reclamation.
Pozas de Disipación
VISTA DE UN VERTEDERO UBICADO EN EL CAUCE DE UN
RIO CON POZA DE DISIPACION
Pozas de Disipación
Formas de salto Hidráulico y las pozas de disipación.
Y1/y2 = ½ (- 1 + (1+8Fr22) ½
Y2/y1 = ½ (- 1 + (1+8Fr12) ½
Lpoza= 6 (d2 –d1) Fr = v/ (gy) 1/2
Pozas de
Disipación
TANQUE SAF SAINT ANTONY FALLS
VERTEDEROS PEQUEÑOS, OBRAS DE DESCARGA DONDE:
Velocidades no son mayores de 15 a 18 m/seg
1.7 < F1 < 17 Fr = v/ (gy) 1/2
Pozas de
Disipación
TANQUE USBR II US BUREAU OF RECLAMATION
VERTEDEROS DE GRAN MAGNITUD, OBRAS DE DESCARGA DONDE:
Velocidades no son mayores de 15 a 18 m/seg F1 > 4.5
Fr = v/ (gy) 1/2
Pozas de
Disipacion
TANQUE USBR II US BUREAU OF RECLAMATION
VERTEDEROS DE GRAN MAGNITUD, OBRAS DE DESCARGA DONDE:
Velocidades no son mayores de 15 a 18 m/seg F1 > 4.5
Fr = v/ (gy) 1/2
Pozas de
Disipacion
TANQUE USBR III US BUREAU OF RECLAMATION
VERTEDEROS DE GRAN MAGNITUD, OBRAS DE DESCARGA DONDE:
Velocidades no son mayores de 15 a 18 m/seg F1 ≥ 4.5
Fr = v/ (gy) 1/2
Pozas de Disipacion
TANQUE USBR IV US BUREAU OF RECLAMATION
VERTEDEROS DE GRAN MAGNITUD, OBRAS DE DESCARGA DONDE:
Velocidades son menores de 15 m/seg 2.5 < F1 < 4.5
Fr = v/ (gy) 1/2
Tipo de Paso
para suprimir
ondas
EJEMPLO CAIDA VERTICAL
Datos:
Desnivel = Δz = 1 m
Características del canal aguas arriba y aguas abajo Q = 2 m3/s, Q = 2 m3/s
S = 1 o/oo, S = 0.7 o/oo
n = 0.015, n = 0.015
Z = 1 (Talud), Z = 1 (talud)
b = 1.0 m, b = 1.0 m
Y = 0.85 m, Y = 0.935 m
A = 1.57 m2, A = 1.81 m2
V = 1.27 m/s, V = 1.1 m/s
H = 0.85 + 0.082 = 0.932m
H = 0.997 m
ρa/ρw = aproximadamente 1/830 para aire a 20ºC
Ke = Coeficiente de perdida de entrada (Usar Ke= 0.5)
Kb = coeficiente de perdida por curvatura (Usar Kb=1.1)
Kex = Coeficiente de pérdida por salida (Usar Kex=1.0)
(P/ρg) = Baja presión permisible debajo de la lámina
vertiente, en metros de columna de agua. (Se puede
suponer un valor de 0.04 m de columna de agua)
0.04
PLANOS DE UNA
CAIDA VERTICAL
CAIDA VERTICAL
CAIDA VERTICAL
CAIDA VERTICAL
CAIDA VERTICAL
PLANOS DE UNA
CAIDA INCLINADA
CAIDA INCLINADA
CAIDA INCLINADA
PLANOS DE UNA CAIDA INCLINADA Fuente: Manual de Design of Small Dams y Small Canal Structures. Bureau of Reclamation.
PLANOS DE UNA CAIDA INCLINADA Fuente: Manual de Design of Small Dams y Small Canal Structures. Bureau of Reclamation.
Refuerzo para
Piso de la
Poza
Fuente: Manual Small Canal Structures. Bureau of Reclamation.
Refuerzo para
Piso de la
Poza
Fuente: Manual Small Canal Structures. Bureau of Reclamation.
GRACIAS POR SU ATENCION [email protected]