CAÍDAS VERTICALES
2.1. GENERALIDADES
En este tipo de estructuras interesan las caídas verticales con
bloques de impacto en le poza de disipación más una barrera
transversal al final de la misma (sardinel); que sea adaptable a
grandes fluctuaciones del nivel, aguas abajo en el canal da salida, y
de fácil cálculo y construcción.
Las fluctuaciones del nivel aguas abajo ocurren con frecuencia en
canales de desagüe de escorrentías, generalmente de tierra y sin
ninguna estructura de control o en desagües naturales.
Para esta situación particular se describe un diseño general
desarrollado en el Laboratorio de Hidráulica de SAINT ANTHONY
FALLS SAF), Servicio de Investigación Agrícola de la Universidad de
Minnesota (5); igualmente se desarrolla la caída vertical con simple
poza de disipación y muros de mampostería. La caída vertical SAF se
adapta mejor a las fluctuaciones considerables del nivel de agua en el
canal de salida.
La sucesión de caídas verticales de poca altura o cascadas son
usadas en reemplazo de una solo caída vertical mayor, cuando hay
espacio suficiente para su desarrollo horizontal o el desnivel a salvar
es menos abrupto. Frente a la alternativa de usar varias caídas
sucesivas o una sola caída grande, se deben estudiar las condiciones
o requisitos para su aplicación en cada caso, la magnitud de la obra
comprometida, dificultad de ejecución y costos.
2.2. LA CAÍDA VERTICAL TIPO SAF (5)
A. Condiciones para su aplicaci6n: (Ver Fig. N° 3).
1. El diseño es aplicable a alturas de caída relativas
comprendidas entre 1.0 (ho/Yc) a 15 (ho/Yc) y a
anchuras de cresta (W) superiores a 1.5 Yc. Siendo:
ho, la distancia vertical entre la cresta (o borde superior
de la caída) y el piso de la poza de disipación.
Yc, el tirante o profundidad de agua crítico en la cresta.
2. La condición del flujo del agua tanto en el ingreso como
en la salida debe ser subcrítica*. Se logra modificar una
pendiente natural fuerte a otra suave utilizando caídas
ubicadas a ciertos intervalos y unidas por tramos de
canal con pendiente suave, de manera que no se
desarrollen flujos supercríticos*; este concepto general
es el que determina el uso da estas estructuras.
3. El canal de ingreso debe conectarse con la caída
mediante una transición, cuando la base del canal tiene
un ancho diferente al de la cresta de la caída.
4. La estructura es efectiva para caídas que no excedan los
5m y si as que existe suficiente tirante en el canal de
salida.
5. La sumergencia máxima permisible (s), es decir, la altura
de agua del canal de salida por encima de la cresta de la
caída, no debe exceder a 0.7 Yc.
6. La caída vertical SAF se adapta bien a las grandes
fluctuaciones del tirante de agua en el canal de salida.
7. Para flujos de aproximación cercanos al estado crítico, es
conveniente prever un sardinel transversal que
sobresalga del fondo del canal, a fin de producir una
contracción de fondo en el chorro vertiente, de modo
que se mejoren las condiciones de aereación en la parte
inferior del mismo. El cálculo del vertedero es similar a lo
indicado en 2.3 B, es decir que el ancho W debe
calcularas según:
en donde
Q = descarga en m3/seg.
= 0.55
W = ancho de la cresta en metros
H = carga de agua sobre la cresta en metros.
B. Procedimiento de diseño: (en relación a la Fig. N° 3)
1. Calcular el ancho da cresta W, según
, en donde
Q = descarga en m3/s
= 0.55
g = aceleración de la gravedad, 9.8 m/seg2
W = ancho de la cresta, m
H = altura de agua sobre la cresta, m
Y aumentar al valor de W un 10%, si existieran
contracciones laterales.
2. Calcular el tirante crítico Yc según las condiciones del
canal de ingreso (Fig. N° 4), hallando el factor
en donde Q es el caudal de diseño y “g” es la
aceleración de la gravedad (9.8 m/seg2).
Efectuar Z/b2.5, en donde “b” es el ancho del fondo del
canal y entrar al gráfico de la Fig. N° 4 para hallar el
valor Yc/b y luego despejar el valor de Yc.
3. Calcular el tirante mínimo necesario sobre el piso de la
poza de disipación que controlará el salto hidráulico:
4. Calcular el tirante de agua en el canal de salida, Y4,
según las características del canal. Usase el gráfico de la
Fig. N° 13, para el caso de flujo uniforme.
5. Determinar la cota del piso de la poza de disipación, cota
D; generalmente las cotas A y B son datos conocidos,
según la topografía local, por lo tanto:
Cota C = Cota B + Y4
Cota D = Cote C — Y3, y el desnivel del piso de la poza
con relación al piso del canal de salida será
c = Cota B — Cota D, o lo que es lo mismo,
c = Y3 — Y4
6. Determinar la altura total de caída, ho:
ho = Cota A — Cota D, y calcular el valor ho/Yc
7. Calcular h2, según:
h2 = ho — Y3 = ho — 2.15 Yc
y luego el valor h2/Yc.
8. Utilizando el gráfico de la Fig. N° 5, hallar el valor de
L1/Yc, y despejar el valor de L1. Nótese que en la Fig. N°
5 los valores relativos de h2/Yc negativos representan la
condición de que el nivel de agua en la poza está por
debajo da la cresta y por lo tanto no hay sumergencia.
Los valores positivos representan la condición de que el
nivel de agua en la poza sobrepasa la cresta, es decir,
que hay sumergencia, la cual no debe ser superior a 0.7
Yo.
9. Calcular L2 =0.8 Yc
10. Calcular L3 1.75 Yc
11. Calcular el largo total de la poza, =
12. Calcular dimensiones de los bloques y sardinel
transversal,
a = 0.8 Yc
f = 0.4 Yc
d = 0.4 Yc
13. Considerar la posibilidad de usar el o los sardineles
longitudinales, los cuales deben pasar a través de los
bloques y no entre éstos. Estos sardinales son
construidos con finas estructurales (caso de anchos
considerables) y no producen beneficio ni perjuicio
desde el punto de vista hidráulico.
14. Calcular la altura de borde libre b, por encima del nivel
de agua del canal de salida, b = 0.85 Yc
15. Proveer muros de ala a 45° con respecto al eje
longitudinal.
FIG. N° 3.- ELEMENTOS DE LA CAIDA VERTICAL TIPO SAF
FIG. N° 4.- CURVAS PARA DETERMINAR LA PROFUNDIDAD
CRÍTICA
FIG. N° 5.- CURVAS PARA DETERMINAR L1 DE LA CAÍDA
CERTICAL SAF
C. Ejemplo de Aplicación
Se desea trazar un canal de desviación cuya capacidad máxima
de conducción será de 1.62 m3/seg., habiéndose determinado
una sección revestida; trapezoidal con taludes 1:1, base de 1.0
m, profundidad total de 0.75 m. y con pendiente longitudinal S
= 0.007. Se determinó, del levantamiento topográfico de la faja
por donde se ubicará el trazo, que la pendiente del terreno es
de 0.05 (5 %), y que como es conveniente tener la caja del
canal excavada en corte, la excavación debería estar entra 2.00
y 0.60 m de profundidad, lo cual hace necesario ubicar caídas
verticales cada 32.5 m.
C1. Cálculos hidráulicos
1. Las características del canal de ingreso son iguales al de la
salida, después de la caída:
Q = 1.62 m3/seg. Y = 0.60 m
n = 0.025 S = 0.007
b = 1.0 m V = 1.69 m/seg.
, es decir el flujo es subcrítico.
Yc = 0.54 m
2. Calculamos el ancho de la cresta W, según
, hallando W = 2.15 m, que será necesario
aumentar en un 10% para contrarrestar las contracciones
laterales. Usaremos W = 2.40 m; por lo tanto será necesario
proveer una transición de ingreso con deflexión máxima 1:3.
(El tirante crítico se producirá aproximadamente a una
distancia de 3 a 4 veces Yc, aguas arriba de la cresta (9),
pero conservadoramente y para fines prácticos usaremos el
tirante crítico del canal, sin que haya diferencia significativa
entre ambos valores, para el cálculo de L1 en la poza do
disipación).
3. Tirante crítico del canal de ingreso;
Ancho del canal b = 1.00 m, b2.5 = 1
Entrando al gráfico de Fig. N° 4, Yc/b = 0.54, as decir
Yc = 0.54 m
4. Tirante mínimo necesario para controlar el salto hidráulico,
5. Y4 = tirante canal da salida = 0.60 m
6. Cálculo da la Cota de fondo D: (supongamos cota relativa B
= 100)
Desnivel al piso del canal, c = 100.00 – 99.44
c = 0.56 m
7. ho = Cota A – Cota D = 1.96m; ho/yc = 3.63
8. h2 = ho – Y3 = 1.96 – 1.16 = 0.80m h2/Yc = 1.48
9. Con el gráfico de la Fig. N° 5, hallamos:
10.
11.
12.
13. Dimensión de los bloques y sardinel transversal:
a = 0.6 Yc = 0.43 m
f = 0.4 Yc = 0.22 m
d = 0.4 Yc = 0.22 m
14. Siendo el ancho W = 2,40 ni, no requiere sardinel
longitudinal.
15. Borda libre por encima del nivel da agua, b = 0.85
Yc = 0.46m
16. Proveer muros de ala a 45°.
FIG. N° 6.- CAÍDA VERTICAL SAF – EJEMP´LO DE
APLICACOIÓN 2-2-C
C.2. Dimensionamiento y detalles estructurales: (Fig. N°
6)
Para alturas de caídas no mayores que 2 m y gastos inferiores a
2 m3/s, se pueden usar los refuerzos, anchos de muro y dientes
de anclaje mostrados. Nótese que los muros laterales deben
tener tubos perforados de PVC con envoltura de grava – gravilla
- arena para contrarrestar la subpresión de la napa freática. El
número de tubos de drenaje está en función del largo de la
poza: 4 hasta longitudes de 2 m, 6 hasta longitudes de 3 m, 8
hasta longitudes de 4.5 m y 10 hasta longitudes da 5.5 m.
Para alturas de caídas mayores a 2 m se recomienda ensanchar
el espesor de los muros en 0.05 m por cada 1/2 metro de altura
adicional (espesor mínimo, 0.15 m). Por ejemplo para 3 m de
altura, el espesor de los muros sería 0.15 + 0.10 = 0.25 m.
Debe aclararse que un cálculo estructural específico, para
condiciones de terreno dadas, prevalecerá sobre una regla
práctica de carácter general. También es recomendable que
para los muros laterales cuya altura sea superior a los dos
metros se diseñen travesaños o tirantes que le den mayor
rigidez a la estructura.
Para otros detalles ver Anexo 1 “Información General para el
Diseño de obras Hidráulicas”.