INTRODUCCIN

INTRODUCCIN

Para los romanos, que buscaban en la monumentalidad de sus construcciones un cauce eficaz a su obstinada voluntad de imposicin de poder, fue el acueducto uno de sus logros ms perfectos.

Se imponen al espectador por sus tres dimensiones: altura fuera de la escala humana, longitud que llega a ser verdaderamente colosal en alineaciones de kilmetros y que adems se alarga indefinidamente por la vibracin montona de sus arcadas y por su espesor que llega a dar esbelteces de verdadero alarde, como ocurre, por ejemplo, en Segovia.

La experiencia adquirida no se acumulaba en libros, ni se abstraa en clculos complicados, sino que apareca rotunda en los ejemplares conservados. Por el simple hecho de seguir en servicio demostrando su eficacia, es decir, su adecuacin a todas las funciones que tenan que cumplir, entre ellas la de transportar agua, funcin bastante sencilla, y otra ms compleja la de resistir las acciones que estn a la destructiva; pero incluso las ruinas eran leccin elocuente del comportamiento de las obras.

Los asentamientos humanos deben estar siempre situados cerca de una fuente de agua limpia, ya sea un ro o un manantial.

Mientras Roma no fue ms que un pequeo estado dentro del Lacio, su fuente fue el ro Tbet, pero a finales del siglo IV a.C., cuando los romanos luchaban en la Segunda Guerra Samnita, se encontraron con que necesitaban urgentemente un suministro alternativo. Quiz esto se debiera a que el agua del Tbet ya no era suficiente para una poblacin cada vez ms grande, o quiz a que exista el peligro de que el enemigo envenenara su nica fuente, pero lo cierto es que a consecuencia de ello, en el ao 312 a.C., los romanos empezaron a construir su primer acueducto, el Aqua Appia.

OBJETIVOS Objetivos Generales:Conocer los diferentes tipos de obrasde arte.Aplicar los criterios para el diseo hidrulico de las diferentes obras de arte de un sistemahidrulico. Objetivos Especficos: Aplicarlos parmetros de diseo, aprendidos y los obtenidos en la teora incluida en el presente trabajo Disear las principales obras de arte como: rpidas, cadas, acueductos, canoas, sifones, vertederos, alcantarillas; etc.DISEO HIDRULICO DE OBRAS DE ARTE GENERALIDADES

Cabe sealar que en el diseo de las obras de arte, la informacin topogrfica se constituye en un elemento de capital importancia, para lo cual se recomienda efectuar los levantamientos con plancheta a escala 1:100 o 1:200, dependiendo la escala de las dimensiones de la obra.

Las hojas de plancheta deben ser dibujadas en, papel canson, con curvas de nivel cada 0.5 m. con sus respectivos puntos de relleno, evitando cometer error de eliminarlos en el dibujo final, posteriormente sobre una copia ozalid del dibujo final, se procede a dibujar la obra proyectada obtenindose de este modo una real aproximacin del metrado del movimiento de tierra.

OBRAS COMPLEMENTARIAS

Se ha convenido en llamarlas as, a todas aquellas obras que forman parte integrante de otras ms grandes y por lo tanto constantemente su diseo se repite, por ejemplo: en cadas, alcantarillas, sifones, etc.

4.1.- DISEO HIDRULICO DE TRANSICIONESEstas estructuras se construyen muy frecuentemente al comienzo y al final de ciertas obras, tales como alcantarillas, cadas, sifones, tomas, etc.

El objetivo de estas obras, es reducir las prdidas de carga, debidas al cambio de la seccin del canal o de la pendiente del mismo. Las perdidas de carga en las transiciones, dependen del ngulo que .forman los aleros de la transicin con el eje del canal, si Bureau Of Reclamation, recomienda un ngulo de 12 30' " en aquellas estructuras donde las prdidas deben reducirse al mnimo y 250 cuando se puede carga, tales como cadas, rpidas, sifones, etc.

Cuando se toma el -ngulo 12 30; a veces resultan transiciones muy largas con el consecuente desmedro econmico, por lo tanto se debe saber sopesar estas dificultades. El coeficiente de prdidas se puede calcular analticamente, ya que para cada ngulo corresponde un coeficiente de prdida, distinto, para clculos rpidos se puede utilizar las tablas y grficos.

4.2.- Desarrollo de problemas aplicados

Por un canal de seccin rectangular, fluye un caudal de 6.5 m3/seg. Pasando por una seccin de ancho 3 m. a otra de 5 m en forma gradual sin que el fondo vare de cota, el tirante en la seccin de 5 m es 1.20 y en la de 3 m es 1.045; se pide calcular:

a) El ngulo apropiado-que debe tener el -eje del canal con los aleros de la transicin, segn el U.S.B.R.

b) La prdida de la energa en la transicin segn la Ecuacin de BORDA-CARNOT.

Solucina) El ngulo apropiado ser:

Tg/2 = 1 .

3 F

Se calcula el N de Fronde en cada seccin y se obtiene el promedio

V1 = 6.5 . = 2.073

; V2 = 6.5 . = 1.083

3 x 1.045

5 x 1.2

F1 = 2.073 . = 2.073

; F2 = 1.083 . = 0.316

9.81 x1.045

9.81 x 1.2

F( promedio) = 0.4815

Tg/2 = 1 . =0.6923

3 x 0.4815

/2 = 340 47 por medidas prcticas se toma:

/2 =35

b) La prdida de carga se calcula segn la Ec.-General;

Peg = (A2/A1-1)2 V22 /2g = (A2 -A1)2/2g

Y segn grfico 2.18.a., para = 70 y asumiendo, ms o menos la trayectoria para l2/l1, se obtiene:

= 1

Peg = 1.1 (6/3.135- 1)2 x1.0832/19.62 = 1.1(2.073-1.083)2/19.62

Peg = 0.055 m.

Estas prdidas se pueden reducir, si tomamos un valor menor de /2.

4.3.- DISEO HIDRULICO DE ALIVIADEROS LATERALES4.3.1 Generalidades

Estas 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 lo tanto, su ubicacin se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro.

Los caudales 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 ultimo depende siempre de la conjugacin de diferentes aspectos locales (topografa, ubicacin del vertedero, etc.)

4.4.- Criterios de Diseo

1.- 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.

2.- 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.

3.- La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de ste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn.

4.- Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de frmulas, a continuacin se describe la frmula de Forchheiner citada por el SIMAMOS:

Donde:

= 0.95

= coeficiente de contraccin

L = longitud del vertedero

h = carga promedio por encima de la cresta.

El flujo del canal, deber ser siempre subcrtico, entonces:

h2 > h1

h = h1+h2

2

h1= 0.8 h2

h = 0.9 h2.

La frmula da buena aproximacin cuando se cumple:

V1 0.75

g Y1

h 2 - h1 Y2- Yn

5.-Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar diferentes valores segn la forma que adopte la cresta.

FORMA

a) Anchos de cantos rectangulares

0.49-0.51

b) Ancho de cantos redondeados

0.50-0.65

c) Afilado con aeracin necesaria

0.64

d) En forma de techo con corona redondeada

0.79

6.- 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 puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c d.

7.- Los aliviaderos laterales pueden descargar a travs de un vertedero con colchn al pie (desniveles pequeos) o mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energa al final (desniveles grandes).

4.5.- Desarrollo de problemas aplicados

Un canal trapezoidal de rugosidad 0,014 con taludes 1:1 plantilla 1m y pendiente 1 0/00 recibe en pocas de crecidas un caudal de 9 m3/seg., el canal ha sido construido para 4 m3/seg. pero puede admitir un caudal de 6 m3/seg. Calcular la longitud del aliviadero par eliminar el exceso de agua.

Solucin

1) Clculo de los Tirantes

Ymx=1.71m

Yn=1.17m

Y2=1.42m

2) Clculo de."h''.

h2 =0.25m.h1= 0.8*h2=0.2m.

h =0.2+0.25 = 0.225 m.

2

3) Caudal a evacuarQ = 3 m3/ seg.

4) Clculo de LPara = 0.5 y aplicando Ec, 4.21

L=

3Q .

2 x x 2g xh3/2

L = 20 m.

4.06.-DISEO HIDRULICO DE SIFONES.4.07.-GENERALIDADESCuando un canal debe cruzar una depresin ya sea una quebrada, ro o un camino, etc, se proyecta un sifn invertido que puede ser de secciona circular, rectangular o cuadrada que trabajara a tubo lleno.

Un sifn consta de un conducto cuya longitud queda determinada por el perfil del terreno y dos transiciones de entrada y de salida, siendo generalmente de seccin trapezoidal a rectangular en la cual se encuentran anclados los tubos.

En el cruce de un canal con una salida quebrada, el sifn se proyecta para conducir el menor gasto y lo suficientemente profundo para no ser socavado, en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones.

Un sifn se constituye en un peligro, principalmente cuando esta cerca de centros poblados, siendo necesario el uso de rejillas pero con la desventaja de que puedan obturarse las aberturas y causar remansos.

Un canal en su trayectoria alcanzar en algunos casos depresiones abruptas o zonas con problemas de estabilidad de suelos, que no podrn ser superados con estructuras elevadas (acueductos), sea por razones tcnicas como econmicas, por lo que podr considerarse como variante una estructura que cruce el desnivel por medio de un conducto que se desplace por debajo del accidente topogrfico, lo cual dar lugar a la configuracin de un sifn invertido.

Esquema de un sifn invertido superficial.

El canal, por medio de los sifones, incorporar estructuras que trabajarn bajo presin.

Los sifones pueden ser construidos superficiales o enterrados. Las estructuras superficiales se emplazarn sobre el suelo, en trincheras, tneles o galeras, los cuales permiten una mejor accesibilidad. Las estructuras enterradas son ms simples y normalmente de menor costo, ya que no cuentan con soportes, sin embargo la desventaja est asociada al mantenimiento, por cuanto su accesibilidad resulta ms complicada.

El sifn contar adems de estructuras de entrada y de salida para lograr condiciones de transicin hidrulicamente eficientes, por lo que su diseo deber lograr que el flujo se desarrolle en lo posible sin perturbaciones superficiales, choques bruscos contra las paredes y cambios de direccin pronunciados. Las estructuras de entrada y de salida contarn en ambos casos con rejillas y elementos de cierre rpido, que permitirn el control de flujo y los trabajos de mantenimiento.

Transiciones de entrada y salida

El rea de la seccin transversal de un sifn viene determinada, de acuerdo a la ley de continuidad por el caudal de aduccin y la velocidad de flujo. La magnitud de la velocidad media en el conducto que conforma el sifn, puede variar entre 2 a 4 m/s, para velocidades menores a 2 m/s, es probable la presencia de procesos de sedimentacin. Sin embargo la velocidad de flujo est asociada tambin al tipo de material del conducto; Zurita considera los siguientes valores:

- Conductos de fbrica 1.0 a 1.5 m/s

- Tubos de hormign 1.5 a 2.5 m/s

En todos los casos se deber incorporar elementos que permitan la limpieza peridica de los sedimentos que se acumulen en los sectores bajos a consecuencia de las reducidas velocidades de flujo que se presenten durante la operacin del sistema.

El diseo hidrulico de un sifn tiene como base el clculo de las prdidas de carga, locales y por friccin en el conducto. Entre las prdidas locales se considerarn principalmente prdidas en la estructura de entrada, en los cambios de direccin o codos y en la estructura de salida. El clculo se realizar para cada seccin de conducto considerado hasta obtener niveles de prdidas que permitan por un lado el funcionamiento hidrulicamente eficientes del sifn y represente el menor costo posible.4.08.-CRITERIOS DE DISEO:

Las dimensiones del todo se determinan, satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ngulos de doblados y sumergencias de la entrada y salida.

En aquellos sifones que cruzan caminos principales o de bajo de drenes, se requiere un mnimo de 0.90m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.06 m si el sifn cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura.

La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mnima del tubo horizontal debe ser 5 /oo. Se recomienda transicin de concreto a la entrada y salida cuando el sifn cruce caminos principales en sifones con mayor o igual a 36 y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/seg.

Con la finalidad de evitar desbordes de agua arriba del sifn debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseo, se recomienda aumentar en un50% 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 tierra, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una velocidad de 1 m3 / seg. en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/seg., y entre 3 m /seg., a 2.5 m/seg., en sifones largos con transiciones de concreto con o 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 hv. 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 toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifn 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 la entrada puede no sellarse ya sea que el sifn opere al flujo parcial o a flujo lleno con un coeficiente de friccin menor que el sumido en el diseo, por estas razn se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculan 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 respeto a las prdidas de cargas totales, se recomienda la condicin de que stas sean iguales o menores a 0.30 m.

* Cuando el sifn cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto mximo de la creciente.

* Se recomienda los anchos de corona de la Tabla 4.3 en el cruce de sifones o alcantarillas segn el tipo de camino.

Tabla: Anchos de coronas segn el tipo de caminoCruce con Caminos de TipoAncho del Camino en la Corona de la Alcantarilla o Sifn

Cruce SimpleCruce con Sobre Ancho

V1 (3m)

V2 (4m)V3 (6m)4 m

5.50 m

5.80 mm

6.6 m

8.0 m

4.9.-CLCULO DEL DISEO HIDRULICO DE UN SIFN:

1.- Caractersticas Del Canal Principal:

Hidrulicas: Geometra:

Q = 1.50 m3/s B = 3.30m

Y = 0.987m b = 0.80m

A = 1.764m2 H = 1.25m

P = 3.592m Z = 1.00

R = 0.491m e = 0.075m

V = 0.85m/s

S = 0.0005

n = 0.016

2.- Tramo A Disear:

El tramo a disear y ser calculado empieza de la progresiva KM 03 + 624 hasta KM 03 + 700. la longitud de tramo ser de 76.00m

PASO 1:

DIMENSIONAMIENTO DE LA SECCION DEL SIFN

Asumimos velocidad de 2 m/s

A=Q/V=1.5/2=0.75 m2Luego:

L2 =0.75 , L= 0.85 m

CALCULO DEL NUEVO AREA

A = 0.852 = 0.723 m2VELOCIDAD DE DISEO (Vel. Sifn)

V =1.5/0.723 = 2.07 m/s , V2/(2g) = 2.072 = 0.218

2*9.81

PASO 2:

CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICION

T1 = b +2YZ , 0.8+2*0.987*1 = 2.774 m

T2 = 0.85

LT = 2.774 0.85 = 4.34 m

2*Tag(120 30)

Tomamos :LT =4.00 m.

PASO 3:

DETERMINACION DEL PUNTO DE INICIO

Km. 3+618

Km. 3+706

De la topografa del terreno optamos por un = 250

PASO 4:CALCULO DE LA COTA EN (1)

Del plano topogrfico del Km 3 +600 tenemos la cota 236.95 m.s.n.m

Luego:

Cota en (1) = 236.95 0.0005*18 = 236.941 m.s.n.m

PASO 5:

COTA DE FONDO EN (2)

1.5hV = 1.5 ( V2D - V2C ( , 1.5 ( 2.072 0.852 ( = 0.27

2g 2*9.81

the = L = 0.85 = 0.937

Cos 250 Cos 250COTA (2) = 237.928 0.27 0.937 = 236.711 m.s.n.m.

PASO 6:

COTA EN (3)

H = L*Sen 250H = 10*Sen 250 = 4.23 m.

COTA EN (3) = COTA (2) - H = 236.711 4.23 = 236.481 m.s.n.m

PASO 7:

COTA EN (4)

COTA (4) = COTA (3) 0.005*L

L =61m.

COTA (4) = 232.481 0.005*61 = 232.171 m.s.n.m.

PASO 8: COTA DE FONDO EN (5)

H = 10*Sen 250 = 4.23 m.

COTA (5) = COTA (4) + H = 232.171+4.23 = 236.401 m.s.n.m

PASO 9:DETERMINACIN DE P. DE SALIDA

PE : < 3/4*L = 3/4*(0.85) = 0.64

PS : < 1/2*L = 1/2*(0.85) = 0.43

COTA (6) = COTA (5) + PS = 236.401+0.43 = 236.831 m.s.n.m

PASO 10:

INCLINACIN DE LOS TUBOS DOBLADOSA la entrada: 9.10 = 2.15

4.23 2.15: 1 es mas plano que 2:1 ---- OK

A la salida: IDENPASO 11:CARGA HIDRULICA DISPONIBLE

A la entrada: Cota (5)+ Tirante: 236.941+0.987 = 237.928 m.s.n.m.

A la salida : Cota (6)+ Tirante: 236.831+ 0.987 = 237.818 m.s.n.m

CARGA DISPONIBLE = 0.110

PASO 12:CALCULO DE LAS PERDIDAS DE GARGA

A la entrada:

hff = f*R*V2D Donde : f = 0.025

L 2g R = 82

L = 0.85

hff = 0.025 *82 * 0218 = 0525

0.85

PERDIDA DE CARGA POR CODOS

hfc = 2* ( 0.25((25 )*2.072( = 0.057

90

PERDIDA TOTAL

hFt = 1.10 ( 0.072+0.108+0.525+0.057) = 0838

PASO 13:PERDIDA DE CARGA HIDRULICA DISPONIBLE

PCHD= CARGA DISPONIBLE PERDIDAD TOTAL

PCHD = 0.110 0.838 = - 0. 728 ( Lo que significa que el diseo no funcionara ya que tendr problemas hidrulicos.

NOTA: debido a los problemas hidrulicos que presenta el diseo ocasionados por las perdidas de carga, se opta por variar la cota 6 lo cual conlleva a modificar las cotas de la razante aguas debajo del sifn.

CONDICIN:CARAGA DISPONIBLE > PERDIDA TOTAL

COTA 6 COTA 1 PERDIDA TOTAL

COTA 6 236.941 0.838

COTA 6 236.103 m.s.n.m.

Optamos por :

Cota 6 = 236.098

NUEVA CARGA HIDRULICA DISPONIBLE

A LA ENTRADA = 237.928

A LA SALIDA = 236.098 + 0.987 = 237.085

CARGA DISPONIBLE = 837.98 237.085 = 0.895

NUEVA PERIDAD DE CARGA DISPONIBLE

PCHD = 0.895 0.838 = 0.057

La prdida de carga disponible es mayor que cero lo que significa que no habr problemas hidrulicos.

PASO 14

CALCULO DE LA SUMERGENCA A LA SALIDA

ALTURA DE SUMERGENCA = ( 0.897 + ( cota 1 cota 2)) - HtE

= 0.897 + ( 236.941 236.711) 0.937 = 0.19

ALTURA DISPONBLE:

HtE = 0.937 = 0.156 ( no cumple

6 6

PASO 15

LONGITUD DE PROTECCIN CON ENROCADO

LP = 3 L = 3 * 0.85 = 2.55 2.50 mt.

a) SELECCIN DEL DIAMETRO DEL TUBO

Asumimos una velocidad de 1.5 m/seg

A = Q/V = 150 m3 /seg. / 1.50m/seg.

A = 1.00 m2Luego:

D = ( 4 A/D = ( 4 *1/D =1.128m

D =44 ( dimetro comercial D = 48

CALCULO DE LA VELOCIDAD DEL SIFN (velocidad de diseo)

V = Q/A = 150 m3 /seg. / (*1.21922/4)

V = 1.28 m/seg.

b) CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICION

T1 = b +2*y*z

T1 = 0.8+2*0.987*1

T1 = 2.774 m

T2 = 1.2192

LT = T2 T1 . 2* Tg 25

LT = 2.774 -1.2192

2 * tg (25)

LT = 1.67 m

Por condicin

Lt 4*D

Lt = 4*1.2192

Lt = 4.88 m

Optamos por :

LT = 5.00 m

/2 = arctg (2.774-1.2192)/2*50 = 8 50

/2 = 8 50

i. NIVEL DE LA COTA EN 1

Segn la fiura del Km 3 +600 al punto 1 hay 17.0 m

Cota 1 = 236.95 -0.0005*17 = 236.94 msnm

ii. COTA DE FONDO EN 2

1.5hv = 1.5 ( V22 V12)/2g

1.5hv = 1.5 ( 1.282 0.852)/19.6

hv = 0.07 m

Hd = D/cos 20

Hd = 1.2192/cos 20

Hd = 1.297

Luego:

Cota 2 = 237.927 -0.07 -1.297

Cota 2 = 236.56 msnm

iii. COTA DE FONDO EN 3

H = 236.56 (234.21 -0.9-1.2192) =4.47m

Cota 3 = cota 2 H

Cota 3 = 236.56 -4.47 = 232.09 msnm

iv. COTA DE FONDO EN 4

Cota 4 = cota 3 L *0.005

Cota 4 = 232.09 -58*0.005 = 231.80 msnm

v. COTA DE FONDO EN 5

=20

sen 20 = h/14

h = 4.78

cota 5 = 231.80 4.78 = 236.58 msnm

vi. CALCULO DEL VALOR P EN LA SALIDA

Pe ( 3D/4

Pe =3 * 1.2192/4

Pe = 0.9144 m

Ps ( D/2

Ps = 1.21.92/2

Ps = 0.6096 m

Por otro lado:Cota 6 = 236.89 + 0.005*10.50

Cota 6 = 236.895 msnm

P= cota 6 cota 5

P = 236.95 236.58 = 0.345

P < Ps ok!!

vii. INCLINACION DE LOS TUBOS DOBLADOS

A la entrada 12.28/4.47 = 2.75

2.75: 1 es ms plano que 2:1 OK

A la salida 12.22/4.48 = 2.56

2.56: 1 es ms plano que 2:1 OK

viii. CARGA HIDRAULICA DISPONIBLE

A la entrada cota 1 + tirante = 236.94 + 0.987 =237.927

A la salida cota 6 + tirante = 23.895 +0.987 = 237.882

Carga disponible = 0.045

ix. CALCULO DE LAS CARGAS DISPONIBLES

A la entrada

hf = 0.4 ( Vs2 Vc2)/2g

hv = 0.4 ( 1.282 0.852)/19.6

hv = 0.018 m

A la salida

hf = 0.65 ( Vs2 Vc2)/2g

hv = 0.65 ( 1.282 0.852)/19.6

hv = 0.030 m

Prdida de carga por friccinf L*V12/(D*2*g) = 0.145

f = 0.025

L = 85 m

D = 1.2192

Prdida de carga por codos

Pcd = 2* (0.25*((20/90) * 1.282/2*9.81) =0.019

Perdida total = 1.10 (0.018+0.030+0.145 +0.019) = 0.233

Prdida de carga hidrulica disponible:Pchd = 0.045 0.233 = -0.188

Lo que significa que el diseo tendr problemas hidrulicos.

NOTA: en visto de ello se opto por variar la cota 6, para tener mas carga disponible; lo cual conlleva a variar las cotas de la rasante del canal aguas abajo del sifn.

Carga disponible > perdida total:Cota 1 + tirante (cota 6 + tirante) > 0.233

Cota 1 cota 6 > 0.233

Como la cota 1 se mantiene constante:Cota 1 0.2333 = cota 6

236.94 0.233 = cota 6

Cota 6 = 236.707 obtenemos por

Cota 6 = 236.610 para mayor seguridad en el funcionamiento

Nueva Carga Hidrulica Disponiblea la entrada = 237.927

a la salida = 236.610 +0.987 = 237.597

carga disponible = 237.927 237.597 = 0.33

Prdida de carga hidrulica disponible:Pchd = 0.33-0.233 = 0.097 > 0 ok

Lo que significa que no habr problema hidrulico

x. CALCULO DE LA SUMERGENCIA A LA SALIDA

Altura de sumergencia = (0.987 +(cota 1 cota 2) HD)

Altura de sumergencia = (0.987 +(0.38) 1.297) = 0.07

Altura permisible

HD/6 = 1.297/6 = 0.216 m

Altura de sumergencia < HD/6 OK

xi. LONGITUD DE PROTECCION CON ENROCADO

Lp = 3D = 9* 12192 = 3.65 = 3.70 m

4.10.-DISEO HIDRULICO DE ACUEDUCTOS 4.11.-GENERALIDADESVienen a ser la misma obra de arte, son generalmente proyectadas en el cruce de canales o cruce de canales con quebradas y pueden ser areos o enterrados cuando el cruce es por encima o por debajo de la quebrada o del otro canal, su diseo hidrulico se asemeja al de una alcantarilla que fluye a pelo libre. A veces se proyecta con una tapa en la parte superior y en este caso sirve tambin como pasarela o losa peatonal.

Los acueductos son obras de arte que tiene la funcin de superar depresiones que se encuentren en el terreno, formados normalmente por quebradas, ros y crcavas originadas por la erosin. Un acueducto, es virtualmente un puente que sostiene un canal de corta longitud, el cual contiene agua en movimiento.

Desde el punto de vista de la estructura civil, los acueductos pueden ser de dos tipos: Acueducto sobre una estructura de soporte (puente), y canal cuyas paredes y base forman parte estructural del puente.

Los materiales de construccin de los acueductos dependern de las condiciones de estabilidad, definida normalmente por las dimensiones del canal y la longitud del acueducto, as como del anlisis econmico de las variantes consideradas.

El acueducto servir entonces para vencer algn accidente topogrfico y acortar la longitud del canal en el tramo considerado. Este puente-canal servir as mismo para el paso de peatones, por lo que se deber prever en la estructura estas formas de utilizacin. Eventualmente se dispondr para el uso peatonal una cubierta superior o veredas laterales.

Esquemas un acueducto.- Es importante considerar tambin las necesidades de mantenimiento del acueducto, incorporando obras de limpieza y evacuacin, como compuertas, que permitan aislar y desviar las aguas en una seccin anterior al puente, principalmente en situaciones de emergencia. Por lo tanto, algunas obras de limpieza del canal podrn coincidir con las secciones indicadas.

Transiciones.- Entre las transiciones que con mayor frecuencia se presentan en canales de montaa se pueden mencionar a las cadas y las rpidas.

Estas estructuras pueden utilizarse en los casos de desniveles originados por las caractersticas topogrficas. De igual modo las transiciones se aplican en entradas o salidas de estructuras especficas de un sistema hidrulico y alcantarillas en carreteras.

Algunos tipos de transiciones:

4.12.- Criterios de diseo:

1.- Estas obras constan de transicin de entrada y transicin de salida, siendo siempre rectangular la seccin de la canoa.

2.- La energa de la canoa debe ser en lo posible igual a la energa del canal, para lo cual se trata de dar velocidad en la canoa igual a la del canal, desprecindose las prdidas de carga en este caso, normalmente suele drsele a las transiciones, ngulos de 1230.

3.- La pendiente en la seccin de la canoa, debe ajustarse lo ms posible a la pendiente del canal a fin de evitar cambios en la rasante de fondo del mismo.

4.- Normalmente se aconseja disear considerando un tirante en la canoa igual al del canal, si el caso lo permite.

5.- La condicin de flujo en la canoa debe ser subcrtico.4.13.-DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS: (Calculo Del Diseo Hidrulico De Un Acueducto:

1.-Caractersticas Del Canal Principal:

Hidrulicas: Geometra:

Q = 1.50 m3/s B = 3.30m

Y = 0.987m b = 0.80m

A = 1.764m2 H = 1.25m

P = 3.592m Z = 1.00

R = 0.491m e = 0.075m

V = 0.85m/s

S = 0.0005

n = 0.016

2.- Tramo A Disear:

El tramo a disear y ser calculado empieza de la progresiva KM 03 + 624 hasta KM 03 + 700. la longitud de tramo ser de 76.00m.

3.- Clculo Del Acueducto:3.1.- Clculo de la seccin del flujo en el acueducto:V = 1.00m/s; Q = 1.50m3/s

A = Q / V A = 1.50 / 1.00 = 1.50m2A = b*y b (asumido) = 1.20m = y = 1.25m3.2.- Clculo del tipo de flujo en el acueducto:

-Caudal unitario (q): q = Q / b

q = 1.50 /1.20 = 1.25m3/s/m

-Tirante critico (Yc) Yc = 3 q2/g

Yc = 3 1.252 / 9.8 = 0.54m

-Velocidad critica (Vc) V = Q / Ac ; Ac = b*Yc

V = 1.50 / 0.65 = 2.31m/s

Si Yc < Yn y Vc > Vn tipo de flujo subcrtico

3.3.- Clculo De La Longitud De Transicin:Lt = (T1 T2) / 2tg 12 31

T1 = 2.77m ; T2 = 1.20m

Lt = (2.77 1.20) / 2tg 12 31 = 3.54m Lt = 4.00m-Nueva progresiva (KM)

Progresiva inicial = KM 03 + 620

Pogresiva final = KM 03 + 704

3.4.- Clculo del dimensionamiento longitudinal del Acueducto: Determinacin de cotas:

Cota inicial = 238.51 en la progresiva KM 03 + 620

Cota final asumida = 238.41 en la progresiva Km. 03 + 624 (cota de inicio del acueducto).

3.5.- Anlisis Hidrulico

Segn Bernoulli

3.6.- Balance De Energa Entre 1 Y 2

E1 = E2 + perdidas de carga

E1 = Cf1 + y1 + V12/2g

E1 = 238.51 + 0.987 + 0.852/19.6 E1 = 239.53

Perdida de carga = 0.20*(V22 V12)/2g

Pc = 0.20*(V22 0.007)

E2 = Cf2 + y2 + V22/2g = 238.41 + y2 + V22/2g

Reemplazando en Bernoulli

239.93 = 238.41 + y2 + V22/2g + 0.20*(V22 0.007)

1.127 = y2 + 1.502/1.2*y22*19.6

Por tanteos:

y2 = 1.038m

A2 = 1.20*1.038 = 1.25m2

V2 = 1.50 / 1.25 = 1.20m/s

E2 = 239.521

3.7.- Determinacin de la pendiente del acueducto (S)S = (Vn/R2/3 )2S = (1.20*0.016/0.3822/3)2 = 0.0013

A2 =1.25

P2 = 3.276

R2 = 0.382

S = 0.0013

3.8.- Cota de la plantilla en 3:Cf3 = Cf2 S*L

Cf3 = 238.41 0.0013*76

Cf3 = 238.311

3.9.- Balance de energa entre 2 y 3:

E2 = E3 + perdidas por friccin

E2 = 239.521

E3 = Cf3 + y3 + V32/2g

E3 = 238.311 + y3 + V32/2g

pf = 0.0013*76 = 0.0988

239.521 = 238.311 + y3 + V32/2g + 0.0988

1.1112 = y3 + V32/2g

Resolviendo por tanteo

A3 = 1.25m2V3 = 1.20m/s

Y3 = 1.038m

E = 239.521

3.10.- Balance de energa entre 3 Y 4:

E3 = E4 + perdidas por transicin de salida

E3 = 239.521

E4 = Cf4 + y4 + V42/2g

Cf4 = E4 - y4 - V42/2g

= 239.521 0.036 0.987

Cf4 = 238.498

Perdida total

Ptotal1-4 = 238.31 238.498 = 0.012

3.11.- Clculo de la cota de rasante de la siguiente progresiva:Progresiva de salida KM 03 +704 hasta Km. 03 +720 existe 16m

Entonces la cota ser de 238.498 con una pendiente de S = 0.0005.

4.14.-SALTOS DE AGUA: CADAS Y RPIDASLas cadas y rpidas son estructuras que se usan para unir dos tramos de canal que estn a diferente nivel topogrfico. Se denomina cada inclinada cuando la cada en el gradiente de energa en una estructura no es mayor de 4.50m. Cuando la cada en el gradiente de energa que tiene que ser disipada por la estructura es mayor de 4.50m la estructura se denomina rpida. Las rpidas pueden tener secciones rectangulares o trapezoidales de acuerdo con las condiciones del terreno a lo largo de su localizacin. Las cadas y rpidas son estructuras disipadoras de energa que se construyen en lugares donde la topografa lo exige.

A.- CADASUsadas para regular la velocidad del agua, bajando bruscamente al nivel de la plantilla del canal. De acuerdo con la magnitud de la estructura, la cada se construye de concreto reforzado, bloques de concreto, mampostera y madera resistente a la putrefaccin con altura mayor de 4m.

A.1.- Genera1idades.

Son obras proyectadas en canales o zanjas, para salvar desniveles bruscos en la rasante de fondo, Gmez Navarro, hace una diferenciacin de estas obras y conviene en llamar las cadas cuando los desniveles son iguales o menores a 4 m., estas a su vez pueden ser verticales o inclinadas.

Para desniveles mayores a 4.0 m. la estructura toma el nombre de rpida y en estos casos es conveniente un estudio econmico entre la rpida o una serie de cadas que Domnguez, denomina gradas.

En el presente tem, se estudia el diseo hidrulico de cadas verticales e inclinadas, rpidas y gradas, no se trata el caso de cadas entubadas puesto que su diseo se basa en los mismos principios que los sifones.

A.2.- Cadas verticales

A.2.1.- Criterios de Diseo hidrulico

1.- Son construyen cadas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1 m como mximo, solo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores.

2.- El SINAMOS, recomienda que para caudales unitarios mayores a 300 L/seg. x m de ancho, siempre se debe construir cadas inclinadas, adems manifiesta que la ejecucin de estas obras debe limitarse a cadas y caudales, pequeos, principalmente en canales secundarios construidos en mampostera de piedra donde no se necesita i obras de sostenimiento ni drenaje.

3.- Cuando el desnivel es : 0.30 m y el caudal 300 L/seg.x m de ancho de canal, no es necesario poza de disipacin.

4.- El caudal vertiente en el borde superior .de la cada se calcula con la formula para caudal unitario "q":

q =1.48 H 3/2Siendo el caudal total;

Q = 2 B 2g Lh3/2

3B = ancho de cada

5.- La cada vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado.

6.- Por debajo de la lmina vertiente en la cada se produce un depsito de agua de altura Yp que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo.

7.- Al caer la lmina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cmara indicada en la Fig., el cual se debe reemplazar .para evitar la cavitacin o resonancias sobre toda la estructura.

8.- Para facilitar la aireacin se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes:

a) Contraccin lateral completa en cresta vertiente, disponindose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lmina vertiente.

b) Agujeros de ventilacin, cuya capacidad de suministro de aire en m3/sxm.de ancho de cresta de la cada.

A.2.2.- Cadas Verticales con Obstculos para el Choque

El Bureau of Reclamation, ha desarrollado para saltos pequeos, un tipo de cada con obstculos donde choca el agua de la lmina vertiente y se ha obtenido una buena disipacin de energa para una amplia variacin de la profundidad de la lmina aguas a bajo, a tal punto que puede considerarse independiente del salto.

A.3.- Cadas Inclinadas.A.3.1.- GeneralidadesEstas estructuras se proyectan en tramos cortos de canal con pendientes fuertes, siendo la velocidad del flujo en la" cada siempre mayor que la- del propio canal, causando serios; daos. por erosin si no se pone un revestimiento apropiado; mediante el anlisis hidrulico se verifican los fenmenos del flujo, que a su vez sern el fundamento para la determinacin de la clase de revestimiento y de su extensin.

Una cada inclinada se divide desde arriba hacia abajo en las siguientes partes:

- Transicin de entrada con seccin de control

- Cada propiamente dicha

- Colchn

- Transicin de salida.

En algunos casos la cada propiamente dicha y el colchn, pueden ser de seccin rectangular o trapezoidal, la seleccin depende de las condiciones locales y en todo caso del criterio del diseador.

Seccin de Control

La seccin de control tiene por finalidad, mantener el flujo aguas arriba en rgimen tranquilo, de manera que es en la misma seccin de control donde ocurre el cambio de rgimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad crtica.

La seccin de control consiste en una variacin de la seccin del canal en el punto donde, se inicia la cada o en una rampa en contra pendiente, de manera que la energa en el canal aguas arriba sea igual a la energa en el punto donde se inicia la cada.

A.3.2.- Criterios de Diseo en Cadas Inclinadas: Seccin rectangular

1.- La rampa inclinada en sentido longitudinal de la cada en s se recomienda en un valor de 1.5:1 a 2:1, su inclinacin no debe ser menor a la del ngulo de reposo del material confinado.

2.- El ancho de la cada B es igual a;

B = Q/q

Donde:

q = .171 H2/3

Q =valor conocido =Q = 2 B 2g H3/2

3

= 0.58 (valor promedio aceptado en este caso)

Finalmente el valor B, debe ser tal que, al pie de la cada el Nmero de Froude nos permita seleccionar la poza de disipacin que ms se ajuste a nuestro criterio.

3.- Es muy importante tener en cuenta la supresin, por lo que se recomienda seguir las indicaciones para calcular el nmero de lloradores.

4.- Estructuralmente la cada estar dispuesta con las precauciones del caso, para evitar su falla por deslizamiento.

RPIDASSon canales abiertos, pavimentados o revestidos, en los que el agua corre con gran velocidad. Pueden establecerse como secciones de canal de poca longitud en tramos e mucha pendiente.

4.15. EL AFORADOR PARSHALLEs una estructura que sirve para medir caudales en un rango muy amplio. Debido a que la velocidad del agua es muy grande en la estructura no se deposita sedimentos y la precisin del aforo queda dentro del 5% de error. El medidor consta de las siguientes partes:

- Entrada

- Garganta

- Salida

Entre las principales ventajas como estructuras de aforo podemos mencionar:

- Su diseo es simple y su construccin suele resultar econmica si se ubica en lugares que deben revestirse o si se combina con cadas, sifones, etc.

- No se produce el problema de arenamiento en la estructura, ni aguas arriba ni aguas abajo de ella, conservando siempre su misma precisin.

- La labor de conservacin es casi nula y su fcil lectura permite un control a nivel de usuario y sectorista de riego, sin mayor experiencia.

- Hidrulicamente funciona bien por su baja prdida de carga con relacin a otros tipos de medidores.

AFORADOR PARSHALLEl aforador Parshall es un aparato calibrado para medir el agua en los canales abiertos. Es de forma abierta tiene una seccin convergente, una garganta, y una seccin divergente. Este tipo de aforador ofrece varias ventajas tales como:

1. Perdida de carga menores.

2. No influye la velocidad con que el agua aproxima la estructura

3. Tiene la capacidad a medir tanto con flujo libre como moderadamente sumergido.

4. El agua tiene velocidad suficiente para limpiar los sedimentos.

5. Opera en un rango amplio de flujos.

Tambin el aparato tiene unas desventajas que son:

6. Ms caros debido a la fabricacin requerida

7. La fabricacin e instalacin es crtica para que funcionen como se debe.

Los aforadores se clasifican en forma general segn el ancho de la garganta como sigue:

TamaoAncho de la garganta Capacidad

Muy pequeo 1, 2, y 3 pulgadas.9 a 32 lps

Pequeo6 pulgadas a 8 pies 1.5 lps a 3.95 m3/seg

Grande10 a 50 pies .16 a 93 m/seg

Los tamaos pequeos pueden ser porttiles y fabricados de hierro, lmina galvanizada, fibra de vidrio, o madera para instalaciones permanentes y para los tamaos grandes, concreto es el material ms comn.

Las dimensiones de los aforadores Parshall se determinan segn el ancho de la garganta, W. La tabla 5.1 da las dimensiones que corresponden a la figura 5.8.

Tabla5.1. Dimensiones de los aforados Parshall en milmetrosWABCDEFGKNXY

125.4 mm24235693167229762031929813

250.827640613521425411425422431625

376.831145717825945715230525572538

6152.4414610394397610305610761145176

9228.6587864381575762305457761145176

1304.89141343610845914610941762295176

1-6457.296514197621026914610941762295176

2609.6101614959141206914610941762295176

3914.41118164512191572914610941762295176

41219.21219179415241937914610941762295176

51524.01321194318292302914610941762295176

61828.8>14222092213426679146109417622951