Obras Hidraulicas 515h5u

INTRODUCCIÓN En los últimos años han venido desarrollándose con rapidez proyectos de recursos hidráulicos y trabajos de ingeniería hidráulica en todo el mundo. El conocimiento de la hidráulica de canales abiertos, esencial para muchas estructuras hidráulica, ha avanzado mediantes pasos y saltos. Para los estudiantes e ingenieros en el campo de la ingeniería hidráulica. Para alcanzar estos objetivos, en lo posible el uso de matemáticas avanzadas se evita deliberadamente y la explicación de las teorías hidráulicas se simplifica de manera sustancial. Se dan ejemplos ilustrativos para mostrar la aplicación de las teorías. El diseño de una estructura hidráulica implica tener ambos conocimientos, tanto teóricos como aplicativos, es por ello que a través de este trabajo detallo los puntos esenciales que involucran en el efecto del agua o movimiento de ella. El manejo no solo comprende cálculos si no tener criterios de diseño las cuales radican en el presupuesto de toda obra hidráulica, es por eso que debemos ver más allá de un simple cálculo mecánico, es dar eficiencia y rentabilidad al diseño.

SECCIONES DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA EN CANALES Sección más eficiente.- De un grupo de canales que tengan la misma pendiente (S), el mismo coeficiente de rugosidad (n) y la misma área mojada (A), se dice que es de sección más eficiente aquél que deja pasar más agua. En la ecuación de Manning: 𝐐=

𝐀 𝐒 𝟏/𝟐 𝐑𝟐/𝟑 𝐧

𝐐 = 𝐊 𝐒 𝟏/𝟐 𝐊=

𝟏 𝟐/𝟑 𝐑 𝐀 −→ 𝐂𝐨𝐞𝐟𝐢𝐜. 𝐝𝐞 𝐜𝐚𝐩𝐚𝐜𝐢𝐝𝐚𝐝 𝐝𝐞 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐬𝐩𝐨𝐫𝐭𝐞. 𝐧

se puede ver que la sección más eficiente es la sección de mayor radio hidráu1ico, pero siendo: 𝐀 𝐑= 𝐏 la sección de mejor radio hidráulico es la sección de menor perímetro mojado. Por esta razón se dice indistintamente sección hidráulica óptima, sección más eficiente, sección de mejor radio hidráulico y sección de menor perímetro mojado. De todas las formas posibles de sección, a igualdad de los valores A, S y n, la sección más eficiente es el medio círculo.

𝛑𝐲 𝟐 𝐀 𝐲 𝐑= = 𝟐 = 𝐏 𝛑𝐲 𝟐

De todas las secciones trapezoidales, a igualdad siempre de los valores A, S y n, la SME es el medio hexágono regular.

(El talud resulta ser 60º)

𝐫𝟐 𝐀 𝟑 𝟒 𝟑 𝟑𝐫 𝟐 𝟑 𝐫 𝟑 𝐲 𝐑= = = = = 𝐏 𝟑𝐫 𝟏𝟐𝐫 𝟒 𝟐

Desde el punto de vista práctico las formas más comunes de sección son la rectangular y la trapezoidal con valor del talud (t) definido por el material de excavación. Resulta muy útil obtener para estos dos casos la relación fondo/tirante (b/y), lo que se logra igualando a cero la primera derivada del perímetro mojado. 

Sección rectangular:

=

= =−

= =

= =



− −→

=

=

= =

Sección trapezoidal: (con un valor pre-asignado de t)

=

√ =−

= −

− √

√ =

=− (

)

=

= √

= =

−

√ − −→

=

− −

− )

−

= =

(√

− =

(

− )

(

− )

=

Canales de máxima eficiencia hidráulica con taludes en terrenos naturales.Los canales Trapezoidales son lo que presenta mejores condiciones para la construcción en terreno natural los cuales todavía son usados en algunos canales menores.

MATERIAL

Z = t (Talud lateral)

Roca sana

0.25

Roca descompuesta (Alterada)

0.50

Cascajo sementado

1.0

Tierra

1.5

Tierra arenosa

2.0

Arena

3.0

Talud muy abierto

4.0

Los taludes que generalmente se recomienda son los siguientes (en seco):

Los valores consignados en esta tabla deben considerarse meramente referenciales. Siempre consideramos que el talud se define como 1 vertical y z ó t horizontal. NOTA: Se ha mostrado que en todos los casos de sección más eficiente se cumple que el radio hidráulico (R) resulta ser igual a medio tirante.

TRANSICIONES PARA CAMBIO DE SECCIÓN Y PARA SIFONES Las transiciones generalmente producen un cambio gradual en la sección transversal y son usadas en las entradas y salidas de las estructuras y cambios en la sección de canales para: 1) provocar un flujo de agua más suave o tranquilo, 2) reducir la pérdida de energía, 3) minimizar la erosión del canal, 4) reducir las elevaciones de la superficie agua, aguas arriba de las estructuras de cruce (evitando o disminuyendo el embalsamiento), 5) proveer estabilidad adicional a las estructuras adyacentes por el incremento de resistencia a la percolación, 6) retener el relleno de tierra a la salida de la estructura. Las transiciones producen usualmente una aceleración gradual del flujo a la entrada y una desaceleración gradual a la salida. Debido al mejoramiento de las condiciones del flujo al final de la cañería, la velocidad disponible puede ser incrementada y el tamaño de la tubería puede ser disminuido si hay suficiente altura de energía disponible. Las transiciones son tanto abiertas como cerradas. Las transiciones cerradas son usadas para disminuir aún más las pérdidas de energía para las estructuras de cañerías mediante la previsión de un cambio gradual adicional de la sección transversal rectangular a circular. El refinamiento de transiciones rectangulares a circulares no es generalmente generalmente justificado para el caso de pequeñas obras hidráulicas. Las transiciones abiertas pueden ser tanto de hormigón como de tierra. Las transiciones de tierra son usadas para transiciones de ancho de base, elevación, taludes o transición de hormigón a una sección fluvial (U. S. Bureau of Reclamation).

Tipos de transiciones A) Transiciones entre canales: Con base en el comportamiento de estructuras existentes, se ha encontrado que los siguientes aspectos son importantes en el diseño. .- Proporcionamiento. Para tener una transición bien diseñada debe considerarse las siguientes reglas para las dimensiones:

- El angulo máximo óptimo entre el eje del canal y una línea que conecte los lados del canal entre secciones de entrada y de salida es de 12.5ª. - Evítense los ángulos agudos en la superficie del agua o en la estructura, ya que estos inducirán ondas estacionarias extramas y turbulencia. B) Transiciones para caños de cruce de drenaje: las transiciones de hormigón utilizadas más comúnmente en este caso son las tipo 1 (broken-back); tipo 2, tipo 3 y tipo 4. Agregar una transición de entrada a una estructura de cañería de cruce de drenaje, permite que la cañería de entrada sea rebajada, lo cual resulta en una disminución de la superficie de agua requerida corriente arriba. La disminución de la superficie de agua minimiza las inundaciones de los campos y permite un mayor embalse. Una transición de tipo 1 será utilizada cuando el canal natural tenga una sección transversal bien definida, con dimensiones para las cuales sea razonable utilizar una transición quebrada o broken-back. Donde el canal natural no es bien definido y relativamente ancho, son apropiadas transiciones tipo 2 y 3 o 4 (U. S. Bureau of Reclamation, 1978).

Consideraciones de diseño para transiciones en estructuras de conducto circulares  Sumergencia: se pasa de transiciones de entrada a estructuras de cañería, donde el control está corriente abajo de la estructura. La transición de entrada tiene que tener un sello hidráulico de una vez y media la diferencia de altura de velocidad entre el canal y el caño o 7,5 cm como mínimo. El sello es medido entre la superficie del agua aguas arriba de la transición de entrada y el borde superior de la apertura en la cabecera de entrada. Esta sumergencia de entrada implica pérdidas a la entrada del caño y conversión de la altura estática del canal en la altura de velocidad del conducto escurriendo lleno. Para que la pérdida sea mínima, el borde superior de la apertura a la salida debe tener muy pequeña o nula sumergencia. Si la sumergencia excede un sexto de la profundidad de la apertura a la salida, la pérdida se computará como una expansión brusca y no como una transición a la salida. La diferencia teórica en el pelo libre en el canal e inmediatamente dentro del conducto es: ΔSA = (1+K1)·Δhv en la entrada y ΔSA = (1-K2)·Δhv a la salida. Estos valores omiten las pequeñas pérdidas por fricción en la transición y K1 y K2 son coeficientes de pérdidas de altura de energía. Donde la transición de entrada se conecta a un flujo libre en conducto cerrado, de tal forma que la entrada al conducto este sellada (que tenga un sello hidráulico), la altura necesaria para descargar el flujo de diseño puede ser determinada de la ecuación de orificio. Pérdidas: las pérdidas de energía en una transición van a depender principalmente de las diferencias entre las alturas de velocidad en los cierres de isión de las transiciones (usualmente se toma la altura de velocidad del canal) y la normal para la sección central del conducto cerrado en la pared cabecera. Pérdidas por fricción para transiciones cortas asociadas a caudales hasta 2,70 m³/s serán pequeñas y serán omitidas. Los coeficientes utilizados con Δhv que se consideran adecuados para determinar pérdidas de energía en transiciones tipo 1 son del 40% de Δhv a la

entrada y el 70% de Δhv a la salida. Las dimensiones para transiciones tipo 1 usualmente son tales que cualquier transición adicional hasta alcanzar la sección del canal deberá ser hecha con una transición de tierra donde el canal es de tierra y una transición alineada donde el canal es alineado. Sin embargo, las pérdidas de energía atribuidas a estas transiciones son pequeñas y usualmente se considera adecuado en el diseño hidráulico utilizar sólo las pérdidas en la transición de hormigón, asumiendo que la velocidad en el cierre de isión de la transición es la misma que en el canal (U. S. Bureau of Reclamation, 1978). Los coeficientes para Δhv considerados adecuados para determinar las pérdidas en transiciones de tierra que unen la sección del canal a un cañería son del 50% de Δhv a la entrada y el 100% de Δhv a la salida.  Ángulo de la superficie de agua: para obtener las condiciones hidráulicas más deseables, el ángulo entre la superficie de agua y la línea central o eje de la transición no debe exceder los 27½º para transiciones de entrada y 22½º para transiciones de salida. Para algunos diseños de estructuras puede ser más económico usar un ángulo de 25º para permitir que la misma transición de hormigón se use tanto para la entrada como para la salida, para estos ángulos los coeficientes de pérdidas serán del 50% a la entrada y el 100% a la salida.  Erosión del canal: para prevenir una erosión del canal indeseada aguas abajo, desde la salida de la estructura, se tendrá en cuenta el siguiente criterio para la velocidad de la tubería. Si la velocidad es menor o igual a 1 m/s es usualmente conveniente una transición de tierra a la salida, si la velocidad de la tubería es mayor que 1 m/s se requiere una transición de hormigón a la salida u otra estructura de salida. Si la velocidad de la salida es mayor a 3 m/s será necesaria una salida con pantalla o un cuenco disipador.  Cierres de isión: su función es reducir la percolación alrededor de las transiciones y para brindar estabilidad y resistencia estructural a las transiciones. Las cortinas son necesarias en los extremos de las transiciones con canales de hormigón o de tierra. Estas cortinas deben ser, en general, como mínimo de: 60 cm para tirantes de agua de hasta 90 cm. 75 cm para tirantes entre 90 cm y 1,8 m. 90 cm para tirantes mayores a 1,8 m. Para algunas estructuras pequeñas es suficiente con unos 45 cm. Los espesores mínimos de hormigón deben ser: - 15 cm para pantallas de 45 cm y 60 cm. - 20 cm para pantallas mayores a 60 cm. Para la excavación de la estructura habrá que destapar la tierra vegetal que es susceptible a la tubificación, en dicho caso la cortina debe extenderse verticalmente u horizontalmente o ambas, por sobre los mínimos dispuestos para brindar una adecuada protección contra la percolación. Para la extensión no es necesario que el hormigón sea armado. Estandarización: las transiciones de hormigón pueden ser estandarizadas, lo cual significa una reducción de costos, diseñándolas para ajustarse a un rango de condiciones de tal modo que se hagan aplicables a un determinado número de transiciones.

Si se estandarizan las transiciones de hormigón para estructuras de canales alineados será probablemente necesario suplementarlas con un tramo de hormigón o tierra para completar la transición a la sección del canal. Las pérdidas para estas transiciones suplementarias son usualmente ignoradas.

Transiciones entre canales:

Coeficientes para las pérdidas por entrada y salida según su tipo: Tipo de transición Tipo alabeada Tipo cuadrante de cilindro Tipo simplificado con línea recta Tipo línea recta Tipo extremos cuadrados

ci

co

0.10 0.15 0.20 0.30 0.30

0.20 0.25 0.30 0.50 0.75

Transiciones entre canales y sifones: Tipo 1 En la figura se muestra una transición tipo 1 típica. Esta transición se usa generalmente en estructuras lineales ya que su aplicabilidad radica en tener secciones de canal bien definidas.

Tipo 2 Una longitud de la transición igual a tres veces el diámetro de la cañería ha dado resultados satisfactorios en la provisión de la distancia necesaria para lograr cambios suaves en la velocidad del agua, es decir flujo uniforme. La dimensión B es elegida de manera que los muros de las paredes laterales tengan un talud de 1½:1 de manera que estos sean aproximadamente tangentes a la altura del muro a la entrada y debe ser determinada haciendo B igual a 30,3% del diámetro de la cañería. El valor calculado debe ser redondeado por exceso. El ancho de base C entre las paredes en la sección de ingreso a la transición depende del refinamiento de diseño del ángulo de la superficie del agua. Si a la altura de los muros se le restan 15 cm, y se asume que este valor es aproximadamente igual que la profundidad d en el canal en la sección de ingreso a la transición, puede determinarse un valor aceptable de C, para distintos ángulos de superficie de agua (U. S. Bureau of Reclamation, 1978). Para ángulos de la superficie del agua de 22½º:  C = 0,5·D cuando D = d  C = 1,1·D cuando D = 1,25·d  C = 1,5·D cuando D = 1,50·d  C = 2,0·D cuando D = 2·d Para ángulos de la superficie del agua de 25º:  C = 0,8·D cuando D = d  C = 1,4·D cuando D = 1,25·d  C = 1,8·D cuando D = 1,50·d  C = 2,3·D cuando D = 2·d Para ángulos de la superficie del agua de 27½º:  C = 1,1·D cuando D = d  C = 1,7·D cuando D = 1,25·d  C = 2,1·D cuando D = 1,50·d  C = 2,6·D cuando D = 2·d Si se requiere transición adicional para el ancho de la base del canal, se puede realizar una transición lineal en tierra u hormigón. La dimensión “Y” no debe ser menor que el valor del tirante de agua “d” más la revancha en la sección de ingreso. Para evitar erosiones innecesarias en el canal de tierra es deseable poner el fondo de la transición al mismo nivel que la solera del canal. La revancha en la sección de ingreso a la transición, adyacente al revestimiento de hormigón u otra superficie resistente o membranas enterradas que revisten el canal, tiene usualmente el mismo tipo de revestimiento. Para caudales hasta a 1,35 m³/s esta revancha es usualmente de 15 cm, y para caudales entre 1,35 y 2,7 m³/s la revancha tendrá un rango entre 15 cm y 22,5 cm. En canales de tierra no lineales las revanchas mínimas requeridas en la sección de ingreso a la transición tipo 1 deben ser las siguientes: d (m) 0 a 0,37 0,38 a 0,60

Revancha mínima (cm) 15,0 22,5

0,61 a 1,50

30,0

El valor para “p” es la diferencia de cotas entre el fondo de la sección de ingreso a la tubería y el fondo del canal a la entrada de la transición. Este fondo es determinado por el nivel de sumergencia requerida en esa sección; el fondo en el ingreso a la transición se adopta igual al de la solera del canal. El valor de “p” no debe exceder tres cuartos del diámetro de la tubería en la transición de entrada o la mitad del diámetro para la transición de salida. Estas dimensiones proveen pendientes de fondo máximas 4:1 para la transición de entrada y 6:1 para la salida. Si se requiere una transición adicional para el fondo del canal, estas deben ser efectuada en tierra adyacentemente o con un revestimiento de hormigón si se trata de un canal de hormigón. La dimensión “a” depende de la revancha de diseño en la sección de entrada a la tubería y el fondo de esta misma sección, que se determina por el nivel de sumergencia. La revancha de la transición tipo 1 en la sección de entrada a la tubería deberá ser igual o mayor que la tabulada precedentemente para la sección de ingreso. La revancha de la sección de entrada a la tubería para transiciones conectadas con caños de 60 cm de diámetro y menores puede ser la misma que para la sección de entrada, como consecuencia, el nivel de la sección de entrada a la tubería se elevará proporcionalmente al diámetro del caño utilizado. Para diámetros grandes, esta revancha, se incrementará según el incremento del tamaño de la estructura. Frecuentemente se adopta el doble que la revancha en la sección de ingreso (U. S. Bureau of Reclamation, 1978).

La velocidad máxima permitida para un flujo a sección llena es de 3 m/s para estructuras de alcantarillas para cruce de drenaje teniendo transiciones de salida de hormigón. Para prevenir la degradación en la entrada, la inversión del filo de la transición está ubicada en o próxima a una superficie existente de suelo. Inclinando el piso de la transición por debajo de la abertura del cabezal y puesto que el control hidráulico para el flujo de diseño está en el cabezal de entrada, la superficie de agua requerida para descargar el flujo es también descendente. Los muros de alas a la entrada son abiertos por tres razones: 1) Para producir una mejor condición de eficiencia hidráulica a la entrada para la apertura del cabezal. 2) Para proveer un ancho suficiente al filo de la transición que asegure que el control hidráulico de la superficie del agua se encuentre a la entrada del tubo. 3) Para proveer un ancho mayor al filo de la transición que reduce la probabilidad de erosión debido a la reducción del tirante de agua y la velocidad para flujos menores al flujo de diseño. Acampanando los muros de ala de la salida, también permite que el agua circule en el filo de la transición con menor probabilidad de erosión para flujos parciales. Para proveer una revancha adecuada para el canal, la superficie de agua en la entrada para el flujo de diseño debería ser por lo menos de 60 cm por debajo del tope del canal. La ecuación del orificio puede ser utilizada para calcular la superficie de agua requerida para la descarga del flujo de diseño. Para una transición de entrada tipo 2 se puede utilizar un coeficiente de descarga C = 0,6 (U. S. Bureau of Reclamation, 1978). Tipo 3 La figura que se muestra es de transición tipo 3 típica. Las dimensiones provistas en la tabla proveen control en el cabezal de entrada y también revancha en el cabezal para el flujo de diseño y flujo libre en el caño. La máxima velocidad del flujo a caño lleno permitida en alcantarillas de cruce de drenaje natural con transición de hormigón a la salida es 3 m/s.

Para prevenir la degradación en la entrada, el tope de las paredes de entrada se coloca en, o cerca, de la superficie existente de tierra. Bajando el piso de la transición en una cantidad “B” desciende la abertura del cabezal y, como el control hidráulico esta en la entrada, también desciende la superficie del agua requerida para descargar el flujo de diseño. Para proveer una adecuada revancha en la orilla del canal, la superficie de agua en la entrada debería estar por lo menos 60 cm por debajo del tope de la orilla del canal. La ecuación del orificio puede usarse para calcular la superficie del agua en la entrada para el caudal de diseño. Para transición de entrada tipo 3, se puede usar un coeficiente de descarga C = 0,6 (U. S. Bureau of Reclamation, 1978). Tipo 4 La figura le muestra una transición tipo 4 típica. La velocidad máxima permitida para caños a sección llena es de 3,6 m/s en estructuras de alcantarillas para drenaje de cruce con pantallas de salida o cuencos disipadores.

Para prevenir la degradación en la entrada, el borde de la pared de entrada está situado en o cerca de una superficie de suelo existente. Descendiendo el piso de la transición una cantidad igual a “e”, e inclinando el piso de la transición en forma descendente desde la abertura del cabezal. Debido a esto, y como el control hidráulico es a la entrada, la superficie del agua requerida para descargar el flujo de diseño también disminuye. Los lados de las paredes de entrada son acampanados para proveer un ancho de borde suficiente para asegurar que el control hidráulico de la superficie de agua se encuentra en el cabezal y para proveer un ancho mayor en el filo de la transición el cual reduce la probabilidad de erosión debido a la reducción del tirante de agua y la velocidad para flujos menores al flujo de diseño. Para proporcionar una adecuada revancha, la superficie de agua en la entrada para flujo de diseño debe ser como mínimo de 60 cm por debajo del borde de la revancha del canal. La ecuación de orificio, puede usarse para calcular la superficie del agua en la entrada para el caudal de diseño. Para transición de entrada tipo 4, se puede usar un coeficiente de descarga C = 0,6 (U. S. Bureau of Reclamation, 1978).

Tipo 5 La figura 46 muestra transición tipo 5 típica. Estas transiciones son simplemente una extensión del revestimiento de hormigón del canal el cual encaja con la sección normal de hormigón alineada en un extremo y tiene un cabezal de entrada en el otro extremo. Estas transiciones pueden ser usadas donde minimizar la pérdida de carga no es un factor importante.

Debido a las consideraciones del cabezal de entrada establecidas, el máximo diámetro de caño usado con transiciones tipo 5 es 90 cm (U. S. Bureau of Reclamation, 1978). Transiciones de Tierra Se usan transiciones de tierra para lograr una transición desde una sección de canal hasta una estructura de canal donde las velocidades no exceden de 1 m/s. Las longitudes de las transiciones de tierra están usualmente relacionadas con el tamaño de la estructura . Para estructuras de caño, las longitudes de ambas transiciones de tierra a la entrada y a la salida son usualmente de 3 diámetros o un mínimo de 1,5 m. Para otras estructuras, las longitudes de transición de tierra son generalmente 1,5 m para estructuras con capacidad relativamente pequeña y 3 m para otras estructuras. Las pendientes invertidas no deberán exceder de 1:4 para ambas transiciones de entrada y salida.

Las longitudes usadas para transiciones de tierra con conexión a transiciones de hormigón deben ser de 3 m de largo o lo requerido por alguna otra consideración, de modo que las pendientes invertidas no exceden el máximo permitido para la transición de hormigón tipo 1, 1:4 para entrada y 1:6 para salida (U. S. Bureau of Reclamation, 1978).

CALCULOS: Para mejor observación de como la teoria es aplicada, se desarrollaron los siguientes problemas propuestos por el docente (Ing. Carlos Altamirano)

CONCLUSIONES: Mediante este trabajo se pudo conocer mas acerca del manejo del agua en sus diversas estructuras hidráulicas, teniendo esto como ventaja para poder mirar con mayor cuidado al diseñar nuestros proyecto. El efecto del agua se manifiesta a través de la grafica tirante vs energía especifica, de lo cual puedo inferir que el régimen en donde se encuentre el flujo de agua es muy inportante en el fenómeno que pueda ocurrir, tales como el resalto hidraulico, la rapida, la transición, etc. Mediante estos ejercicios desarrollados pude aprender a ver como las velocidades del flujo que pueda discurrir en un canal abierto no deben ser ni tan lentas como para la presencia de los sedimentos ni tan rápida como para erosionar a la estructura.

BIBLIOGRAFÍA: Chow, V. T., “Hidráulica de canales abiertos”, McGraw-Hill, 1994. U. S. Bureau of Reclamation, “Design of small canal structures”, 1978. U. S. Bureau of Reclamation, “Proyecto de pequeñas presas”, 1970. Pedro Rodríguez Ruiz, “Hidraulica II”, 2008 French, R. H., “Hidráulica de canales abiertos”, McGraw-Hill, 1993. Manuel Vicente Mendez, “Elementos de hidraulica de canales”, 2001 Gilberto Sotelo Ávila, “Hidraulica de Canales”, 2002 Máximo Villón Béjar, “Hidraulica de Canales- Problemas resueltos”, 2006

ANEXOS:

Canal de Sección Trapezoidal

Transición de Entrada Entre Canales

Transición de Entrada para Sifónes

Transicion de Entrada Para Sifón Invertido