Trabajo De Obras Hidraulicas( Sifones ) 6f3j6l

OBRAS HIDRAULICAS

UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO Alumno: Castillo Díaz Juan francisco Asignatura: Obras hidráulicas Tema: Sifones Docente: Ing. Daniel Díaz

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OBRAS HIDRAULICAS DISEÑO DE SIFÓN INVERTIDO INTRODUCCIÓN. El sifón invertido surge como solución a la necesidad de burlar un obstáculo topográfico y conducir un fluido mediante una tubería a presión, diseñándose como una tubería simple. Es notable la utilidad que tiene este tipo de estructuras no solo porque resuelve el problema de realizar grandes tramos de canal cuya construcción demandaría mayores costos elevando el monto del proyecto. Los sifones invertidos son usados para transportar agua proveniente de canales por debajo de carreteras y vías de tren debajo de ríos y quebradas, etc. Cuando existen quebradas poco anchas profundas conviene cruzadas con acueductos, pero cuando el cruce es ancho arriba y profundo en el centro muchas veces conviene proyectar un sifón invertido .Los estudios económicos y las consideraciones topográficas, geológicas e hidrológicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructura.

OBJETIVOS:  

Conocer el funcionamiento y las características que presenta un sifón invertido. Hacer el diseño de un sifón invertido con los datos de un sifón invertido.

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Definición de Sifón: Cuando un canal debe cruzar una depresión ya sea una quebrada, un rio, un dren o un camino, etc. se proyecta un sifón invertido que puede ser sección circular, rectangular o cuadrada que trabajara a tubo lleno. Un sifón consta de un conducto cuya longitud queda determinada por el perfil del terreno y dos transacciones una de entrada y otra de salida, siendo generalmente de sección trapezoidal a rectangular en la cual se encuentran anclados los tubos. En el cruce de un canal con una quebrada, el sifón se proyecta para conducir el menor gasto y lo suficientemente mente profundo para no ser socavado en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones. Un sifón se constituye en un peligro, principalmente cuando esta cerca a centros poblados, siendo necesario el uso de rejillas pero con la desventaja de que puedan obturarse las aberturas y causar remansos

TIPOS Podemos diferencias dos tipos de sifones en cuanto al principio de su funcionamiento: Sifón (normal) y Sifón invertido.

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SIFON (NORMAL) Su funcionamiento se debe a la presión atmosférica que actúa en la superficie del agua a la entrada, la diferencia de presiones gracias al vacio hace que el agua fluya en sentido ascendente y termine cayendo al otro extremo por efecto de la gravedad.

SIFÓN INVERTIDO

Un sifón invertido es una estructura utilizada para pasar por debajo de un obstáculo, a diferencia del sifón normal este funciona únicamente por efecto de la gravedad.

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OBRAS HIDRAULICAS ELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA. Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar una alcantarilla, y si el obstáculo es muy grande se usa un túnel. Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar como estructura de cruce como puente canal o un sifón invertido o la combinación de ambos. El puente canal se utilizara cuando la diferencia de niveles entre rasante del canal y la rasante del obstáculo, permite un espacio libre suficiente para lograr el paso del agua en el caso de arroyos o ríos. El sifón invertido se utilizara si el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo. ASPECTOS GENERALES

El sifón invertido es una obra de costo relativamente elevado y presenta dificultades de limpieza y desobstrucción, razón por la cual debe ser utilizado solamente después de un estudio comparativo con otras alternativas. Siempre que sea posible se debe evitar el uso de sifones invertidos por los grandes inconvenientes que representa su conservación y mantenimiento, sin embargo muchas veces no es posible resolver de otra manera el problema de paso de depresiones. CLASES DE SIFONES a) Ramas oblicuas: Se emplea para cruces de obstáculos, para lo que se cuenta con suficiente desarrollo y en terrenos que no presenten grandes dificultades de ejecución SIFONES

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Estos dos tipos se caracteriza con una o dos ramas verticales, son preferidos para emplazamientos de poco desarrollo o en caso de grandes dificultades constructivas. Debido a sus características de fácil limpieza y reducido espacio, son muy aconsejables. d) Con cámaras de limpieza: Son aquellas se que aplican en obras de cruce de vías subterráneas.

Diseño hidráulico del sifón invertido: El desnivel entre las gradientes de energía en la entrada y la salida algunas veces se predetermina y en otras será igual a la suma de todas las pérdidas producidas en el contorno. Las pérdidas de carga importantes son: a. En la transición de entrada y salida b. Perdida rejilla de ingreso y salida c. Por fricción en transiciones d. Por fricción en el sifón SIFONES

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OBRAS HIDRAULICAS e. En los codos o cambios de dirección f. Por cambio de sección en la salida.

Simbología a emplearse

Criterios de diseño para un sifón invertido 1. Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos doblados y sugerencia de la entrada y salida. 2. En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes se requiere un mínimo de 0.90m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelares o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.60 m. si el sifón cruza un canal revestido se considerara suficiente 0.30m de cobertura 3. La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5%0 se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con diámetro mayor o igual a 36” y para velocidades de tubo mayores a 1m/seg. 4. Con la finalidad de causar desbordes en aguas arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al del diseño , se recomienda aumentar en un 50% o 0.30 m como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15 m a partir de la estructura .

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OBRAS HIDRAULICAS 5. Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transacciones de tierra, tanto a la entrada como a la salida se puede usar una velocidad de 1 m/seg. En sifones con tracciones 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 transacciones de concreto o sin control en la entrada. 6. Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones de tipo “cubierta partida “, se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4hv y 0.65hv. 7. A fin de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales computadas se incrementan en 10%. 8. En el diseño de la transición de la entrada se recomienda que la parte superior del sifón este ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida sello de agua y en el diseño se toma como 1.5 veces la carga de velocidad del sifón o 1.1 como mínimo o también 3”. 9. En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6. 10. En los sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento. 11. En sifones largos bajo ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere a flujo parcial o a flujo lleno. Con un coeficiente de fricción menor que el sumido en el diseño por esta razón se recomienda usar n= 0.008 cuando se calculan las pérdidas de energía. 12. Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubican ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse. 13. Con respecto a las pérdidas de carga totales .se recomienda la condición de que están sean iguales o menores a 0.30 m. 14. Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada es necesario conocer el gasto máximo de la creciente. 15. Se recomienda los anchos de corona de la tabla A en el cruce de sifones o alcantarillas según el tipo de camino Tabla A: ancho de corona según el tipo de camino

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Proceso de cálculo de un sifón invertido 1. Se tiene las características del canal que se va a conectar al sifón , características como rugosidad , pendiente , base , tirante , caudal y en base a esto se procede a los siguientes cálculos 2. Calculo de velocidad del canal 3. Calculo de dimensiones del conducto , al momento de encontrar el Diámetro se debe tener en consideración la tabla comercial de diámetros de tubería para redondear

4. Calculo de las transiciones. 5. Calculo de pérdidas de carga

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Ejercicio 1. Diseñar un sifón invertido en el cruce de un canal con la panamericana, las características del cruce se presentan en la figura y las características del canal aguas arriba y aguas abajo del cruce son: Z: 1.5 Q=1m3/seg. S= 1%o b= 1m n= 0.025 Y = 0.7 m

V=0.7m/seg.

La pendiente aguas arriba y aguas abajo es de S= 1 0/oo y las cotas según el perfil de canal son: Km. 1+0.30=46.725 m.s.n.m Km. 1+0.70=46.443 m.s.n.m SIFONES

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OBRAS HIDRAULICAS Solución: Con la información topográfica del perfil de terreno en el cruce y en el perfil del canal, se efectuará el dimensionamiento previo de la figura adjunta, el cual si cumple con los requisitos hidráulicos necesarios, se puede aceptar como solución al problema, o en caso contrario se hará los ajustes necesarios 2. selección del diámetro del tubo Asumimos una velocidad de 1.5m/seg.

D= 0.92, escogemos D= 36”  El nuevo valor del área será:

0.9144 m.

Y la velocidad de diseño será:

3. Longitud de transición T1= b+2zy 1+2(1.5)(0.7)= 3.1 T2= 0.9144 m

Escogemos:

4. Nivel de agua en 1 Del km 1+0.30 al punto 1 según la fig. Adjunta, hay 6.41 m., luego la cota de fondo en 1 será: 46.725- (6.41 * 0.001) = 46.719 m.s.n.m SIFONES

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OBRAS HIDRAULICAS El nivel del agua en 1: 46.719 + 0.7 = 47.419

m.s.n.m

5. Cota de fondo en el 2

Cota de fondo en 2:47.419 – (Hle -1.5hv)

Cota de fondo en 2: 46.344 m.s.n.m 6. Cota en el fondo 3

Luego: 46.344-1.04 = 45.304 Cota de fondo en 3: 45.304 m.s.n.m 7. Cota en el fondo 4 Longitud de tubo horizontal: 10 m. 10 *0.005 = 0.05 45.304 – 0.05 = 45.254 Cota de fondo en 4: 45.254 m.s.n.m

8. Cota en el fondo 5

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Luego: 42.254 + 0.8316 = 46.086 Cota de fondo en 5: 46.086m.s.n.m 9. Cálculo de P en la salida.

El máximo valor de P en la entrada debe ser 3/4D y en salida 1/2D; luego P en la salida: 0.9144/2 =0.4572 de otro lado se tiene que la cota en 6 será: la distancia entre el punto 6 y el Km.1+0.70: 7.388 la cota e la 6 es: 46.443- 0.0074 = 46.436 m.s.n.m. Cota 6 – cota 5: 46. 436 – 46.086 = 0.35 m. Escogemos el valor P =0.35 para que la cota 6 de la transición coincida con la rasante de canal. 10. Inclinación de os tubos doblados A la entrada 4.7: 1 es más rápido que 2:1, se acepta la inclinación. A la salida 4.7: 1igual que la entrada, se aceptamos la inclinación.

11. Carga hidráulica disponible. Cota 1 + tirante =46.719 + 0.7 = 47.419 m.s.n.m Cota 6 + tirante =46.436 + 0.7 = 47.136 m.s.n.m. SIFONES

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OBRAS HIDRAULICAS Carga disponible m= 0.283 m. 12. Calculo de las pérdidas de carga . Perdidas por entrada: 04(0.0938)= 0.037. Perdidas por salida: 0.65 (0.0938) = 0.060. Perdidas por fricción Perdidas por codos: Pcd f:0.025 L=19.0 m D = 4R = 0.9144

Para mayor seguridad las pérdidas totales se incrementaran en un 10 % Luego: 1.1 *0.18 =0.198m Podemos deducir que la carga disponible menos las pérdidas totales son de: 0.283 -0.198 =0.085 m. Lo que significa que no habrá problemas hidráulicas 13. Cálculo de la sumergencia de salida Altura de sumergencia (0.70 +0.35) – Hle

Altura de sumergencia: 1.05 – 0.935 = 0.115 m Este valor no debe exceder a:

Luego: 0.115 < 0.156 Se acepta el valor de sumergencia puesto que es menor a la altura permisible 14. Longitud de protección con Enrocado Lp= 3Di = 2.74  2.80 m SIFONES

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OBRAS HIDRAULICAS En el proyecto preliminar trazado en la fig.4.13 se considera la solución al problema puesto que cumple con los requisitos hidráulicos. Ejercicio 2 Diseñar un sifón invertido en el cruce de un canal con una carretera. Z = 1.4 Q = 1.4 m3/seg. S = 0.001 b=0.90 m n= 0.025 Y = 0.87m V = 0.8m/s V2/2g = 0.0326 m La pendiente aguas arribas y aguas abajo es de 1 %0 y las cotas según el perfil son: Km. 1+0.20 = 45.410 msnm Km 1 + 0.60 = 45.128 msnm. 1. Asumimos un velocidad mínima de 1.5 m/s 2. Selecion del diámetro del tubo A= Q/V  A= 1.4 / 1.5 A= 0.93 m2 A= π*Di^2 / 4 ….. D i= (4*A/ π) ^ (0.5) Di = (4*0.93/ π) ^ (0.5) D i= 1.09 m * 39.37 “= 42.91 “… Escogemos Di = 42 “= 1.07 m El nuevo valor del área será: A= π*Di^2 / 4 A= π*1.07^2 / 4 

A = 0.8992

La velocidad de Diseño será: V= Q/A V = 1.4 / 0.8992  V= 1.57 m/seg

3. longitud de transición T1 = b + 2ZY = 0.90 + 2*1.4*0.87 = 3.34 m T2 = 1.07 m SIFONES

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Lt =4*Di =4.28 m Escogemos Lt=5.12 4. Nivel de agua en 1 Del Km 1+0.20 al punto 1, hay 5.41 m, luego la cota de fondo en 1 será 45.410 – (5.41*0.001) = 45.4056 msnm El nivel de agua en 1: 45.4056 +0.87= 46.2756 msnm 5. Cota de Fondo 2

Cota de Fondo 2 =46.2756-(1.0939+0.1265)= 45.0422 msnm 6. Cota de Fondo en 3 Luego: 45.0422 -1.2475 = 43.7947 m.s.n.m Cota de fondo 3 = 43.7947 m.s.n.m 7. Cota de Fondo en 4 Longitud del tubo horizontal: 11m 11*0.005 = 0.055 43.7947-0.055= 43.7397 Cota de fondo 4: 43.7397 m.s.n.m.

8. Cota de Fondo en 5

Luego: 43.7297 + 1.04 = 44.7697 SIFONES

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OBRAS HIDRAULICAS Cota de Fondo 5 = 44.7697 m.s.n.m. De otro lado se tiene que la cota en 6 será: la distancia entre el punto 6 y el Km 1+0.60:6.388 m La cota en 6 es = 45.128- (6.388*0.001)= 45.1216 msnm Cota agua: 45.1216+0.87=45.9916msnm Calculo de P en la salida P máx. = 3/4D (entrada) P máx. = ½D (salida) Entonces ½ (1.07)= 0.8025 m Comprobando que no exceda: COTA 6-COTA 5= 0.3519 0.3519< 0.8025 ok P= 0.3289 m para que la cota 6 coincida con la rasante canal 10. Inclinación de los tubos doblados

x=5.8690

Y=4.8928

4.7:1 es mas plano que 2:1, se acepta la inclinación.

4.7:1 igual que al de la entrada, se acepta la inclinación.

11. carga hidráulica disponible: Cota 1 + Tirante = 45.4056 + 0.87= 46.2756 msnm Cota 6 + Tirante = 45.1216 +0.87 =45.9916 msnm Carga disponible: 46.2056-45.9516: 0.284 m .12.Calculo de las Pérdidas de Carga SIFONES

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Perdidas por entrada: 0.0372

Perdidas por salida: 0.0605 Perdida por fricción n=0.015 V=1.57 m/seg D= 1.07 m L = 22 m f= 0.025 Perdida por codo

Para mayor seguridad las pérdidas totales se incrementaran en un 10%. Luego: 1.1*(0.0372+0.0605+0.0708+0.0229)=0.2105 Podemos deducir que la carga disponible menos las pérdidas totales es: 0.284 m – 0.2105 = 0.0735 m No habrá problema hidráulico

13. Calculo de la sumergencia a la salida Altura de sumergencia (0.80 + 0.7019)=1.5019 – hte

La altura de sumergencia (0.87 +0.3519) = 1.1989- 1.0939 Altura de sumergencia = 0.1280 m SIFONES

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OBRAS HIDRAULICAS Este valor no debe ser a = 0-81823 0.1280 m> 0.1823, el valor de sumergencia se adapta puesto a que es menor que el valor máximo Altura de sumergencia: 0.1050 14. Longitud de Protección con encofrado Lp= 3Di Lp= 3(1.07) Lp= 3.21 El proyecto preliminar trazado en la figura se considera la solución al problema puesto que cumple los requisitos hidráulicos

Anexo:

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