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FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

TEMA

CAIDAS HIDRAULICAS

AUTOR: TORREJON PINEDO, RONALDO

ASESOR: ING. DANIEL DIAZ PEREZ CURSO: OBRAS HIDRAULICAS

TARAPOTO-PERU 2015-l

I

CAIDAS HIDRAULICAS NTRODUCCION

En el recorrido de un canal, pueden presentarse diversos accidentes y obstáculos como son: Depresiones del terreno, Quebradas secas, Fallas, Cursos del agua, necesidad de cruzar vías de comunicación (carreteras, vías

férreas

u otro

canal). La

solución mediante

estructuras hidráulicas es: Acueductos, Sifón, Diques. En el caso del cruce de un canal con una vía de comunicación dependerá de la importancia de la vía de comunicación como del tamaño del canal, para elegir si es preferible pasar el canal encima de la vía o por debajo de ella, en el primer caso la solución será un acueducto, en el segundo caso se optara por un sifón invertido o un conducto cubierto. Igualmente en el caso de depresiones naturales será necesario analizar las diferentes alternativas enunciadas y decidir por la estructura más conveniente. Si la depresión fuera ancha y profunda y no se angostase hacia aguas arriba, podría no ser factible un acueducto, pero si un sifón invertido. En algunos será necesario analizar alternativas de conducto cubierto alcantarilla o sifón. Los canales que se diseñan en tramos de pendiente fuerte resultan con velocidades de flujo muy altas que superan muchas veces las máximas

admisibles

para

los

materiales

que

se

utilizan

frecuentemente en su construcción. Para controlar las velocidades en tramos de alta pendiente se pueden utilizar

combinaciones

de

rampas

y

escalones,

siguiendo

las

variaciones del terreno. Uno de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño de obras hidráulicas de montaña es la disipación de la energía cinética que adquiere un chorro líquido por el incremento de la velocidad de flujo. Esta situación se presenta en vertederos de excedencias, estructuras de caída, desfogues de fondo, salidas de alcantarillas, etc

OBRAS HIDRAULICAS

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CAIDAS HIDRAULICAS

CAIDAS HIDRAULICAS GENERALIDADES 1. Concepto Son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario efectuar cambios bruscos en la rasante del canal, permite unir dos tramos (uno superior y otro inferior) de un canal, por medio de un plano vertical (muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas ocasionan), permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo. 2. Finalidad Conducir agua desde una elevación alta hasta una elevación baja y disipar la energía generada por esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una caída, se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un canal. 3. Elementos De Una Caída Vertical En el diseño de una caída, se pueden distinguir los siguientes elementos: 1.0 Transición de entrada: Une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. 2.0 Caída en sí: La cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada. 3.0 Sección de control: Es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones críticas. La sección de control tiene por finalidad, mantener el flujo aguas arriba en régimen tranquilo, de manera que es en la misma sección de control donde ocurre el cambio de régimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad crítica. La sección de control consiste en una variación de la sección del canal en el punto donde se inicia la caída o una rampa en contra pendiente, de manera que la energía en el canal aguas arriba sea igual a la energía en el punto donde se inicia la caída. 4.0 Poza o colchón amortiguador: OBRAS HIDRAULICAS

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CAIDAS HIDRAULICAS Es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída 5.0 Transición de salida: Une la poza de disipación con el canal aguas abajo.

CARACTERÍSTICAS DE LA CAÍDA VERTICAL

1.0 Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara, el cual se debe remplazar para evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura. 2.0 Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes: a) Contracción Lateral

completa

en

crestas

vertientes, disponiéndose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lamina vertiente. b) Agujeros de ventilación, cuya capacidad

de

suministro de aire en m3/seg/m. De ancho de cresta de la caída.

Dónde: qa = Suministro de aire por metro de ancho de cresta. Y = Tirante normal aguas arriba de la caída qw = Máxima descarga unitaria sobre la caída. CRITERIOS DE DISEÑO DE UNA CAÍDA



Numero de caídas.

OBRAS HIDRAULICAS

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CAIDAS HIDRAULICAS       

Longitud e transición de entrada. Ancho del canal en el tramo de la caída. Diseñar la poza disipadora en función de la altura de caída. Borde libre de la caída. Rugosidad en el funcionamiento de la caída. Ventilación bajo la lámina vertiente. Verificar que la velocidad del flujo de la caída este en el rango de



0.6m/s < v < (1.5 – 2) m/s. Tener cuidado el mal funcionamiento hidráulico del chorro de la caída por que puede producir una gran erosión en el muro vertical

CAÍDAS VERTICALES CON OBSTÁCULOS PARA EL CHOQUE

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 aguas abajo a tal punto que puede considerarse independiente del salto

PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE UNA CAÍDA SIN OBSTÁCULO

1. Diseño del canal, aguas arriba y aguas abajo de la caída Utilizar las consideraciones prácticas que existen para el diseño de canales. OBRAS HIDRAULICAS

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CAIDAS HIDRAULICAS 2. Cálculo del ancho de la caída y el tirante en la sección de control En la sección de control se presentan las condiciones críticas. Para una sección rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes

Se puede asumir que

Emin = En

(energía específica en el

canal), para inicio de los cálculos realizar la verificación. También se puede suponer un ancho en la sección de control de la caída, calcular el tirante crítico y por la ecuación de la energía calcular el tirante al inicio de la transición. Existen fórmulas empíricas para el cálculo del ancho de la rápida, las cuales son: • De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse: 5 2 b = 0.765Q2/5 (Ancho de la caída) Otra fórmula empírica:

OBRAS HIDRAULICAS

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CAIDAS HIDRAULICAS Por lo general el ancho de solera con esta última fórmula, resulta de donde: mayor magnitud que con la fórmula de Dadenkov. 3. Diseño de la transición de entrada Para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es:

Donde: T1 = espejo de agua en el canal. T2 = b = ancho de solera en la caída 4. Cálculo de la transición de salida Se realiza de la misma forma que la transición de entrada

CAIDA LIBRE Es

un

cuando

caso existe

especial

de

la

caída

hidráulica.

Esta

ocurre

una discontinuidad en el fondo de un canal plano. A

medida que la caída libre avanza en el aire en forma de lámina, no OBRAS HIDRAULICAS

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CAIDAS HIDRAULICAS existirá curva invertida en la superficie del agua hasta que esta choque con algún objeto en la elevación mas baja. Es una ley natural que, si no se añade energía externa,

la

buscara

baja

siempre

la

posición

más

superficie posible,

del

agua

la

cual

corresponde al menor contenido posible de disipación de energía. Si la energía específica en una sección localizada aguas arriba es E, tal como se muestra en la curva de energía específica, la energía continuará disipándose en su camino hacia aguas abajo y por último alcanzará un contenido de energía mínimo Emin. La curva de energía específica muestra que la sección de energía mínima o sección

crítica debe

ocurrir

en

el

borde

de

la

caída.

La

profundidad en el borde no puede ser menor que la profundidad crítica debido a que una disminución adicional en la profundidad requeriría un incremento en la energía específica, lo cual es imposible a menos que se suministre energía externa compensatoria. La curva teórica de la superficie del agua en una caída libre se muestra como una línea punteada en la Figura 5-10

Se debe tomar muy en cuenta que el cálculo de la profundidad crítica mediante las ecuaciones (6-3) o (6-4), se basa en la suposición de que el flujo es paralelo y solo aplicable de manera próxima al flujo gradualmente variado. El flujo en el borde en efecto es curvilíneo, OBRAS HIDRAULICAS

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CAIDAS HIDRAULICAS debido a que la curvatura del flujo es pronunciada, por consiguiente, el método no es válido para determinar la profundidad crítica como la profundidad en el borde. La situación real es que la sección en el borde es la verdadera sección de energía mínima, pero no es la sección crítica tal como se calcularía mediante el principio basado en la suposición de flujo paralelo. Rouse4

encontró

pendientes

crítica

pequeñas

aproximadamente

la

1.4

borde, o yc = 1.4·yo, y

profundidad veces se

la

que

calculada

profundidad

localiza

para en

es el

aproximadamente

a 3· yc o 4· yc aguas arriba del borde en el canal. La superficie del agua real en la caída libre se muestra como una línea continua en la Figura 5-10. Debe notarse que si el cambio en la profundidad de flujo desde un nivel alto a un nivel bajo es gradual, el flujo se convierte en flujo gradualmente variado, el cual tiene la curva inversa prolongada en la superficie del agua; este fenómeno puede llamarse caída hidráulica gradual, la cual no es un fenómeno local.

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