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CAIDAS VERTICALES E INCLINADAS Ing. Ecler Mamani Chambi.

INTRODUCCIÓN Las caídas son estructuras que sirven para transportar el agua de un nivel superior aotro nivel inferior y que al hacerlo se disipe la energía que se genera por esta diferencia de niveles. Por lo tanto una caída, es la estructura que garantiza la disipación controlada y segura de la energía generada.

TIPOS DE CAIDAS Existen varios tipos y estos dependen de la altura y del caudal del agua que se transporta:  Las caídas inclinadas. Segúnlos disipadores de energía que presenta de las cuales podemos mencionar porejemplo: -

Caída inclinada USBR BASIN TIPO I, TIPO II, TIPOIII Caída inclinada de poza tipo SAF (Saint Anthony Falls).

 Las caídas verticales. Se pueden clasificar tres (3) tipos de pozas de disipación: -

Poza de disipación de sección trapezoidal sin obstáculos Poza de disipación de sección rectangular sin obstáculos Poza de disipación de sección rectangular con obstáculos

Por lo general se usa una caída sin obstáculos cuando la diferencia en el nivel es menos de 1.0m. Cuando la diferencia es entre 1.0 a 4.5 mts. se puede usar una caída con obstáculos. En este caso la economía y los criterios hidráulicos y constructivos determinaran que estructura se debe aplicar. Cuando la diferencia de niveles sea mayor de 4.5 mts. Y cuando el agua es conducida sobre distancias grandes y con pendientes menores se utiliza Caídas Inclinadas. Pero si es suficientemente fuerte para mantener un flujo supercrítico, puede aplicarse una Rápida. La decisión cuando usar una rápida y cuando optar por una sucesión de caídas inclinadas y/o verticales, tendría que ser tomado en base de un estudio hidráulico y económico de las alternativas. Desde el punto de vista hidráulico las caídas no deberían diseñarse a intervalos tan pequeños que pueden impedir un flujo uniforme entre la salida y entrada de caídas

consecutivas, especialmente cuando no hay checks o una sección de control de tirante critico en las entradas.

 Sucesión de caídas Son caídas verticales continuas, que se proyectan para salvar desniveles abruptos siendo recomendable no proyectar en este caso caídas o gradas con alturas mayores s 0.80 m.

PARTES DE UNA CAIDA Una caída por lo generalconsta de las siguientes partes:  Transición aguas arriba de la entrada  Entrada de la caída  Longitud del tramo inclinado  La poza disipadora  La salida  La transición aguas debajo de la salida

Cada una de estas partes tiene suscriterios especiales de diseño, que escapa del alcance de este trabajo no obstantese mencionara ya que son útiles para el diseño de la caída

Las caídas son utilizadas ampliamente como estructuras de disipación en irrigación,abastecimiento de agua y alcantarillado y son también es necesario en presas,barrajes y vertederos. Aparte de costo, que, evidentemente, será un factor importantea la hora de diseñar,es necesarioconsiderar los factores tales como: • • •

Facilidad de construcción y la disponibilidad de materiales Rendimiento en sistemas llevando sedimento, los desechos y malas hierbas Capacidad de realizar otras funciones tales como puente

FUNDAMENTO TEORICO LA HIDRAULICADE LA ENERGIA DE DISIPACION Los conceptos de energía y momentos derivados de las leyes de newton sonbásicos en la mecánica de fluidos.

ENERGIA ESPECÍFICA

Para cualquier sección de un canal, se llama energía específica a la energía porunidad de peso del líquido en movimiento con relación a la solera, como se observaen Figura. No es posible predecir el carácter del cambio de la energía específica entre lassecciones 1 y 2. Es claro que la energía total debe disminuir, pero la energíaespecífica puede aumentar o disminuir dependiendo de otros factores como laresistencia al flujo, la forma de la sección transversal, etc.

Definiendo la energía específica como la distancia vertical entre el fondo del canal yla línea de energía se tiene:

E : energía específica. Y : profundidad de la lámina del líquido. V : velocidad media del flujo. g : aceleración de la gravedad.

En función del caudal se tiene:

A: área de la sección hidráulica. Para canales rectangulares solamente, utilizando el caudal por unidad de ancho,q =Q/b, la ecuación anterior se transforma así:

q : caudal por unidad de ancho. b : ancho de la solera del canal. Para caudal constante y canal rectangular, la energía específica es función únicamente de la profundidad de flujo y su variación se muestra en la siguiente figura:

Según la figura anterior se presenta un valor mínimo de la energía específica parauna única profundidad, llamada profundidad críticaYc. Para valores de energíaespecífica mayores que la mínima, el flujo se puede realizar con dos profundidadesdiferentesY1 Yc. Teniendo en cuenta que para caudal constante la velocidad varía inversamente conla profundidad, las velocidades correspondientes a profundidades menores queYcson mayores que las correspondientes a profundidades mayores queYc.

CLASIFICACIÓN DEL FLUJO

De acuerdo a lo anterior se tienen los siguientes tipos de flujo:

Para canal rectangular B = b, Yh = Y. En los flujos subcríticos y supercríticos las velocidades son menores y mayores quelaVc respectivamente, por lo tanto en el flujo subcrítico aparecerán pequeñas ondassuperficiales avanzando corriente arriba, mientras que en el flujo supercrítico dichasondas serán barridas corriente abajo, formando un ángulo b; este tipo de ondas sedenominan ondas diamantes. De la figura anterior se deduce • Si el flujo es subcrítico y la profundidad de flujoY aumenta, la energíaespecífica aumentará y viceversa. • Si el flujo es supercrítico y la profundidad de flujoY aumenta, la energíaespecífica disminuirá. Es decir, en un canal se puede ganar o perder energía específica dependiendo si lasprofundidades son mayores o menores que la profundidad críticaYc. Se puede observar también, que para una energía específica dada, es posible tenerdos profundidades, y por tanto dos situaciones de flujo, una de flujo subcrítico y otrade flujo supercrítico; estas dos profundidades se conocen con el nombre deprofundidades alternas

La profundidad crítica se presenta cuando la energía específica es mínima, es decir

Así, la ecuación general de flujo crítico es:

En donde: Bc: ancho superficial del agua en la condición de flujo crítico. Ac: área mojada en la condición de flujo crítico. Para un canal rectangular se tiene

, q

y

De donde se observa que la profundidad crítica depende solamente del caudal y dela geometría del canal, no depende de la rugosidad ni de la pendiente. La energía específica mínima en canal rectangular es:

Sí se mantiene constante la energía específica, y se despeja el caudal se tiene:

Para un canal rectangularA =b*Y

Estas ecuaciones muestran que el caudal para energía específica constante esfunción de la profundidad. La variación del caudal se muestra en la Figura siguiente.En esta se muestra que el caudal es máximo para la profundidad crítica,

propiedadmuy útil en el diseño de secciones comovertederos, salidas dedepósitos y otros.

de

máxima

descarga

En canales muy largos se podrá establecer el flujo crítico uniforme si se dispone deuna pendiente crítica,Sc; se puede derivar una expresión sencilla paraSc para uncanal con flujo uniforme igualando la ecuación general de flujo crítico y alguna expresión de resistencia al flujo, por ejemplo Manning, así la ecuación para la pendiente crítica será:

En donde: g : aceleración de la gravedad. Ac: área correspondiente a la profundidad crítica n : coeficiente de resistencia al flujo de Manning. Bc: ancho de la superficie correspondiente a la profundidad crítica. Rc: Radio Hidráulico correspondiente a la profundidad crítica. Pendientes mayores que la profundidad crítica producirán flujos supercríticos,mientras que pendientes menores producirán flujos subcríticos

SALTO HIDRAULICO El salto hidráulico fue investigado por primera vez experimentalmente por GiorgioBidone, un científico italiano en 1818. El salto hidráulico es conocido también comouna onda estacionaria. Tipos de salto hidráulico Los saltos hidráulicos se pueden clasificar, de acuerdo con el U.S. Bureau of Reclamation, de la siguiente forma, en función del número de Froude del flujo aguasarriba del salto (los límites indicados no marcan cortes nítidos, sino que se sobrelapan en una cierta extensión dependiendo de las condiciones locales): •Para F1 = 1.0: el flujo es crítico, y de aquí no se forma ningún salto. •Para F1 > 1.0 y < 1.7: la superficie del agua muestra ondulaciones, y el saltoes llamado salto ondular. •Para F1 > 1.7 y < 2.5: tenemos un salto débil. Este se caracteriza por laformación de pequeños rollos a lo largo del salto, la superficie aguas abajo delsalto es lisa. La pérdida de energía es baja. •Para F1 > 2.5 y < 4.5: se produce un salto oscilante. Se produce un chorrooscilante entrando al salto del fondo a la superficie una y otra vez sinperiodicidad. Cada oscilación produce una gran onda de período irregular, lacual comúnmente puede viajar por varios kilómetros causando daños aguasabajo en bancos de tierra y márgenes. •Para F1 > 4.5 y