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FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

Tema: CAIDAS Curso: Obras Hidraulicas Alumnos:

Docente: BELTRAN CRUZADO, Abimael Antonio

Nuevo Chimbote – Perú 2017

OBRAS HIDRAULICAS

INTRODUCCIÓN 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

CAIDAS VERTICALES CAIDAS VERTICALES, INCLINADAS Y LIBRES

OBRAS HIDRAULICAS

GENERALIDADES 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. 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. Elementos De Una Caída Vertical En el diseño de una caída, se pueden distinguir los siguientes elementos: Transición de entrada: Une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. Caída en sí: La cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada. 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.

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

CARACTERÍSTICAS DE LA CAÍDA VERTICAL

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. 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.

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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.



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 ALCANCES

En el presente trabajo solo se comprenderá el análisis y el diseño de caídas Tipo y de Tipo verticales y se harán mención de los otros tipos que por lo general se clasifican por el tipo de Disipadores que tienen. Las caídas verticales son utilizadas cuando se desea decrecer la elevación en un rango de 3 a 15 pies (1 a 4.5 m) a una distancia relativamente corta. Esto con la finalidad de dispar la energía, y también reducir el poder erosivo del flujo FUNDAMENTO TEORICO LA HIDRAULICA DE LA ENERGIA DE DISIPACION CAIDAS VERTICALES, INCLINADAS Y LIBRES

OBRAS HIDRAULICAS Los conceptos de energía y momentos derivados de las leyes de newton son básicos en la mecánica de fluidos ENERGIA ESPECÍFICA Para cualquier sección de un canal, se llama energía específica a la energía por unidad de peso del líquido en movimiento con relación a la solera, como se observa en Figura VIII.1.No es posible predecir el carácter del cambio de la energía específica entre las secciones 1 y 2. Es claro que la energía total debe disminuir, pero la energía específica puede aumentar o disminuir dependiendo de otros factores como la resistencia al flujo, la forma de la sección transversal, etc. DISEÑO DE CAIDAS VERTICALES Las caídas 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, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo. El plano vertical es un muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas ocasionan. La finalidad de una caída es 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. Una caída vertical esta compuesta por: transición a la entrada, que une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. Sección de control es la sección correspondiente al punto donde se inicial a caída, cercano a este punto se presentan las condiciones críticas. Caída en si, la cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada. Poza o colchón amortiguador, es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída. Transición de salida Une la poza de disipación con el canal aguas abajo.

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OBRAS DE ARTE

Las obras de arte llamadas también estructuras secundarias, constituyen el complemento para el buen funcionamiento de un proyecto hidráulico. Este tipo de estructuras se diseñan teniendo en cuenta las siguientes consideraciones.

- Según la función que desempeñan - Según su ubicación - De acorde a la seguridad contemplada en el proyecto a realizar - El riesgo como factor preponderante ante una probable falla y el impacto que ello cause. CLASIFICACIÓN: Se clasifican según la función que van a desempeñar en el proyecto: Estructuras para cruzar depresiones



Acueductos



Sifones

Estructuras para salvar desniveles

•

Caídas

•

Rápidas

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OBRAS HIDRAULICAS Estructuras para control de gasto



Vertederos



Medidores Parshall

Estructuras para distribución de gasto



Tomas laterales



Partidores

Estructuras de seguridad Puente Canal o Canoas Alcantarillas

ESTRUCTURAS DE CRUCE

Son las obras mediante las cuales es posible cruzar un canal con cualquier obstáculo (una vía de ferrocarril, un camino, un rio, un dren, una depresión o sobre elevación natural o artificial del terreno) que se encuentra a su paso. Para salvar el obstáculo, se debe recurrir a una estructura de cruce que puede ser:

-

Acueducto - Alcantarilla

-

Sifon – Tunel

La decisión que se debe tomar sobre cual de las estructuras es mejor en un caso determinado depende de consideraciones de tipo económico y de seguridad. De la Figura anterior se tiene: d1+ hv1+ D1= dc + hvc + he Donde: d1

= tirante normal en el canal superior,

m.hv1 = carga de velocidad en el canal superior,

CAIDAS VERTICALES, INCLINADAS Y LIBRES

OBRAS HIDRAULICAS m.D1 = desnivel entre el sitio donde comienza el abatimiento y la sección de control, cuyo valor se desprecia por pequeño, m.hvc = carga de velocidad en la sección de control, m. dc

= tirante critico,

m.he = suma de las perdidas ocurridas entre las dos secciones, m. El segundo miembro de la ecuación 10-26, se obtiene suponiendo una sección de control, se calcula el tirante crítico correspondiente así como la velocidad y la carga de velocidad critica. De acuerdo a las características de llegada a la sección, se estiman las perdidas de carga. La suma del segundo miembro se compara con la suma del tirante del canal y su carga de velocidad. La sección en estudio se tendrá que ampliar o reducir hasta lograr que las sumas sean iguales. Una sección adecuada y más sencilla de calcular es la rectangular, esto se logra haciendo los taludes verticales. Del régimen crítico para secciones rectangulares se tiene: Donde: dc

= tirante critico,

m.q = caudal que circula por la sección, m3/s.b = plantilla de la sección,

m.g = aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2.La carga de velocidad en la sección crítica esta dada por las siguientes ecuaciones: Para canales trapeciales: Las caídas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario efectuar cambios en la rasante del canal, a fin de disipar energía. Tanto las caídas como las caídas-retenciones deberán localizarse inmediatamente aguas debajo de las tomas siempre que no existan circunstancias muy especiales que no lo permitan. Es necesario también hacer hincapié en el hecho de que deberá tratarse de uniformar la altura de caída en cada uno de los canales. Una caída se compone de las siguientes partes:

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a) Transición de entrada (de trapezoidal a rectangular) b) Caída en sí, la cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada con pendiente de 1.3 : 1 a 1.5 : 1; utilizaremos estas últimas ya que permiten un vaciado sin encofrado y una mejor adaptación de las líneas de flujo a las secciones.

c) Pozo amortiguador o colchón; es de sección rectangular y su función es de absorber la energía cinética del agua en el pie de la caída.

d) Transición de salida (de rectangular a trapezoidal).

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.

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OBRAS HIDRAULICAS PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE UNA CAÍDA SIN OBSTÁCULO

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

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 n E = E min (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:

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Por lo general el ancho de solera con esta última fórmula, resulta de donde: mayor magnitud que con la fórmula de Dadenkov.

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.

Cálculo de la transición de salida Se realiza de la misma forma que la transición de entrada.

Dimensiones de la caída (Q < 0.1 m3/s)

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Caídas pequeñas De acuerdo con los diseños realizados por el SENARA, en canales con caudales menores o iguales que 100 l.p.s (Q ::; 0.1 m3/s), se tiene:

Caídas verticales sin obstáculos El proceso de cálculo para caídas verticales sin obstáculos es como Sigue: • Calcular el número de caída utilizando la siguiente relación:

Donde: D = número de caída Yc = tirante crítico de la sección de control h = desnivel q = caudal unitario

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• Calcular los parámetros de la caída vertical, los cuales se muestran en la figura 4.2. Estos parámetros, según Rand (1955), se calculan con un error inferior al 5 %, con las siguientes ecuaciones:

YP es la altura que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo

Calcular la longitud del resalto, se puede calcular con la fórmula de Sieñchin: L =5(Y2 - Y¡) Calcular la longitud total del colchón, la cual será: L, = Ld + L

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• Debe evitarse que en la cámara de aire se produzca vacío, por que esto produce una succión que puede destruir la estructura por cavitación, para evitar esto se puede hacer agujeros en las paredes laterales o incrementar en la poza 10 ó 20 cm a ambos lados.

• Para las filtraciones que se produce en la pared vertical, se recomienda hacer lloraderos (drenes de desagüe).

Caídas verticales con obstáculos Cuando la energía cinética es muy grande se construyen dados que ayudan a disipar la energía en una longitud más pequeña de la poza de disipación.

Según el U.S. Bureau of Reclamation, las relaciones de los Parámetros de una caída vertical con obstáculos (figura 4.3), son:

Longitud mínima del colchón:

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Donde: L = longitud mínima del colchón l¿ = longitud de la caída

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EJERCICIO

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CAIDA INCLINADA

Las caídas son estructuras utilizadas e naquellos puntos donde es necesario efectuar cambios bruscos en la rasante del canal, permite unir dos tramos (unosuperior y otro inferior) de un canal, pormedio de un plano vertical, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo. El plano vertical es un muro de sostenimiento de tierra capaz desoportar el empuje que estas ocasionan.

DISEÑO HIDRAULICO DE CAIDA INCLINADA H = 5.75 m. PROYECT O : REPRESA YANACOCHA - VILLA DE PASCO

PROGRESIVA : Dato

1 DATOS:

Respuesta

Canal Aguas arriba Q (m3/s) 12.220

b (m)

Z

2.000

S (m/m) -

0.0050

n 0.014

Yn (m) 1.650

Yc (m)

T (m)

0.984 2.000

V (m/s) 3.703

E1 (m) 2.349

F1 (m) 0.932

Canal Aguas Abajo - Quebrada Q (m3/s) 12.220

b (m)

Z

5.000

1.000

S (m/m)

0.0100

n 0.021

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Yn (m) 1.400

Yc (m)

T (m)

1.320 7.800

V (m/s) 1.364

E5 (m) 1.495

F1 (m) 0.441

OBRAS HIDRAULICAS 2 Calculo Ancho de Caida, Tirante y Velocidad en la sección de control g

=

9.810 m/s2

b

= 18.78*Q^0.5/(10.11+Q^0.5)

4.83 m 4.00 m

b

= Q / (1.48*E^1.5)

q

= Q/b

q

=

Yc

= (q² / g)

Yc

=

0.984 m

Vc

=

3.106 m

2.29 m Descarga Unitaria

3.055 m3/s x m (1/3)

Tirante crítico

4 Diseño de la Caida Inclinada Carga Total en el Eje 0 Ho

=

Ht + Yo + Vo ²/ 2 g

Ho

=

8.099 m

Carga Libre en el Eje 1 V1

=

( 2 g Ho ) ^ ( 1/2 ) V1

=

10.621 m/s

Y1

=

Q / ( V1 x bp )

Y1

=

0.288 m

Cálculo del Tirante Conjugado Y2

=

(2 Y1 V1 ² / g + Y1 ² / 4) ^ 0.5- Y1/2

Y2

=

2.432

m

Y2

=

2.797

m

Diseño

5 Geometría del flujo de agua en la caída inclinada hp

=

1.15 Y2 - Yn

1.397

Lp

=

5.00 (Y2 - Y1)

10.723 m

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m

1.500

m

11.000

m

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CAIDA LIBRE Es un caso especial de la caída hidráulica. Esta ocurre cuando existe una discontinuidad en el fondo de un canal plano. A medida que la caída libre avanza en el aire en forma de lámina, no 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 superficie del agua buscara siempre la posición más baja posible, 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

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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, 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 que para pendientes pequeñas la profundidad crítica calculada es aproximadamente 1.4 veces la profundidad en el borde, o yc = 1.4·yo, y se localiza 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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EJERCICIOS

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OBRAS HIDRAULICAS EJERCICIO 1 Calcular la velocidad final de un objeto en caída libre, que parte de reposo y cae durante 5.5 segundos. Construir grafica

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OBRAS HIDRAULICAS EJERCICIO 2 Calcular la velocidad final de un objeto en caída libre, con un impulso inicial de 11 m/s y cae durante 7.3 segundos. Construir grafica

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OBRAS HIDRAULICAS EJERCICIO 3 Calcular la velocidad final de un objeto en caída libre, que tardo 6.5 segundos en tocar el suelo. Construir grafica

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