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• Ronald Gamboa Carranza

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• Agua
• Naturaleza

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OBRAS HIDRÁULICAS I.

INTRODUCCION Desde la prehistoria el hombre ha estado fascinado por los saltos de agua que se encuentran en la naturaleza. Su gran belleza, el ruido que produce el agua al impactar contra la roca o contra el agua, los sonidos que produce el aire arrastrado por el agua al pasar por los desfiladeros, la gran variedad formas de las cascadas han hecho divagar la imaginación del hombre. El encanto de los saltos de agua llega al punto que muchas rutas turísticas actuales incluyen visitas de cataratas, esta fascinación por los saltos de agua no solo abarca a nuestro mundo o nuestra fantasía. Pero el hombre no sólo ha contemplado los saltos de agua que se encuentran en la naturaleza, sino que se ha visto obligado a diseñar saltos de agua para poder aprovechar o disipar la energía del agua de los ríos. En la realización de estos diseños es necesario estimar las dimensiones máximas del foso de erosión que el salto de agua produce al impactar sobre el lecho de los ríos, para comprobar que no afecte a la estabilidad de la estructura hidráulica que produce el salto de agua. En el caso de que la estructura se vea afectada, son necesarias estas dimensiones para poder diseñar las estructuras de protección. En la actualidad, la creciente preocupación por el medio ambiente, la nueva concepción ecosistémica que se tiene de los ríos y la gran cantidad de infraestructuras que contienen nuestros ríos, ha hecho necesario estimar el volumen de sedimento que son capaces de movilizar los saltos de agua para comprobar que no se produzcan daños ambientales en los ríos, ni en las infraestructuras que se encuentran en ellos, por aterramiento. Para realizar esta estimación es necesario el conocimiento de la geometría del foso de erosión. La gran proliferación de ciudades en las orillas y los valles de los ríos hace necesario la realización de planes de emergencia y de evacuación, para el caso de que las estructuras hidráulicas situadas aguas arriba: presas, azudes, traviesas, colapsaran durante una avenida. Ello obliga a estimar los tiempos de los fenómenos que producen el colapso de estas infraestructuras.

II.

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.

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OBRAS HIDRÁULICAS III.

MARCO TEORICO

A. SALTO DE AGUA. Un salto de agua es la caída abrupta de cualquier afluente sobre un lecho de tierra. Cuando el salto es grande, se dice que estamos frente a una catarata. Estas constituyen rápidos de ríos muy caudalosos. Sin embargo, existen saltos de magnitudes gigantescas que han sido llamados cascadas. Estas se emplean frecuentemente como fuentes hidroeléctricas. Los saltos se forman de distintas maneras. Una de ellas se produce cuando una capa rocosa resistente que yace sobre el lecho de un río recibe erosiones frecuentes. Estas gradualmente acaban por socavar y desgajar la cubierta de piedra. De este modo, se formaron cataratas tan famosas en el mundo como las Cataratas del Niágara, en América del Norte, y las Cataratas de Victoria, en África. Otros saltos se originan cuando se abre una falla en una cordillera o parte de ella, por donde la corriente de agua desciende en picada. La erosión incesante de los bordes del lecho rocoso desplaza el salto a contracorriente. Por lo general, este tipo de cascada disminuye su tamaño y tiende a convertirse en un rápido y luego a desaparecer. Otras cataratas muy famosas en el mundo entero son: las Cataratas de Iguazú, en Sudamérica; el Salto del Ángel, en Venezuela; Tugela, en Sudáfrica; Cataratas del Rey Jorge VI, en Guyana, y Wollomombi, en Australia.

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OBRAS HIDRÁULICAS B. CAIDAS: TIPOS, CRITERIOS Y DISEÑO HIDRAULICO 

DISEÑO HIDRÁULICO Las caídas o gradas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario salvar desniveles bruscos en la rasante del canal, permite unir 2 tramos (uno superior y el otro inferior) de un canal, por medio de un plano vertical, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo del 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 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. La caída vertical se puede utilizar para medir el caudal que vierte sobre ella, si se coloca un vertedero calibrado. Elementos de una caída en vertical:

o Transición de entrada: une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. o Sección de control: es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones críticas.

o Caída en sí: la cual es la de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada o Poza o colchón amortiguador: es de sección rectangular, siendo su función la de absorber energía cinética del agua al pie de la caída o Transición de salida: une la poza de disipación con el canal de aguas abajo. 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 Ferreras u otro canal). 3|Página

OBRAS HIDRÁULICAS 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 como el tamaño del canal, para elegir es preferible pasar el canal encima de la vía o por debajo de ella, en primer caso la solución será un acueducto, en el segundo caso se optará por un sifón invertido o un conducto cubierto. Igualmente, en el caso de depresiones naturales será necesario analizar las diferentes alternativas anunciadas y decidir por la estructura más conveniente. Si la depresión fuera ancha y profunda y no se angostase hacia aguas arriba, podrá no ser factible un acueducto, pero si un sifón invertido. En algunos será necesario analizar alternativas de conducto alcantarilla o sifón. Los canales que diseñan en tramos dependiente fuerte resultan con velocidad de flujo muy altas que superan muchas veces máximas admisibles para que los materiales se utilizan frecuentemente en su construcción. Para controlar las velocidades 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 liquido por el incremento de velocidad de flujo. Esta situación presenta en vertederos de excedencias, estructuras de caídas, desfogues de fondo, salidas de alcantarillas, etc. Las caídas son estructuras que sirven para transportar agua de un nivel superior a otro nivel inferior y a que al hacerlo se disipe energía que se genera. Existen varios tipos y estos dependen de la altura y del caudal del agua que se transporta. Una caída por lo general consta de las siguientes partes: transición aguas arriba, entrada de la caída, longitud de transición, cuenco de diseño, salida. Cada una de estas partes tiene sus criterios especiales, que escapa del alcance de este trabajo no obstante se mencionara ya que son útiles para el diseño de la caída. Las caídas son utilizadas ampliamente como estructuras de disipación de irrigación, abastecimiento de agua y alcantarillado y son también necesario en presas, barrajes y vertederos. Aparte de costo, que evidentemente, será un factor importante a la hora de diseñar, es necesario considerar los factores 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 Conocer diversos tipos de caídas y sus características Conocer los diseños de las caídas. La caída hidráulica es una situación que se da frecuentemente en canales, cuando se produce un cambio en la profundidad del flujo desde un nivel alto a un nivel bajo. Como consecuencia se verifica una profunda depresión en la superficie libre del agua en el canal. Este fenómeno es consecuencia, generalmente, de un incremento brusco en la pendiente del canal, o en ensanchamiento rápido de la sección transversal del mismo. En la región de transición entre un estado del flujo y el siguiente aparece normalmente una curva en la superficie del agua con la concavidad hacia abajo y luego presenta un punto de inflexión y pasa a tener su concavidad hacia arriba. El punto de inflexión se encuentra aproximadamente en correspondencia de la profundidad crítica, en el cual la energía específica es la mínima, y el flujo pasa de una situación de flujo suscritico a supe crítico. Como caso especial de la caída hidráulica se da la caída libre. Esta situación se da cuando el fondo del canal tiene una discontinuidad, presenta un salto.

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OBRAS HIDRÁULICAS LA HIDRAULICA DE LA ENERGIA DE DISIPACION 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 está 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 HIDRÁULICAS 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

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

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OBRAS HIDRÁULICAS La decisión que se debe tomar sobre cuál 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,

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 crítico

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 con las características de llegada a la sección, se estiman las pérdidas 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 está 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:

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).

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OBRAS HIDRÁULICAS CRITERIOS DE DISEÑO DE UNA CAÍDA

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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 lamina 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 yaguas abajo de la caída Utilizar las consideraciones prácticas que existen para el diseño de canales. 2. 3. 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:

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OBRAS HIDRÁULICAS

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 con Dadenkov, puede tomarse:

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

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OBRAS HIDRÁULICAS 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.

5.

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

5.1 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:

5.2 Caídas verticales sin obstáculos El proceso de cálculo para caídas verticales sin obstáculos es como Sigue:

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OBRAS HIDRÁULICAS 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 • 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¡)

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OBRAS HIDRÁULICAS Calcular la longitud total del colchón, la cual será:

L, = Ld + L • Debe evitarse que en la cámara de aire se produzca vacío, porque 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).

5.3

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:

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

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OBRAS HIDRÁULICAS

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OBRAS HIDRÁULICAS ANEXOS:

PROYECTO ESPECIAL “OLMOS TINAJONES” (Dpto. Lambayeque-Cajamarca y Piura)

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