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• Mario Delgado

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SIFONES ASPECTOS GENERALES en proyectos de obras de sistemas sanitarios, la topografía local puede exigir la ejecución de obras especiales como sifones, normales e invertidos, dada la necesidad de superar obstáculos como, quebradas, ríos, canalizaciones de aguas pluviales, aductoras, cruce de túneles subterráneos (metros), etc. siempre que sea posible se debe evitar el uso de sifones sobre todo 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. a) DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO Los sifones son estructuras hidráulicas que se utilizan en canales para conducir el agua a través de obstáculos tales como un río, una depresión del terreno u otro canal. Podemos diferenciar dos tipos de sifones en cuanto al principio de su funcionamiento: sifón (normal) y sifón invertido. EL SIFÓN NORMAL Llamado simplemente sifón , conduce el agua pasando sobre el obstáculo y su funcionamiento se debe a su presión atmosférica que actúa en la superficie del agua a la entrada; para iniciar su funcionamiento es necesario producir el vacío en el interior del conducto, entonces la diferencia de presión entre la entrada ( presión atmosférica) y el interior del conducto(presión cero o próxima a cero) hace que el agua fluya en sentido ascendente al llegar a la cresta A, el agua cae por gravedad hacia la rama derecha dejando un vacío en la cresta la que hace que el flujo sea continuo mientras no se introduzca aire en el conducto, por esta razón la entrada al sifón debe estar siempre ahogada, un ejemplo de este tipo de sifones es el empleado por los agricultores para aplicar el agua a los surcos a través del bordo del canal.

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EL SIFON INVERTIDO Llamado así por su posición respecto al sifón normal conduce el agua pasando bajo el obstáculo. El principio de su funcionamiento es diferente, en este tipo el agua fluye exclusivamente por la acción de la gravedad, por el principio de los vasos comunicantes, el agua trata de alcanzar el mismo nivel en las dos ramas. Se ve que en este tipo de sifón no es necesario producir el vació dentro del conducto. El sifón invertido es el más usado en canales principalmente para cruzar cauces naturales. 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.

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Tipos de sifones Los principales tipos de sifones invertidos son los que se indican a continuación: 1. Ramas oblicuas

2. Pozo vertical

3. Ramas verticales

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4. Con cámaras de limpieza

El sifón invertido tipo1 se emplea para cruces de obstáculos, para lo que se cuenta con suficiente desarrollo y en terrenos que no presenten grandes dificultades de ejecución. Los sifones invertidos tipos 2 y 3 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. El sifón tipo 4 con cámaras de limpieza, tiene su aplicación en obras de cruce de vías subterráneas. b) CRITERIOS DE DISEÑO  Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo de doblados de la entrada y salida.  En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiere un mínimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.60 m. si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura.  En el caso particular del cruce con una quebrada o río de régimen caudaloso, deberá hacerse un estudio de profundidad de socavación para definir la profundidad en la que deberá cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin que estas sea afectada.  La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5 0/00. Se recomienda transición de concreto a la entrada i salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con Ø mayor o igual a 36´ y para velocidades en el tubo mayores a 1m/s.  Con la finalidad de evitar desbordes de agua arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un 50 % o 0.30m como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15m a partir de la estructura.

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Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierra, tanto a la entrada como a la salida se puede usar una velocidad de 1m3/s, en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos puede usar 1.5m/s y entre 3 a 2.5 m/s en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada. Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo “cubierta partida” se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4 y 0.65 hv respectivamente. En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón, este ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseño se toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifón como mínimo o también 3¨En la salida la sumergencia no debe exceder el valor de Hte/6. En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento. En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere a flujo parcial o flujo llenos, con un coeficiente de fricción menor que el sumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n= 0.008 cuando se calcula las pérdidas de energía. Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse. Con respecto a las perdidas de cargas totales, se recomienda la condición de que estas sean iguales o menores a 0.30m. Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la creciente. Se debe considerar un aliviadero de demasías y un canal de descarga inmediatamente aguas arriba de la transición de ingreso. Se recomienda una tubería de aeración después de la transición de ingreso. Se debe analizar la necesidad de incluir válvulas rompe presión en el desarrollo de la conducción a fin de evitar el golpe de ariete, que podría hacer colapsar la tubería (solo para grandes caudales). Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el diseño hidráulico. Se debe tener en cuenta los criterios de sumergencia(tubería ahogada) a la entrada y salida del sifón, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubería.

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c) CALCULO HIDRAULICO DE UN SIFÓN

Se analizaran las posiciones 1 y 2 , para lo cual aplicamos la ecuación de la energía especifica.

Se debe cumplir que la ∆ H debe ser mayor a la suma de todas las pérdidas que se generen en el sifón.

El sifón invertido, presenta aproximadamente una forma de “U” interconectada con dos cámaras. En su entrada existe una cámara cuya función es orientar el flujo hacia el sifón propiamente dicho y a su salida otra cámara que permite guiar el flujo efluente hacia el colector aguas abajo. Entre estas cámaras, el escurrimiento se produce por gravedad, en conducto forzado (a presión hidráulica o sea a tubo lleno), siendo por lo tanto el nivel de agua en la cámara de entrada superior al de la cámara de salida.

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La conexión entre las dos cámaras, sifón propiamente dicho, puede ser a través de dos (2) o más conductos. Los conceptos hidráulicos aplicables, son por tanto, aquellos que corresponden a conductos forzados con pérdida de carga igual a la diferencia de niveles entre la entrada y la salida. Para los cálculos de pérdidas de carga distribuida, se recomienda el uso de la fórmula universal con el coeficiente de rugosidad uniforme equivalente K = 2 mm. Si se utiliza la fórmula de Hazen Williams se recomienda utilizar el coeficiente C = 100. Para la fórmula de Manning, se recomienda el valor de n = 0,013. Pérdida de carga: Para el cálculo de pérdidas de carga, localizadas o singulares, se utilizan las siguientes expresiones: En cámara de entrada al Sifón: La pérdida de carga He, supuesta, la entrada por un cambio de rasante en solera de borde agudo es:

Pérdida de altura potencial Hp: Debida al incremento de velocidad al pasar de V1 en el colector de llegada (que no funciona en carga) a V2 velocidad del agua en el sifón, es:

Pérdida de Carga en el Sifón Pérdida debida a los codos (ángulos)

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d) PERFIL DE SIFÓN La facilidad de limpieza y las pérdidas de carga son dos aspectos que deben ser considerados para la definición del perfil del sifón. El perfil de mayor uso es el que se asemeja a un trapecio con la base menor para abajo y sin la base mayor. Así la elección del perfil sea función de las condiciones locales y del espacio para su implantación, es de importancia fundamental que se procure proyectar el sifón con ángulos suaves que permitan la utilización de equipos simples para la limpieza y desobstrucción. e) PARTES DE UN SIFON INVERTIDO Los sifones invertidos constan de las siguientes partes 

Transiciones de entrada y salida; Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es diferente a la adoptada en el conducto o barril, es necesario construir una transición de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda. En el diseño de una transición de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la abertura superior del sifón un poco más debajo de la superficie normal del agua. Esta práctica hace mínima la posible reducción de la capacidad del sifón causada por la introducción del aire. La profundidad de sumergencia de la abertura superior del sifón se recomienda que este comprendida entre un mínimo de 1.1 hv y máximo de 1.5 hv. hv=carga velocidad=v2/2g Donde: V: velocidad en el canal (m/s) g: aceleración de gravedad (9.81 m/s)

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Rejilla de entrada y salida; La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8” de diámetro o varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 cm2 (3/8” x 3/8”) colocados a cada 10 cm, y soldadas a un marco de 2.54 x 1.27cm 2 (1” x ½” ). Su objeto es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y objetos extraños que impidan el funcionamiento correcto del conducto y la rejilla de salida para evitar el ingreso de objetos extraños o personas.

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Tuberías de presión; Son tuberías que transportan agua bajo presión. Para que los costos de mantenimiento sean bajos hay que colocar soportes y los anclajes de la tubería en pendientes estables y encontrar buenos cimientos. No debe haber peligro de erosión por desprendimiento de laderas, pero si acceso seguro para hacer mantenimiento y reparación. o Material usado para tubería de presión, el acero comercial fue fabricado con planchas de aceros roladas y soldadas. En general las tuberías de acero que están protegidas por una capa de pintura u otra capa de protección pueden durar hasta 20 años. Además, son efectivas en resistencia a impactos pero son pesadas, se unen mediante bridas, soldadura o juntas metálicas. Evitar enterrar las tuberías de presión, debido a que corren el riesgo de corroerse. o Velocidades en el conducto; las velocidades de diseño en sifones grandes es de 2.5- 3.5 m/s, mientras que en sifones pequeños es de 1.6 m/s. Un sifón se considera largo, cuando su longitud es mayor que 500 veces el diámetro.

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Funcionamiento del sifón; El sifón siempre funciona a presión por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida. Aplicamos energía en 1 y 2:

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Otras formulas usadas son: H mín = 0.3 Vt √

Polikouski y Perelman H mín = 0.5 D

√

Donde: Vt = velocidad media en la tubería (m/s) D = diámetro de la tubería de acero (m) El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las perdidas del sifón. La diferencia de carga debe ser mayor a las pérdidas totales.  Válvula de purga de agua y lodos; Se coloca en la parte más baja de los barriles, permite evacuar el agua que se quede almacenada en el conducto cuando se para el sifón o para desalojar lodos. Para su limpieza o reparación, y consistirá en válvulas de compuerta deslizante de las dimensiones que se estime conveniente de acuerdo con el caudal a desalojar.

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f) Técnica de construcción La técnica de construcción siempre que el obstáculo a salvar éste constituido por un arroyo o río, con un caudal de volumen apreciable, sigue alguno de los siguientes métodos:

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Se monta un andamio perpendicular a la dirección de la corriente; el sifón se instala sobre el andamio y luego se produce su descenso en bloque hasta que repose en un canal excavado con anterioridad para éste propósito.  El sifón, previamente montado, se suspende mediante grúas flotantes y se sumerge luego hasta reposar en la zanja excavada para tal fin.  El sifón se monta en tierra; se obturan ambos extremos; se recubre el exterior del sifón con hormigón proyectado o encofrado, hasta que el peso del sifón compense su flotabilidad en el agua; de esta forma se consigue una protección suplementaria contra la corrosión; se conduce el sifón haciéndolo flotar mediante boyas, hasta que este situado sobre el canal excavado previamente, se sueltan las boyas y se sumerge el sifón llenándolo con agua.  Se ejecuta el montaje del sifón en la orilla del río que constituye el obstáculo. Desde la orilla opuesta y mediante cables, éste es remolcado hasta su emplazamiento definitivo, por vehículos que circulan sobre una vía dispuesta en la prolongación teórica del eje del sifón.

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