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• Yharly Chaiña

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Estructuras Hidráulicas CRITERIOS DE DISEÑO  

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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 ‰. 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 1 m/s, en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos puede usar 1.5 m/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. 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

Ing. Arbulú Ramos José

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de evitar el golpe de ariete, que podría hacer cola0psar 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.

CALCULO HIDRAULICO DE UN SIFÓN

2

Se debe cumplir que la ∆ H debe ser mayor a la suma de todas las pérdidas que se generen en el sifón. Las principales pérdidas de carga que se presentan son: -

Pérdidas por transición de entrada y salida

V: velocidades en entrada y salida a las transiciones del canal. -

Pérdidas en la rejilla donde:

K: coeficiente de perdida en la rejilla : Área neta de paso entre rejillas : Área bruta de la estructura y su soporte dentro del área hidráulica. : Velocidad a través del área neta de la rejilla dentro del área hidráulica. -

Pérdidas de entrada al conducto

- Pérdidas por fricción en el conducto o bañil Podemos utilizar la formula de Manning o la de Darcy Weisbach

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Estructuras Hidráulicas

-

Q = 1 m3/seg Z = 1.5 S = 1 °/oo (aguas arriba y aguas abajo) B = 1.0 m n = 0.025 Y = 0.7 m V = 0.7 m/seg

Pérdidas por cambio de dirección o codos.

: Angulo de deflexión : Coeficiente para codos comunes: 0.25 Se debe cumplir que la carga hidráulica disponible ser mayor que la suma de todas las cargas locales.

Las cotas según el perfil del canal son: debe

Km. 1+030 = 46.72 msnm Km. 1+070 = 46.44 msnm Solución Con la información dada, con la información topográfica del perfil del terreno en el cruce y perfil del canal, se efectúa el dimensionamiento previo de la figura adjunta, el cual cumple

Velocidades Para obtener una buena auto-limpieza en el sifón, el objetivo fundamental de un proyecto consiste en garantizar una condición de escurrimiento tal que por lo menos una vez por día propicie la auto-limpieza de las tuberías a lo largo del periodo de proyecto Para esto, es necesaria la determinación minuciosa de los caudales de Aguas Residuales afluente al sifón.

47.42

1.5 0.70

Hv

46.72

H te

Para obtener una buena auto-limpieza en el sifón, la velocidad del líquido en su interior debe ser como mínima de 0.90 m/s. que además de impedir la sedimentación del material solido (arena) en la tubería, es capaz de remover y arrastrar la arena ya depositada. Si la velocidad igual a 0.90 m s es capaz de arrastrar la arena sedimentada en la tubería la ocurrencia de valores de velocidad superiores a 0.90 m/s. por lo menos una vez al día. con mayor razón producirán la auto-limpieza del sifón impidiendo así la fonación de deposito; de material solido que puede obstruir la tubería.

Considerando que para Tuberías de menor dimensión es mayor la posibilidad de obstrucción, es recomendable que el diámetro mínimo del sifón tenga un valor similar al fijado para los colectores, esto es. 150 mm (6"). Por tanto se recomienda un diámetro de 150 mm como diámetro mínimo. DISEÑO HIDRÁULICO DE UN SIFÓN Ejercicios de Aplicación: 1.

Se ha realizado el rediseño de un sifón ubicado en el sector Coscomba de la primera etapa del proyecto especial CHAVIMOCHIC, en el cruce de un canal con la panamericana, las características del cruce se presentan en la figura 1 y las del canal aguas arriba y aguas abajo del cruce son:

Ing. Arbulú Ramos José

0.91

Ø = 12° 1

2

con los hidráulicos necesarios.

47.14

46.44

La velocidad máxima, es función de las características del material del sifón y de la carga disponible, de un modo general la misma no debe ser mayor a 3.0 ó 4.0 ms. Diámetro mínimo:

46.34

P

0.70

H te

46.08

P

0.91

Ø = 12° 5

6

Sección del diámetro del tubo Asumimos una velocidad de 1.5 m/s Q=1, V=1 A = 0.67 m2 Q

A



A

V D 2 D = 0.92 m 4

Escogemos: D = 36’’ = 0.914 m ; A = 0.656 m2 ; V = 1.52 m/s Calculo de la longitud de transiciones (Lt): El espejo de agua en canal es: T = b + 2 ZY T = 3.10 m Lt = 2.34

LT 

T1  T2 2 tg  / 2

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Estructuras Hidráulicas Para caudales menores a 1.2 m3/s en tuberías, se recomienda: LT / 4D

Cálculo del Valor de P en la salida: El máximo valor de P debe ser: En la entrada: P = ¾ D ; P = ¾ D En la salida: P = ½ D ; P= 0.46 m Cota 6 – Cota 5 = 0.35m

Lt = 3.7 m Entonces escogemos una longitud de transición de 3.70 m y a/2 es 16.5.

Escogemos el valor de P = 0.35 m para que la cota 6 de la transición coincida con la de la rasante del canal.

Nivel de agua en 1: Del Km. 1+030 al punto 1 según la figura adjunta, hay 6.40 m, luego la cota de fondo en 1

Inclinación de los tubos doblados:

Cota de fondo en 1 será: 46.7 msnm

Desnivel entre la cota 2 y cota 3 = 1.04 m A la entrada = 4.71 m Desnivel entre la cota 4 y cota 5 = 0.83 m A la salida = 4.69 m

El nivel de agua en 1: 47.42 msnm Cota de fondo en 2: Nivel de agua en 1– (Hte + 1.5 Hv) … 

Hte

Hv = 0.093 m h = 6.4 ; h1 = 0.7 m

Hv



Hte = 0.9 m

Para los 2 casos se tiene una pendiente 4.7:1, más plano que 2:1, entonces se acepta la inclinación.

D cos

(

12 

Carga hidráulica máxima disponible: Cota 1 + Tirante = 47.41 msnm Cota 6 + Tirante = 47.04 msnm Carga disponible = 0.38 m

V t2 V 2  1 ) 2 g 2 g

Cota de fondo en 2: 46.34 m Cota de fondo en 3:

Cálculo de las pérdidas de carga: Las pérdidas de carga importantes son:  En transición de entrada y salida:

h = 5 x sen 12°

Donde

; h = 1.04 m

Cota de fondo en 3: 45.30 m Cota de fondo en 4:

Vs2 Vce2  ) 2g 2g

kt = 0.1 en la transición de entrada kt = 0.2 en la transición de salida Vs = velocidad de sifón Vce = velocidad de canal de entrada

Longitud de tubo horizontal: 10.00 m H = 0.05 m Cota de fondo en 4: 45.25 m

Entonces para el diseño se tiene: Transición de entrada = 0.0093 m Transición de salida = 0.0187 m  En rejilla de ingreso y salida

Cota de fondo en 5: h = 4 x sen 12° ; h = 0.83 m Cota de fondo en 5: 46.08 msnm

Se calcula con la fórmula de Creager: < kr < 0.50 Rejilla de entrada = 0.047 m Rejilla de salida = 0.010 m

Cota de fondo en 6: De la cota en 6 y el Km. 1+070 según la figura adjunta, hay 7.40 m. Luego la cota en 6: 46.43 msnm h = 7.4 ; h1 = 0.7 m



47.14

46.44

0.70

H te

46.08

ht  kt (

hr  k r

Vce2 2g

En la entrada y salida

Se calcula de la misma forma que las pérdidas en transiciones. Conducto de entrada = 0.009 m Conducto de salida = 0.0187 m  Por fricción en el sifón

P

0.91

Resulta ser:

Ø = 12° 5

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6

Donde: f = 0.025

hf  f

L Vt 2 ( ) D 2g

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Estructuras Hidráulicas

con los siguientes datos del canal existente

L = 19 m D = 0.914 m hf = 0.061 m 

En codos o cambios de dirección

V2  h  0.25 s ( s )1 / 2 2 g 90 : ángulo de deflexión del sifón hs = 0.011 m Se tienen 2 codos, entonces: h = 0.022 m

DATOS DEL CANAL: Q = 6.41 m3/seg n = 0.014 z = 0.50 b = 1.00 m. s = 2.50 %

La perdida de carga total es: H= H = 0.19 m Para mayor seguridad las pérdidas de carga totales se incrementan en 10%: H = 0.204 m Podemos deducir que la carga disponible menos las pérdidas totales son de: Perdidas Totales = 0.172 m Cálculo de la sumergencia a la salida: Altura de sumergencia = (0.70 + 0.35) – Hte

Hte



D

cos 12  Hte = 0.94 m Altura de sumergencia = Hte/6 = 0.157 m Como 0.11 m < 0.16 m, se acepta el valor de sumergencia. Longitud de Protección del Enrocado: Lp = 3Di = 2.743 m Lp = 2.74 m

2.

Se desea proyectar un sifón en un canal para salvar el cruce con un camino vecinal que se encuentra entre el KM 19+110 hasta el KM 19+130 de dicho canal; para tal efecto se cuenta

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Solución Tramo: 19+110 - 19+130 (sifón a proyectar): A.- Selección del diámetro de la tubería: Asumimos una velocidad de: 2.52 m/s A = Q/V ; A = 2.54 m2 A = pDi2/4 ; Di = 1.80m Entonces: EL nuevo valor del Área será: A = 2.55 m2 Y la velocidad de Diseño será: V = 2.5095 m/s La perdida de carga en la Tubería será: ht = 0.321 m B.- Longitud de transiciones: T1 = 2.47 m (canal) T2 = 1.80 (tubería) a = 11° Lt = 1.70 (Long. Transición 1) Lt' = 7.21 (Según fórmula Lt=4Di) Escogemos: El nuevo a: a= 2.634 ° C.- Nivel de agua en 1:

1.5 * hv = -0.005 m Cota f 2 = 1016.852 msnm E.- Cota de fondo en 3: L = 7.2 m H = L *senb H = 1.497 m Cota f 3 = 1015.356 msnm F.- Cota de fondo en 4: Longitud del tubo horizontal = 15 m Pendiente asumida = 5‰ Cota f 4 = 1015.281 msnm G.- Cota de fondo en 5: L=5m H = L *senb H = 1.0396 m Cota f 5 = 1016.320 msnm H.- Calculo del valor " p " en la salida: Max. Valor de P en la entrada debe ser 3/4 D y en la salida de 1/2 P máx. en la salida es = 0.902 Cota f 6 = 1017.175 msnm Cota f 6 - Cota f 5 = 0.855 m P salida es = 0.855

4.70 de donde se observa que la inclinación dada es más plana que lo que se requiere como mínimo, de lo cual se acepta la inclinación.

Cota de fondo en 2 : cota F. 1- (Hte + 1.5 hv ) Hte = Di /cosb = 1.8437 ………

J.- Carga hidráulica disponible:

1.5*hv = 1.5 *( Vt^2-V1)/(2*9.81)

Cota 1 + Tirante = 1018.69 msnm Cota 6 + tirante = 1018.64 msnm

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