ALIVIADEROS EN PRESAS DE EMBALSE
CONJUNTO HIDRÁULICO
Se define como Conjunto Hidráulico, al conjunto de obras que se construyen con el propósito de almacenar, evacuar y distribuir un cierto volumen de agua para satisfacer determinadas demandas de la zona donde se ubique
LAS PARTES PRINCIPALES QUE COMPONEN UN CONJUNTO HIDRÁULICO SON: 1. Presa: Se construye para embalsar el agua durante el período húmedo, con el propósito de crear una reserva para satisfacer las demandas de los usuarios en el período de seca. 2. Aliviadero: son elementos de las presas que tienen la misión de liberar parte del agua retenida o embalsada evitando su paso por la sala de máquinas. 3. Obra de toma: Es aquel elemento dentro del Conjunto Hidráulico encargado de regular o dar salida al agua que se desea aprovechar del embalse.
ALIVIADEROS EN PRESAS DE EMBALSE Los aliviaderos son elementos de las presas que tienen la misión de liberar parte del agua retenida o embalsada evitando su paso por la sala de máquinas. Pueden ir dotados o no de compuertas. Los aliviaderos descargan las aguas próximas a la superficie libre del embalse, al contrario que la descarga de fondo (desagües), que permite la salida controlada de aguas de las capas más profundas.
n ó i c a c i f i s a l C
Aliviaderos de superficie Aliviaderos (desagües) intermedios Aliviaderos (desagües) profundos.
Conjunto presaaliviadero -cauce
Caudal de diseño (crecida máxima)
FACTORES PARA EL DISEÑO
Tipo de aliviader o
Reparto de caudales entre distintos aliviaderos
Toma
PARTES Conducción (descarga)
Reintegro (estructura terminal)
FUNCIONES DEL ALIVIADERO Liberar parte del FUNCIÓN PRINCIPAL:
agua detenida sin que esta pase por la sala de maquinas.se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie.
•
FUNCIONES SECUNDARIAS: •
Garantizar la seguridad de la estructura hidráulica, al no permitir la elevación del nivel, aguas arriba, por encima del nivel máximo. Disipar la energía para que la devolución al cauce natural no produzca daños. Esto se hace mediante saltos, trampolines o cuencos.
CAUDAL DE AVENIDA Se entiende por caudal de avenida la elevación de los niveles de agua en el cauce a valores no usuales, como consecuencia del crecimiento del caudal que circula por la red de drenaje. Este aumento del caudal, en la mayoría de los casos, es consecuencia de precipitaciones extraordinarias de una magnitud tal que la superficie de la cuenca no es capaz de asimilar las en su totalidad.
EFECTO REGULADOR DEL EMBALSE Efecto Regulador de un Embalse En la gran mayoría de los casos se dispone del agua en períodos que no necesariamente se la necesita, en cambio se la requiere en períodos en que es deficitaria. Surgimiento de la necesidad de regulación Necesidad de construir embalses La regulación puede ser a nivel diario (estanques de agua potable ) o a nivel estacional( embalse de gran magnitud) .
COMBINACIONES DE ALTERNATIVA DE REPRESAS Se entiende por Planeamiento Hidráulico la concepción y planificación técnica de la construcción, mejoramiento y/o ampliación de las infraestructuras de riego.
PLANEAMIENTO HIDRÁULICO DE CADA ALTERNATIVA. b).
b.1. SISTEMA DE CAPTACIÓN •
•
La construcción de una presa de embalse, La captación o bocatoma es una obra reguladora de entrada de agua de los cauces hacia el canal principal. La ubicación y el diseño de la bocatoma se determinan considerando las características fluviales del río, aspectos geológicos y las condiciones topográficas de la zona, los caudales máximos, mínimos y extraordinarios de los ríos, la cantidad de agua a captarse, entre otros factores. componentes: muros de encauzamiento, cámara tranquilizadora, ventana de captación y canal de limpia.
b.2.- SISTEMA DE CONDUCCIÓN Están compuestos principalmente por los canales de derivación (antes del aliviadero) principales (después del aliviadero), canales secundarios (laterales y sub laterales) y canales terciarios, denominados también canales parcelarios . La capacidad de conducción de los canales se debe definir considerando la demanda de agua de las áreas a regar, el número de horas de riego al día, la frecuencia de riego, las pérdidas producidas en el manejo de las compuertas y la destreza de los usuarios.
b.3.-SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN
Las tomas laterales, sub laterales y directas son dispositivos hidráulicos construidos en el tramo longitudinal de un canal principal de riego. La finalidad de estos dispositivos es admitir y regular el volumen de agua procedente de una fuente de abastecimiento hacia la cabecera de las fincas.
b.4. RESERVORIOS La base del concepto es almacenar agua durante la noche y regar de día con volúmenes adecuados, mejorar la eficiencia del riego y contrarrestar el deterioro del suelo como consecuencia de las erosiones que se suscitan a falta de control durante las noches.
b.5. REPRESAMIENTO Se da en el caso que la disponibilidad hídrica no guarda relación equilibrada con el área potencialmente a irrigar. Esta situación obliga a proyectar estructuras de almacenamiento que permita resolver Este problema . Debe detallarse el volumen de almacenamiento de agua. Una vez llevados a cabo las etapas se realiza el pre- viabilidad de las alternativas , y continuando con el análisis de aquellas que puedan realmente ser llevadas a cabo.
ESTRUCTURA DE ALIVIO VS COSTO
Costos económicos de sistemas combinados. La decisión de seleccionar un sistema combinado debe basarse en la comparación de costos y beneficios de alternativas (combinado vs. separado). En el caso de sistemas combinados, los costos del sistema están representados por los costos de instalación de estructuras complementarias (dentro de las cuales están los aliviaderos), estaciones de bombeo, etc., los costos de tratamiento de las aguas no aliviadas o los costos asociados con la contaminación producida en los cuerpos de agua receptores de las aguas de alivio o de los efluentes de las plantas de tratamiento.
CRITERIOS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL Cuando el proyectista llega al momento en que debe decidir la ubicación del aliviadero para a continuación definir el tipo de aliviadero a emplear, necesariamente tendrá que considerar un conjunto de factores técnico - económicos, entre los que se destacan los siguientes: - Topografía. - Geología. - Tipo y volumen de la excavación. - Posibilidad de utilizar el material excavado - Permeabilidad y resistencia del suelo. - Estabilidad de los taludes de la excavación. - Posibilidades de erosión en la zona del conducto de descarga. - Tipo de presa. - Finalidad del embalse. - Categoría de la obra. - Posibilidades de materiales de construcción a emplear. - Nivel de la técnica constructiva. - Ubicación de áreas que no pueden ser afectadas en las cercanías de la obra
Para el diseño de un aliviadero se deben considerar los siguientes aspectos: FACTORES PARA EL DISEÑO: Caudal de diseño (crecida máxima). Conjunto presa-aliviadero-cauce. Reparto de caudales entre distintos aliviaderos. Tipo de aliviadero. • •
•
•
Selección
s o i r e t i r C
de la avenida del proyecto: comprende consideraciones generales y hidrogramas de la avenida del proyecto. Relación del almacenamiento de sobrecarga a la capacidad del vertedor. Estudios de variación de niveles Selección del tamaño del aliviadero.
X. DISEÑO HIDROLÓGICO E HIDRÁULICO DE UN ALIVIADERO
El cálculo de las dimensiones del vertedero se realiza a partir del tránsito en el embalse de una avenida extraordinaria de período de retorno tr: Q (tr, t).se proponen los siguientes períodos de retorno de las tormentas extraordinarias, de acuerdo al tipo de obra: Para tajamares y presas menores a 5 metros de altura, tr = 50 años Para pequeñas presas: tr = 100 años La estructura de vertimiento es un canal vertedero de pendiente s, rugosidad de manning n y de ancho B. el ancho del vertedero (b) queda asociado al valor asumido del espesor de la lámina de crecida máxima (e), por encima de la cota de inicio del vertido.
Figura (1.)
. Descripción del vertedero
Determinación de la avenida extraordinaria
Se presenta el procedimiento de cálculo para estimar el caudal máximo y el volumen de escurrimiento de las avenidas extraordinarias correspondientes a eventos extremos anuales con intervalo de ocurrencia promedio mayor a 2 años y a cuencas de aporte con área menor a 1000 km2 y tiempo de concentración menor a 6 horas. Para una cuenca mayor, se la debe subdividir en sub cuencas, y considerar el tránsito en la misma.
Tiempo de concentración
A partir de la carta en la que se delimitó la cuenca, se determina el cauce principal, como el cauce que une el punto de salida de la cuenca con el punto del parte aguas más alejadas en el tiempo. Si la mayor parte del escurrimiento que se da en el cauce principal si el flujo no es concentrada (en las cartas del Servicio Geográfico Nacional se identifica en color celeste), el tiempo de concentración se calcula por el método de Kirpich.
Donde: Tc: tiempo de concentración (horas) L: longitud del cauce principal (Km) DH: diferencia de cotas de altitud del cauce principal (m) S: pendiente cauce principal = DH / L / 10 (%) Si la mayor mayor parte del escurrimiento escurrimiento corresponde a un flujo concentrado, el tiempo concentración se calcula por el método de velocidad del NRCS:
Donde: Tc: tiempo de concentración (horas) Li: longitud del tramo i de la línea de corriente (km) Ki : coeficiente de cobertura del suelo para el tramo i(adim) Si: pendiente del tramo i = 0.1 * ΔHi(m) /li(Km) (%).
El valor de k surge de la tabla 1: De existir una componente de flujo concentrado, adicione al tiempo calculado por el método del NRCS, el tiempo de viaje de la gota de agua en el cauce, asumiendo una velocidad promedio de 0.45 m/s. COBERTURA COBER TURA DEL SUELO Bosque con espeso mantillo sobre el suelo Barbecho de hojarasca o cultivos de mínimo arado Pasturas Cultivos en línea recta Suelo prácticamente desnudo y sin arar Vías de agua empastadas Área impermeable
K 3.95 2,02 1,41 1,11 1,00 0,67 0,50
Estimación del caudal máximo y el volumen de escorrentía de la avenida extraordinaria Si el tiempo de concentración es menor a 20 minutos se aplica el método Racional y si es superior a 20 minutos el método del NRCS. Cuando el tiempo de concentración sea mayor a 20 minutos y el área de la cuenca de aporte sea menor a 400 has se deben verificar ambos métodos.
Figura (4.) Coeficientes de escorrentía
CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LOS SUELOS EN EL PERU FASES POR PENDIENTE
1.4 Caudal especifico del vertedero
La estructura de vertimiento corresponde a un canal trapezoidal descripto por el ancho (b, m), la pendiente (s, adim) y la rugosidad de Manning (n). se presenta la solución gráfica de las ecuaciones de vertimiento que determinan el caudal específico (q, m3/s/m) por unidad de ancho del vertedero y la velocidad en el canal (v, m/s), asociada a una lámina de vertido en el embalse (e, m). Para limitar la erosión en el canal, la velocidad debe cumplir las restricciones
a y b. Determinación del caudal específico (q) en el canal vertedero
Determinación del ancho del vertedero Del laminado de la avenida extraordinaria se tiene el caudal máximo vertido y de la ley de vertimiento se tiene el caudal específico por unidad de ancho, por tanto el ancho del vertedero queda definido por: B=Qvmax/q ………………………………………. (m) Qvmax : Caudal vertido máximo (m3/s) q : Caudal específico por unidad de ancho del vertedero (m3/s/m) B : ancho del vertedero canal (m) A su vez, a partir de la cota de vertido, la pendiente del canal de vertido y la topografía aguas debajo de la represa se determina la longitud del canal de forma de restituir el agua al cauce natural.
Figura(2.) Secuencia de cálculo del ancho del vertedero
1.5 Presa
1.5.1Determinación de la cota de coronamiento de la presa La cota de coronamiento de la represa (H presa) resulta de sumar la altura de revancha (H revancha) a la cota de inicio de vertido (Hv): Cota de coronamiento: H presa = Hv + H revancha La altura de revancha debe contemplar como mínimo la elevación del nivel debido a la descarga de la tormenta de diseño (e) y la altura de la ola producida en el lago. la altura de ola depende de la morfometría del lago y su orientación respecto a los vientos dominantes, a través del Fetch : Distancia en la que el viento puede actuar sobre la masa de agua del embalse.
La altura de revancha normal es el borde libre que considera el efecto de la ola máxima que se desarrolla con el embalse en la cota de inicio de vertido: H revancha N = Bl normal la altura de revancha mínima es el borde libre necesario para considerar el efecto de la ola máxima que se desarrolla en el embalse cuando se produce la lámina máxima de vertido (e), que es cuando vierte la avenida de diseño: H revancha M = E+ Bl mínimo La altura de revancha será el mayor de los dos valores calculados. La altura de la presa estará determinada por la diferencia entre esta cota de coronamiento y la cota del punto más bajo del terreno de fundación.
COMPONENTES DE LA ESTRUCTURA 1. Canal de aproximación. 2. Sección de control. 3. Transición. 4. Rápida o conducto de descarga. 5. Estructuras terminales o disipadoras de energía. 6. Canal de salida.
ESTRUCTURAS DE CONTROL: Son estructuras que se proyectan y construyen con el fin, tanto de controlar los caudales, como de mantener los niveles de agua necesarios para facilitar su derivación a otros canales o bien, a las tomas que queden localizadas aguas arriba de la represa. Las obras de control son estructuras que forman parte intrínseca de una presa, ya sea de almacenamiento o derivación y cuya función es la de permitir la salida de los volúmenes de agua excedentes a los de aprovechamiento.
CANAL LATERAL: Es una estructura que se construye debido a la insuficiente capacidad de descarga o efectos en la avenida de diseño, con el fin de dirigir lateralmente el flujo que rebosa del aliviadero . Los elementos que lo conforman se pueden mencionar como sigue: acceso, sección de control, canal colector, canal de descarga y deflector o estructura disipadora de energía. Generalmente están asociados a presas de tierra o enrocado construidas en ríos encañonados y con grandes avenidas, o donde se requieren grandes longitudes de cresta.
RÁPIDA
Es aquel elemento del aliviadero encargado de salvar la diferencia de nivel entre la sección vertedora y el cauce del río o canal de salida. Su pendiente generalmente es fuerte, asegurando un régimen de circulación supercrítico.
ESTRUCTURA TERMINAL O DISIPADORA DE ENERGÍA Es la encargada de disipar la alta energía cinética que alcanza el agua al circular por la rápida, debido a su pendiente, evitando así la erosión del terreno natural y la consecuente destrucción de la propia obra u otra cercana a la descarga del aliviadero.
TIPOS DE ALIVIADEROS A ) Clasificación de los aliviaderos de acuerdo a su disposición en planta. se clasifican en: 1. Aliviaderos frontales. 2. Aliviaderos laterales. 3. Aliviaderos curvos en planta. - Aliviaderos mexicanos o de abanico. - Aliviaderos semi-mexicanos o semi-abanico. - Aliviaderos curvos propiamente dichos
1. Aliviaderos frontales
Son aquellos rectos en planta, cuyo vertimiento se realiza coaxial al conducto de descarga; tienen como desventajas que pueden ocupar grandes extensiones en planta, lo cual traería como consecuencia en caso de construirse en una montaña, grandes volúmenes de excavación.
2. Aliviaderos laterales Son aquellos cuyo vertimiento se realiza con cierto ángulo con respecto al conducto de descarga. Al contrario del aliviadero frontal, en caso de que se vaya a colocar en una montaña, puede ser ubicado de forma tal que borde de la ladera sin necesidad de excavar la montaña, ahorrándose así grandes volúmenes de excavación. (Figura 3b)
3. Aliviaderos curvos en planta Tal como lo dice su nombre son curvos en planta, el vertimiento se realiza radialmente, existiendo una concentración central del flujo en el conducto de descarga. Tienen la ventaja de que ocupan poca área en planta - en relación con uno frontal y presentan gran longitud vertedora. (Figura 3 c)
B ) Clasificación de los aliviaderos según su ubicación. Los aliviaderos según su ubicación en: 1. Aliviaderos de cauce : Son aquellos que se ubican dentro del cuerpo de la presa, pueden ser superficiales o profundos. tienen como ventajas que no producen debilitamiento en el cuerpo de la presa, las compuertas no existen y de existir, trabajan en condiciones favorables son conductos cerrados generalmente de sección rectangular o circular, donde el flujo puede circular a presión a todo lo largo del conducto o en un tramo del mismo. 2.Aliviaderos de margen : Son aquellos que se ubican fuera del cuerpo de la presa y se utilizan en presas de materiales locales o de hormigón, en caso de cierres estrechos . Ellos se ejecutan en forma de rápidas o de túneles sin carga, con carga a todo lo largo del aliviadero, o con carga parcialmente.
C) Clasificación de los aliviaderos según el tipo de conducción. Según el tipo de conducción se pueden clasificar en: 1. Aliviaderos con descarga libre. 2. Aliviaderos con descarga forzada. D ) Clasificación de los aliviaderos según el tipo de construcción. Pueden clasificarse en: 1. Aliviaderos superficiales. 2. Aliviaderos soterrados o de fondo. E) Clasificación de los aliviaderos según el tipo de vertimiento. De acuerdo al vertimiento se pueden clasificar en: 1. Vertedores automáticos. 2. Vertedores regulados por compuertas.
1. Vertedores automáticos Son aquellos en que el agua al sobrepasar su cresta vierten automáticamente, es decir, no llevan ningún dispositivo para controlar el vertimiento. 2. Vertedores regulados por compuertas el vertimiento es regulado por compuertas, siendo una de las características fundamentales de este vertedor el hecho de que la cresta del cimacio no necesariamente coincide con el nivel de aguas normales
1. La necesidad de un frente vertedor muy estrecho para evitar grandes excavaciones en los hombros del aliviadero cuando éstos están conformados por grandes elevaciones, lo cual hace que se requiera de grandes cargas sobre el vertedor para evacuar el gasto. 2. La necesidad de regular por encima del nivel de aguas normales. 3. Cuando se requieren hacer entregas del volumen útil (por debajo del nivel de aguas normales) por el aliviadero.
las razones que justifican el uso de un aliviadero regulado por compuertas
ventajas por el uso de aliviadero regulado por compuertas
1. Como la cresta del cimacio de un aliviadero regulado no alcanza la cota del nivel de aguas normales, pues precisamente, esa diferencia de cotas entre la cresta del cimacio y el nivel de aguas normales constituye el prisma de agua que se va a regular, se obtiene un perfil más económico que el que se tendría que usar en un aliviadero automático. 2. El hecho de contar con un perfil con cresta ubicada por debajo de la cota del nivel de aguas normales, hace que la cota del nivel de aguas máximas disminuya en comparación con la que se obtendría si se colocara un vertedor automático. 3. Poder regular por debajo del nivel de aguas normales permite en un momento determinado, vaciar el embalse por el aliviadero hasta la cota de la cresta del cimacio, para una posible reparación de la cortina.
1. Uso de elementos metálicos en el aliviadero. 2. La necesidad de utilizar mecanismos de izaje, lo cual hace imprescindible el uso del fluido eléctrico u otro tipo de energía para la manipulación de las compuertas durante el período de explotación, avenidas y la ejecución de mantenimiento periódico a dichos mecanismos. 3. La posible ocurrencia de vibraciones en las compuertas.
desventajas del uso de un aliviadero regulado por compuertas
ALIVIADEROS DE POZO VERTICAL
Un aliviadero en pozo consta de una entrada almenada, para aumentar la longitud de la coronación, una zona de transición con un perfil equivalente al del aliviadero convencional, un pozo vertical y un conducto de salida, que a veces tiene una ligera pendiente positiva para garantizar que en su parte final nunca está completamente vacío.
Características que deben cumplir los aliviaderos de pozo: Tener suficiente capacidad Ser hidráulica y estructuralmente adecuado Estar ubicado de manera que las descargas del aliviadero no erosionen ni socaven el talón aguas debajo de la presa. Las superficies que forman el canal de descarga deben ser resistentes a velocidades erosivas.
ALIVIADEROS EN LA ACTUALIDAD (ejemplo) Las obras de evacuación de crecidas están conformados por un vertedero tipo embudo Ubicado sobre la ladera derecha aguas arriba del dique; el caudal máximo es de 280 m3/s. a la cota máxima (651,00 msnm);
Este aliviadero está formado por un túnel vertical excavado en la roca de 4 metros de diámetro, unido por una curva circular de 10 metros de radio a un túnel horizontal con pendiente 1% o que descarga aguas abajo del dique. La capacidad de embalse en la cresta del vertedero es de 200 Hm3. Sobre el paredón del dique posee además válvulas Howel Bunger que permite realizar un manejo adicional del embalse. Estas válvulas poseen además el sistema de control y sala de mandos.
Flexibilidad muy grande de ubicación. El vertedero puede ubicarse en muchos puntos, apartados de las laderas (lo que significa menos problemas en cuanto posibles aterramientos, caídas de bolos al canal de desagüe, etc. Tiene una gran longitud de vertido en relación al espacio que ocupa. Esto se debe a que es circular. Al ser su alimentación radial y el pozo vertical se asegura, para un amplio rango de caudales, que funciona en presión (de este modo sabemos cómo funciona nuestro aliviadero y podemos estimar el caudal aliviado).
LAS VENTAJAS DEL ALIVIADERO EN POZO SON:
DISEÑO Para el diseño de un aliviadero se deben considerar los siguientes aspectos: Selección de la avenida del proyecto: comprende consideraciones generales y hidrogramas de la avenida del proyecto. Relación del almacenamiento de sobrecarga a la capacidad del vertedor Estudios de variación de niveles Selección del tamaño y tipo del aliviadero
EJEMPLO DE DISEÑO A PARTIR DEL REGISTRO HISTORICO DE CAUDALES MÁXIMOS ANUALES: Q: 320 m^3 /s Desv. Std: 70 m^3/s *destinada para una avenida centenaria APLICAMOS GUMBEL PARA CALCULAR EL CAUDAL MAXIMO DE DISEÑO EN 100 AÑOS DE RETORNO. Q (T=100) = X + K ∂ Y= -Ln (-Ln(1-1/T))=4.6 K= 0.78Y - 0.45 =3.138 Q máx (T=100) =320 + 3.138x70 = 539.66 m^3/s Por laminación de avenida de 25 % Q máx (T=100) = 539.66 x 0.75 =404.75 m^3/s Fórmula para aliviadero de pozo: Q = Co.2π.R .H^3/2
Co: coeficiente de descarga. Q: caudal de diseño. R: radio del aliviadero. H: altura de descarga. Asumimos un R: 5m. Calculamos: H/R= 0.4
Con H: 2.00 m. P/R = 2.0
LUEGO, EN TABLA DETERMINAMOS EL VALOR DE Co.
Según tabla anterior con un H/R =0.4 Co = 3.58 Vamos hacia la formula y despejamos R. 404.75= 3.58 * 2π * R * 2^3/2
m
R= 6.36 m es diferente
a R asum= 5
REPETIMOS EL CÁLCULO CON EL NUEVO R. R= 6.36 m. H/R= 0.31 Co= 3.75 EN LA FORMULA: 404.75= 3.75 * 2 π* R * 2^3/2 R= 6.07m es diferente a R asum. = 6.36 m. HACEMOS UN NUEVO CÁLCULO: R= 6.07 m. H/R= 0.3 Co= 3.72 EN LA FORMULA: 404.75 = 3.72 x 2π x R x 2 ^3/2
R = 6.12 m. El valor es aproximado al asumido, por lo tanto es aceptable.
ALIVIADEROS CON SIFÓN DISEÑO HIDRAULICO TEORIA DEL SIFON INVERTIDO Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para conducir el agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica o quebrada, también para pasar por debajo de un camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso otro canal. Para cruzar una depresión, se debe recurrir a una estructura de cruce, en cada caso se escoge la solución más conveniente para tener un funcionamiento hidráulico correcto, la menor pérdida de carga posible y la mayor economía factible. Los cuales pueden ser: Puente canal Sifón invertido Alcantarilla
Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar una alcantarilla. Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar como estructura de cruce; un puente canal o un sifón invertido o la combinación de ambos. El puente canal se utilizará cuando la diferencia de nivel es entre la rasante del canal y la rasante de la quebrada o río, permita un espacio libre, suficiente para lograr el paso del agua. El sifón invertido se utilizará si el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo.
ELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA
CRITERIOS DE DISEÑO
Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sugerencia 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 d riego sin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifón cruza un canal revestido se consideras suficiente 0.30 m de cobertura. La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con Ø mayor o igual a 36’ y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/s Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un 50% o 0.30 m como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15 m a partir de la estructura.
CALCULO HIDRÁULICO DE UN SIFÓN
Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplicamos la ecuación de energía especifica: Dónde:
Zi= carga de posición Yi=Carga de presión V^2 /2*g: carga de velocidad (g =9.81 m/s2) ΔH: carga hidráulica
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.
Polikouski y Perelman:
Dónde: V=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 pérdidas en el sifón. La diferencia de carga AZ 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.
ALIVIADERO LATERAL Estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que podrían causar serios daños, por lo tanto, su ubicación se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro. El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel máximo de su caja hidráulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como de máxima avenida El vertedero lateral no permite eliminar todo el CRITERIOS excedente de caudal, siempre quedará un DE DISEÑO excedente que corresponde teóricamente a unos 10 cm encima del tirante normal. La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn.
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Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de fórmulas, a continuación se describe la fórmula de Forchheiner. Dónde: V = 0.95 µ = coeficiente de contracción L = longitud del vertedero h = carga promedio encima de la cresta
El flujo del canal, deberá ser siempre subcrítico, entonces: H2 > h1 La fórmula da buena aproximación cuando se cumple:
Para mejorar la eficiencia de la cresta
del vertedero se suele utilizar diferentes valores, según la forma que adopte la cresta. El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se está eliminando por la ventana o escotadura del canal, cruza un camino, frecuentemente se utilizan cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del vertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c ó d. Los aliviaderos laterales pueden descargar a través de un vertedero con colchón al pie (desniveles pequeños) mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes).
CRESTA DE OGEE Los aliviaderos por sobre flujo (Overflow Spillway) son los tipos mas comunes de aliviaderos que aportan con una gran eficiencia de descarga. Constan de una estructura gravitacional que requiere buenas fundaciones, y que se extiende desde la presa hasta el canal principal de un río. Su estructura se divide en tres zonas: la cresta, la curva tipo S (o Ogee) y el dedo (Toe, fin de la curva). La curva esta formada principalmente para mantener la menor superficie de agua (menor espesor de perfil) desde una mayor superficie creada en la cresta de la misma. Bazin (1886 a 1888), fue el primero en investigar los perfiles de agua durante la caída en aliviaderos, creando una curva basada en una parábola simple, creando una forma general para este tipo de aliviaderos. Posteriormente Creager, Justin y Hind (1951), complementaron estas investigaciones. La forma actual de la cresta y la curva de los aliviaderos por sobre flujo a sido estudiada extensivamente por el Cuerpo de Ingenieros de las Fuerzas Armadas de Estados Unidos, quienes midieron cuidadosamente los perfiles superiores e inferiores para varios caudales de descarga y velocidades de aproximación a la cresta, llegando a la conclusión de crear una cresta formada por un arco de circulo y una curva de bajada por la formula
Donde Hd es la altura de diseño y K y n son constantes que dependen de la inclinación y velocidad de acercamiento del flujo a la cresta.
Figura (13.) 1988
Ecuaciones de caudal para vertederos. Chow, V. T.
