Estructuras de Cruce

DISEÑO HIDRAULICO DE ESTRUCTURAS DE CRUCE 1. Intro Introduc ducció ción n: En el recorrido de un canal, pueden presentarse diversos accide accidente ntes s y obstác obstáculo ulos s como como son: son: Depres Depresion iones es del del terren terreno, o, debido debido a quebradas secas, fallas o cursos de agua y en otros la necesidad de cruzar las vías de comunicación (carreteras, líneas férreas u otro canal! "as soluciones mediante estructuras #idráulicas son las siguientes:  

$lcantarilla $cueducto



%uente canal



&ifón



'nel

2. Alcantar lcantarilla illas: s: &on estructuras que permiten el paso de agua por deba)o de vías, pero con la diferencia de que en éstas la tubería está al mismo nivel del agua que en el canal de riego! Estas Estas estru estructu cturas ras se deben deben dise* dise*ar ar con con una capac capacida idad d sufici suficient ente e para para eliminar la m!ima a"#nida d# la cu#nca $idro%r&ica aguas arriba de la ubicación de la alcantarilla!

2.1 Ti'os Ti'os d# salida salida #n la alcantar alcantarilla: illa: 

'ipo + &alida sumergida: alcantarilla llena ll ena



'ipo ++ &alida no sumergida: $lcantarilla $lcantarilla llena



'ipo +++ &alida no sumergida: %arcialmente llena!



'ipo + &alida no sumergida: -lu)o subcritico en la alcantarilla!



'ipo  &alida no sumergida: -lu)o subcritico en la alcantarilla y flu)o supercritico en la salida!



'ipo + &alida no sumergida: -lu)o supercritico en la alcantarilla, flu)o supercritico en la entrada!

2.2 Consid#r Consid#racio acion#s n#s $idrulicas $idrulicas:: Se debe tener en cuenta los siguientes factores:

1 Ing. Giovene Pérez Campomanes

Email: [email protected] Blog:

ingenieriahidraulicaunmsmimf.blogspot.com



%endiente del lec#o de la corriente aguas arriba y aguas aba)o del lugar!



%endiente del fondo de la alcantarilla!



$ltura de a#ogamiento permitido permitido a la entrada!



'ipo de entrada!



.ugosidad de las paredes de la alcantarilla!



$ltura del remanso de salida! salida!

-ig! /0 12 se observa el paso del agua a través de una alcantarilla

2.( Crit#rios Crit#rios d# dis#)o: dis#)o: 

"as alcantarillas son dise*adas para una presión #idrostática interna mínima!



"a elección del diámetro de la alcantarilla se #ace en función del caud caudal al de tal tal form forma a que que no sobr sobrep epas ase e la velo veloci cida dad d admi admisi sibl ble e promedio!



El dise*o #idráulico de una alcantarilla consiste en la selección de su diámetro de manera que resulte una velocidad promedio de 2!34 m5seg!




-ig! /013! &e observa alcantarillas con control de entrada sumergida y no sumergida 

"a pendiente mínima de la alcantarilla es de 1!116( &o76 o5oo!



El relleno encima de la alcantarilla o cobertura mínima de terreno para caminos parcelarios es de 1!81 m y para cruces con caminos principales(la panamericana, de 1!9 m!



"as transiciones de concreto son necesarias en los siguientes casos:



En los cruce de ferrocarriles y carreteras principales



En las alcantarillas con diámetros mayores a 8;;, y con velocidades mayores a 2!18 m5s!



"a pendiente de la alcantarilla debe ser igual a la pendiente del canal!



"a transición tanto de entrada como de salida en algunos casos se conectan a la alcantarilla mediante una rampa con inclinación má


El talud má


En cruce de canales con camino, las alcantarillas no deben dise*arse en &lu*o su'#rcritico.



&e debe determinar la necesidad de collarines en la alcantarilla!



/ormalmente las alcantarillas traba)an con nivel de agua libre, llegando a mo)ar toda su sección en periodos con caudales má
Ing. Giovene Pérez Campomanes





"as pérdidas de energía má
D# dond#: %e7 perdida de entrada %i7 perdida por fricción %s7 perdida de salida a7 elocidad de alcantarilla

2.+ Ti'os d# Alcantarilla 'or su ca'acidad: 

Alcantarilla d# un tu,o: %ara caudales iguales o menores a 2!3 m5s

"ongitud de transición:

Diámetro interno mínimo: Di = 0.51 m 

Alcantarillas d# 2 tu,os: %ara caudales que oscilan entre 1!6 m5s y 3!3! m5s!

"ongitud de transición:

"ongitud de protección en la entrada 4 Ing. Giovene Pérez Campomanes



"ongitud de protección en la salida:

Diámetro interno mínimo: Di = 0.51 m

Alcantarilla d# -2 o*os: %ara caudales que oscilan entre 2!6 m5s, y =!6 m5s! &ección del o)o7 anc#o > altura 7 D > 2!36 D! ?apacidad má
Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de roca de 1!36 m! "ongitud de las transiciones:

b7 %lantilla del canal "ongitud de protección en la entrada

"ongitud de protección de la salida:

Diámetro interno mínimo:

Alcantarilla d# -( O*os: %ara caudales que oscilan entre 3! m5s y 21!6 m5s!




&ección del o)o 7 $nc#o > $ltura 7 D > 2!36 D Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de 1!36 m!

Lon%itud d# transicion#s:

b7 %lantilla del canal "ongitud de protección de la entrada: "p@7 D "ongitud de la protección de la salida: "p@7 6 D Diámetro interno mínimo:

?ollarines para los tubos: Estos se construyen cuando e


$

#

tu,o

/m0

/m0

2AB

2,63

1,26

32B

2,8

1,26

3=B

2,8A

1,26

34B

2,9

1,26




1B

3,2

1,26

8B

3,8

1,26

=3B

3,A3

1,3

=AB



1,3

6=B

,6

1,3

81B

,86

1,3

'abla /012 se muestra las características de los collarines en las alcantarillas!

2. ara #l dis#)o d# una alcantarilla3 #l 'ro4#ctista s# d#,# &i*ar #n: 

E


Cna alcantarilla que traba)a con control a la entrada recibe el nombre de alcantarilla #idráulicamente corta!



Cna alcantarilla que traba)a con control a la salida recibe el nombre de alcantarilla #idráulicamente larga!



?uando la altura de agua en la entrada no es determinante en el dise*o de una alcantarilla la selección del tipo de entrada no reviste mayor importancia!

DATOS ARA LA SELECCI56 DEL DIA7ETRO DE TU8ERIAS Transicion d# Transición d# Ti#rra Concr#to 9ma! 9ma! 13-; m
Caudal /m(
1 1,148

11,22

Tu,#r=as Dim#tro / 'ul%.0 Dim#tro / cm.0 23

1,=A

>r#a / m20 1,14




1,144  1,223

1,2221,24

26

A,2

1,22=

1,23  1,248

1,24=1,3=9

2A

=6,43

1,28=

1,244  1,3A

1,3611,=1

32

6,=

1,33

1,391,22

1,=21,==6

3=

81,98

1,393

1,231,9

1,==81,68=

34

8A,6A

1,89

1,9=1,=A4

1,6861,89=

1

48,3

1,=68

1,=AA1,6A9

1,8961,A=2



A,A3

1,663

1,6911,899

1,A=32,11

8

92,==

1,868

1,4111,A32

2,1122,246

9

99,18

1,442

1,A331,96=

2,2482,83

=3

218,8A

1,A9=

1,9662,198

2,82,68

=6

22=,

2,138

2,1942,3=8

2,68=2,44A

=A

232,93

2,284

2,3=42,=14

2,4493,11A

62

239,6=

2,2A

2,=1A2,64A

3,1193,362

6=

24,28

2,=4A

2,6492,468

3,3633,619

64

2==,4A

2,8=8

2,4642,9=8

3,6213,4A2

81

263,=

2,A3=

2,9=43,2=8

8

281,13

3,122

3,2=43,68

88

284,8=

3,314

3,643,64=

89

246,38

3,=23

3,6463,A1

43

2A3,AA

3,838

'abla /0 13 se muestra los datos para la selección de los diámetros de la tubería

EL 9ALOR DE ?#3 ARA LAS DI@ERE6TES CO6DICIO6ES DE E6TRADA

TIO DE E6TRADA

9ARIACIO6

RO7EDIO

%ara entradas con aristas rectangulares instaladas al ras en los muros de cabeza verticales

1,=1,41

1,6




%ara entradas con aristas redondeadas instaladas al ras en muros de cabeza verticales r5D @7 1,26

1,1A 1,341

1,2

%ara tubo de concreto de espiga o de campana instalado al ras en el muro de cabeza vertical

1,21 1,

1,26

%ara tubos de concreto salientes con e
1

1,3

%ara tubos de acero o de metal ondulado

1,61,9

1,A6

'abla /0 1 se muestra los valores de los coeficientes para los diversos tipos de entrada

2.; Ha4 casos #n u# las r#com#ndacion#s ant#rior#s d#,#n "ariars#. 

En zonas recientemente niveladas de declive relativamente suave, puede #aber sedimentación la alcantarilla puede colocarse unos centímetros más alta que el lec#o de la corriente, pero considerando la misma pendiente



?uando la altura del terraplén es reducida, el colocar la alcantarilla mas ba)a que el lec#o de la corriente produce sedimentación y reduce el área #idráulica, así como debe usarse una estructura anc#a de poca altura, como un tubo abovedado, en algunos casos se puede elevarse la cota del camino!



Fa)os terraplenes altos no siempre es necesario colocar el conducto al mismo nivel que el fondo de la corriente, si se puede admitirse una elevación de agua a la entrada, la alcantarilla se puede colocar en un nivel más alto, reduciendo su longitud.



Fa)o terraplenes altos, generalmente ocurre mayor asentamiento en el centro de sección la alcantarilla debe colocarse con una contra flec#a: la mitad aguas arriba casi #orizontal , dándose la caída necesaria en la mitad aguas aba)o!



En terrenos con pendientes fuertes, como las laderas, no siempre es necesario dar a las alcantarillas la misma pendiente abrupta puede dársele la pendiente critica y una salida con vertedero, que evite la socavación  esto acorta el conducto y reba)a la cubierta!



En pendientes fuertes también es posible colocar ba)o el terr aplen un tubo con codo, aun que generalmente no se aconse)a! Cna entrada 9




a un pozo colector permite dar a la alcantarilla una pendiente correcta!

2.B S# $a com'ro,ado u# los si%ui#nt#s &actor#s a&#ctan la "ida d# una alcantarilla: 

Gasto que fluye a través de la alcantarilla



elocidad del flu)o



?ontenido de los sedimentos abrasivos



?oncentración de iones #idrogeno(%H en el agua



?oncentración de iones #idrogeno(%H en el suelo



?ontenido de carbono de calcio, sulfatos y sólidos disueltos en el agua!



?aracterísticas

geológicas de los

manantiales, presencia

de

compuestos orgánicos en el agua y afectación de la #oya por materiales contaminantes!

2. DISEÑO DE U6A ALCA6TARILLA: Dise*ar una alcantarilla similar a la que se muestra en la fig! ad)unta que permita el cruce del canal, con un camino y cuyos parámetros se indican! Datos del canal

datos de la alcantarilla

I7 1!61 m5s

n71!12=

F71!A1 m

&71!116 (mínimo

J72

"27D o 6 ;

n71!136

"37=D 1 6; mínimo

&71!1116

anc#o del camino7 8!1 m %endiente de la transición a la orilla 7 2!6:2




( Acu#ducto: Es un conducto que &lu4# como canal #ncima d# un 'u#nt# dis#)ado3 'ara r#sistir la car%a d# a%ua 4 su 'ro'io '#so para atravesar una vía de transporte o para cruzar una depresión o curso de agua no muy profunda! Desde el punto de vista de la estructura civil, los acueductos pueden ser de dos tipos: 

$cueducto sobre una estructura de soporte (puente!



?anal cuyas paredes y base forman parte estructural del puente

(.1 Crit#rios d# dis#)o: 

Estas obras constan de transición d# #ntrada 4 transición d# salida , siendo siempre rectangular la sección de la canoa!



"a energía de la canoa debe ser en lo posible igual a la energía del canal, para lo cual se trata de dar velocidades en la canoa igual a la del canal, despreciándose las pérdidas de carga en este caso, normalmente suele darse a las transiciones, n%ulos d# 12 (-.



"a '#ndi#nt# #n la s#cción d# la canoa , debe a)ustarse lo mas cercano posible a la '#ndi#nt# d#l canal a fin de evitar cambios en la rasante!






&e recomienda dise*ar considerando un tirant# #n la canoa i%ual al

d#l canal! 

"a condición de flu)o en la canoa debe ser subcritico -K 2!



?uando 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( acueducto o un sifón invertido!



El puente canal se puede utilizar cuando la diferencia de niveles entre la rasante del canal y la rasante del obstáculo permite un espacio libre suficiente para lograr el paso!

(.2 El#m#ntos $idrulicos d# un 'u#nt# canal: 

'ransición de entrada



?onducto elevado



'ransición de salida

(.( Dis#)o d# un acu#ducto: Cn canal como se observa en el perfil longitudinal de la figura ad)unta, se debe atravesar un rio! "a depresión está ubicado el rio tiene una longitud de 36 m! El canal de sección trapezoidal , con talud 2!6, trazado en tierra con una pendiente del 1!6 o5oo debe conducir un caudal de 1!A m5s! &e pide dise*ar un puente canal que permita salvar la depresión!




+ Si&ón: Es una estructura que cruza el desnivel por medio de un conducto que se desplace por deba)o del accidente topográfico, lo cual dará lugar a la configuración de un sifón invertido!

-ig! /0 1 se muestra el esquema de un sifón invertido

El canal, por medio de los sifones, incorporará estructuras que traba)arán ba)o presión!

Los si&on#s 'u#d#n s#r construidos su'#r&icial#s o #nt#rrados ! "as estructuras superficiales se apoyan sobre el suelo, #n trinc$#ras3 tFn#l#s o %al#r=as, los cuales permiten una me)or accesibilidad! "as #structuras #nt#rradas son más simples y normalmente de menor costo, ya que no cuentan con soportes, pero su desventa)a está asociada al mantenimiento, por cuanto su accesibilidad resulta más complicada! "a magnitud de la "#locidad m#dia #n #l conducto u# con&orma #l si&ón3 'u#d# "ariar #ntr# 2 a + m
?onductos de fábrica 2!1 a 2!6 m5s



'ubos de #ormigón 2!6 a 3!6 m5s

En todos los casos se deberá incor'orar #l#m#ntos u# '#rmitan la lim'i#Ga '#riódica d# los s#dim#ntos que se acumulen en los sectores ba)os a consecuencia de las reducidas velocidades de flu)o que se presenten durante la operación del sistema!

+.1 Si&on#s in"#rtidos: &on estructuras cerradas que traba)an a presión y se utilizan para el transporte del agua por deba)o de depresiones, canales y vías ! 13 Ing. Giovene Pérez Campomanes



Es una estructura utilizada para atravesar depresiones o vías de comunicación cuando el nivel de la superficie libre de agua del canal mayor es mayor que la rasante del cruce y no #ay espacio para lograr el paso de ve#ículos o el paso del agua! "a diferencia entre el sifón invertido y el acueducto reside en que la sección del sifón se apoya directamente en las laderas de la depresión, en cambio el acueducto conserva su rasante apoyado en la estructura del puente! "as secciones más recomendadas en los sifones invertidos son: 

S#cción R#ctan%ular: ?on una relación H5F 7 2!36 y con una sección mínima de H 7 2!1 metros y F 7 1!A1 metros!



S#cción Circular : ?on un diámetro mínimo de 1;, pueden ser en algunos casos proyectarse baterías de conductos circulares

'ransiciones con un n%ulo d# 12 (-, tanto en el ingreso y a la salida se instalan re)as para evitar el ingreso de troncos!

+.2 6ormas 'ara #l dis#)o d# si&on#s in"#rtidos: 

?uando #l caudal 'or conducir #s %rand# 4 su'#ra un conducto d# ;.-- m#tros de diámetro se dise*a una batería de sifones!



%ara car%as '#u#)as #ntr# - 4  m#tros , se prefiere las secciones cuadradas y rectangulares!

+.( ara #l dis#)o d# los si&on#s in"#rtidos indican: 

?ruce de carreteras



?ruce de vías férreas



?ruce con canal o dren



?ruce de ríos y arroyos

El relleno con tierra sobre la tubería debe ser mayor de 1!8 m, para evitar da*os por las cargas que producen los ve#ículos! "os sifones deben tener un diámetro superior a 82 cm (3=B para facilitar su limpieza!

+.+ art#s d# un si&ón in"#rtido: ?onsta de las siguientes partes: 

Desarenador 14






DesagLe de e


?ompuerta de emergencia y re)illa de entrada



'ransición de entrada



?onducto o Farril



.egistros para limpieza y válvulas de purga



'ransición de salida

+. Crit#rios d# dis#)o: 

"as

dimensiones

del

tubo

se

determinan

satisfaciendo

los

requerimientos de cobertura, pendiente de tubo, ángulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida! 

&i el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente 1!1 m de cobertura!



"as pérdidas de carga por la entrada y salida

para las transiciones tipo

cubierta partida, se pueden calcular rápidamente con los valores 1!= #v y 1!86 #v respectivamente! 

"a pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 3:2 y la pendiente mínima del tubo #orizontal debe ser 6 o5oo! &e recomienda transición de concreto a la entrada y la salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con M mayor o igual a 8;; y para velocidades en el tubo mayores a 2 m5seg!

?on la finalidad de evitar desbordes aguas arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de dise*o, se recomienda aumentar en un 61N o 1!1 m como má
fin de evitar remansos aguas arriba, las perdidas totales computadas se incrementan en 21N!



En el dise*o de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón, este ligeramente deba)o de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el dise*o se toma 2!6 veces la carga de velocidad del sifón o 2!2 como mínimo o también ;;!



En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drena)e del tubo para su inspección y mantenimiento! 15






En sifones largos ba)o ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere a flu)o parcial o flu)o lleno, con un coeficiente de fricción menor que el asumido en el dise*o, por esta razón se recomienda usar n 7 1!11A! ?uando se calculan las pérdidas de energía!



?on la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse!



?uando el sifón, cruza deba)o de una quebrada, es necesario conocer el gasto má
+.; Dis#)o $idrulico d#l si&ón in"#rtido: El desnivel entre las gradientes de energía en la entrada y la salida algunas veces se predetermina y en otras será igual a la suma de todas las pérdidas producidas en el contorno! "as pérdidas de carga importantes son: a! En la transición de entrada y salida b! %erdida re)illa de ingreso y salida c! %or fricción en transiciones d! %or fricción en el sifón e! En los codos o cambios de dirección f! %or cambio de sección en la salida! "a simbología a emplearse: : "ongitud transición de entrada : longitud transición de salida : longitud del sifón : velocidad del canal de entrada : elocidad del canal de salida : elocidad en el sifón : %endiente del sifón : %endiente del canal 16 Ing. Giovene Pérez Campomanes



: $celeración de la gravedad a! %erdidas de carga en las transiciones de entrada y salida: "as pérdidas de carga en las transiciones son:

Dond# : Ot : 1!2 en la transición de entrada Ot : 1!3 en la transición de salida b! %erdidas de carga en las re)illas:

&e calcula segn Pirsc#mer: De donde: Pr : coeficiente que depende de la forma de la re)a : ángulo que #ace la re)a con la #orizontal s : espesor de la re)a b : luz entre re)as

-ig! /0 1= se muestra el esquema de un sifón invertido




%ara re)illas completamente sumergidas se emplea la formula de ?reager:

Si#ndo:

Dond#: a%  área bruta de la estructura de re)illas an 7 área neta de paso entre re)illas 9 7 velocidad neta a través de re)illas! c. %erdida de carga en la entrada y salida:

D# dond#: # 7 pérdida de carga por entrada al conducto v 7 elocidad del agua en el barril Pe 7 ?oeficiente que depende de la forma de entrada

d. #rdida d# car%a d# &ricción #n #l si&ón:

.7 radio #idráulico " 7 longitud total del conducto v 7 velocidad del agua en el conducto & 7 pendiente de la línea de energía

#. #rdida d# car%a d#,ida a codos 4 cam,ios d# dir#cción:




: ángulo de refle
%ara entradas con arista completamente redondeada .5D 7 1,26 para entrada abocinada circular

2 1,6 1,3

1,2 1,11=

'abla /0!1= se muestra los coeficientes de entrada en las compuertas ubicadas en los sifones

&. #rdidas am'liación: segn 8orda la perdida de carga es:

&egn Arc$#r:

+.B Dis#)o d# un si&ón in"#rtido: Cn canal trapezoidal de anc#o de solera de 2m , talud 2, en la tierra(n71!136, esta trazado con una pendiente de 1!6 N y conduce un caudal de 2 m5s! En cierto tramo de su perfil longitudinal como se muestra en la figura! .ealizar el dise*o #idráulico del sifón invertido




. ractica diri%ida:

1. Dise*ar una alcantarilla similar a la que se muestra en la figura ad)unta, que permite el cruce del canal, con un camino y cuyos parámetros se indican! Datos del canal

datos de la alcantarilla para el cruce de un camino parcelario

I:1!A1 m5s

n: 1!12=

b: 1!A1 m

&:1!116 minimo

J: 2

"2:D o 6; minimo

n: 1!136

"3: =D o 6; minimo

&: 1!1116

$nc#o del camino: 4!11 m!

'alud de la orilla del camino: 2!6:2 "a elevación en $: 211!61 (de acuerdo al plano topográfico




2. ?alcular #idráulicamente la alcantarilla en el cruce del canal "a mora, con un camino parcelario, la pendiente del canal es de 6Q5oo, y que no es posible modificarlo, ni antes ni después del cruce, puesto que el canal ya está construido, además el lec#o y los taludes son de material pedregoso (canto rodado medio!

Caract#r=sticas d#l canal #n ti#rra: : =!6 m35s, ,: 3!6 m, n: 1!16, J: 2!6, K:

(. Cn canal trapezoidal de anc#o de solera de 2!3 m, talud 2, en tierra (n: 1!136, esta trazado con una pendiente de 2 o511, y conduce un caudal de 2!3 m5s! En cierto tramo de su perfil longitudinal como se muestra en la figura ad)unta, se tiene que construir un sifón invertido, se pide realizar el dise*o #idráulico del sifón invertidoR




Estructuras de Cruce

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