Resumen elaborado:

Ing. Teresa Velásquez Bejarano

Docente Principal del DRAT-FIA

Fuentes:

Fotografías de Proyectos del SUR del Perú.

Principios y aplicaciones del Drenaje. Diseño y Manejo de los sistemas de Drenaje. ILRI.

Manuales de Diseño cooperacion Peruano-Holandesa. ILACO.

Manual de Design of Small Dams y Small Canal Structures. Bureau of Reclamation. Manual Criterios de diseños de obras hidraulicas para la formulacion de proyectos hidraulicos multisectoriales y de afianzamiento hidrico. ANA.

CURSO Diseño Hidráulico y Estructural de Obras de Arte

CAIDAS

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA Departamento de Recursos Hídricos

CAIDAS

• Son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario efectuar cambios bruscos en la rasante de un 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 aguas abajo.

Interpretación de

fenómenos locales Ven Te Chow

FINALIDAD DE UNA CAIDA • La finalidad de una caída es conducir agua desde un determinado nivel

a uno mas bajo y disipar la energía generada por esta diferencia de niveles a través de una poza disipadora.

• Al efectuarse la caída pasa de un flujo Normal a un Flujo Supercritico para luego a través de la poza disipadora obtener nuevamente su estado de flujo Normal debido a la liberacion de energía a través del Salto Hidráulico y al suscitarse el choque de un flujo Supercritico con un flujo Normal.

ELEMENTOS DE UNA CAIDA

• TRANSICION DE ENTRADA-.Une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal con la sección de control de la caída.

• SECCION DE CONTROL-.Es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones criticas. O sea que se presentan el tirante critico, por lo que el flujo pasa de sub-crítico a supercrítico.

• CAIDA EN SI-.La cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada.

• POZA O COLCHON AMORTIGUADOR-.Es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía interna del agua al pie de la caída.

• TRANSICION DE SALIDA-.Une la poza de disipación con el canal aguas abajo

ENTRADA

SALIDA

POZA AMORTIGUADORA

CAIDA EN SI

SECCION

CONTROL

CAIDA

ALGUNAS VISTAS

DISEÑO DE UNA CAIDA

• La mayoría de obras hidráulicas con casos de desniveles que se suscitan en cortas distancias, opta por elegir caídas que pueden ser INCLINADAS o VERTICALES, su elección depende del terreno y la forma como se presenta la diferencia de nivel.

• Los Manuales nos dan una posibilidad de diseñar este tipo de caídas con 4 diferentes tipos de poza de disipación que pueden ser: la POZA SAF (Saint Antony Falls), o 3 TIPOS del USBR (US Bureau of Reclamation) II, III y IV

• Las caidas pueden considerar pozas con obstaculos o sin obstaculos, su eleccion depende de la velocidad del flujo al llegar a la misma.

• La teoría y formulas aplicadas son tratadas en las publicaciones:

Principios y aplicaciones del Drenaje. Diseño y Manejo de los sistemas de Drenaje. ILRI.

Manuales de Diseño cooperacion Peruano-Holandesa. ILACO.

Manual de Design of Small Dams y Small Canal Structures. Bureau of Reclamation.

DISEÑO DE UNA CAIDA

• La diferencia maxima de nivel entre el pelo libre del agua aguas arriba de la caida y aguas abajo ha sido determinada en 4.50 m.

• La estructura debe de tener suficiente seguridad contra la tubificacion y el deslizamiento.

• La informacion MINIMA para el diseño de una caida son las caracteristicas hidraulicas y elevaciones del fondo de los tramos del canal tanto aguas arriba como aguas debajo de la estructura proyectada, Perfil longitudinal del terreno del sitio proyectado para ubicar la estructura con informacion sobre el material de la cimentacion propia del estudio geologico e investigaciones geotecnicas.

• La ubicación de la estructura debe de considerar que el flujo de agua hacia la estructura sea lo mas uniforma posible, osea de preferencia seleccionar tramos rectos de suficiente longitud.

• Los criterios para diseñar una caida vertical y una incliunada son diferentes y seran tratados independientemente.

Criterios Hidráulicos en Caídas

Inclinadas

Fuente:

• Design of small dams. Bureau of Reclamation

• Design of small dams. Bureau of Reclamation

• Manuales de Diseño cooperacion Peruano-Holandesa. ILACO.

Criterios hidráulicos de una Caída Inclinada

• La diferencia maxima de nivel entre el pelo libre del agua aguas arriba de la caida y aguas abajo ha sido determinada en 4.50 m.

• SINAMOS, recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000 l/s x m de ancho, siempre se debe construir caídas inclinadas, además manifiesta que la ejecución de estas obras debe limitarse a caídas y caudales pequeños, principalmente en canales secundarios construidos en mampostería de piedra donde no se necesita ni obras de sostenimiento ni drenaje.

• Cuando el desnivel es ≤ 0.30 m y el caudal ≤ 300 l/s x m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.

• Limitaciones para el diseño:

. La pendiente del tramo sera de 1:3

. Longitud maxima del tramo recomendada en no mas de 13.50 m

. Altura de caida hasta 4.50 m

ENTRADA

CAIDA EN SI

SECCION CONTROL

SALIDA

POZA AMORTIGUADORA

CAIDA INCLINADA

B

B

D

D

A A

C

C

PROCEDIMIENTO DE CALCULO DE UNA

CAIDA INCLINADA

Cálculo Hidráulico

Se utilizará el método empleado por el Bureau of Reclamation.

1. Determinación de los niveles de energía antes y después de la caída. (F).

El C1 = El C0 + d0 + hv0, (Antes de la caida)

El C4 = El C3 + d3 + hv3,(Despue3s de la caida)

1 2

Antes de la caida

Despúes de la

caida

2. Determinación de la diferencia de niveles

de Energia (F).

F = El C1 – El C4, siendo El C1 = El C0 + d0 + hv0 y El C4 = El C3 + d3 + hv3

2 1

3. Determinación del caudal unitario (q)

q = 1.71 H 3/2 (m3/seg/metro de ancho)

H = do + hvo 4. Determinación del ancho de la caida

J = Q/ q

2 1

5. Determinación de la profundidad critica

yc

yc = (q2/g) 1/3 = 0.467 q2/3

q = Q/ J definitivo

2 1

6. Determinación de las profundidades

aguas arriba y1 y aguas abajo y2

VER TABLA “Perdida de Energía en saltos hidráulicos”

7. Elevacion del Pozo

El C2 = El C1 – ( hv1-d1)

8. Determinacion de la Longitud del

Pozo

Lp= 6 (d2- d1) o Lp = 4 d2

TABLA “Perdida de

Energía en saltos

hidráulicos”

H es la perdida de

energia total entre

1 y 2

1 2

Fuente: Design of small

canal structures. BUREAU

2 1

9. Determinacion del Bordo libre. En el

Pozo

Q v1 d1/A1

10. Determinacion de la Longitud de las

Transiciones de entrada y salida.

Ver Unidad Transiciones

Criterios Hidráulicos en Caídas

Vertical

Fuente:

• Design of small dams. Bureau of Reclamation.

• Design of smallcanal structures. Bureau of Reclamation.

• Hidraulica. Dominguez.

• Principios y aplicaciones del Drenaje. Diseño y Manejo de los sistemas de Drenaje. ILRI.

Criterios hidráulicos de una Caída Vertical

• Se construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1 m como máximo, sólo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores.

• SINAMOS, recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000 l/s x m de ancho, siempre se debe construir caídas inclinadas, además manifiesta que la ejecución de estas obras debe limitarse a caídas y caudales pequeños, principalmente en canales secundarios construidos en mampostería de piedra donde no se necesita ni obras de sostenimiento ni drenaje.

• Cuando el desnivel es ≤ 0.30 m y el caudal ≤ 300 l/s x m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.

• El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la formula para caudal unitario “q”, q = 1.48 H 3/2

• Siendo el caudal total:

(Formula de Weisbach)

μ = 0.50, B = ancho de caída

• La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte

sobre ella si se coloca un vertedero calibrado.

• Por debajo de la lámina vertiente en la caída se produce un depósito de agua

de altura yp, que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de

agua marche hacia abajo.

Criterios hidráulicos de una Caída Vertical

• Rand (1955) citado por ILRI (5) Pag. 209, encontró que la geometría del flujo de

agua en un salto vertical, puede calcularse con un error inferior al 5% por medio

de las siguientes funciones:

Criterios hidráulicos de una Caída Vertical

Criterios hidráulicos de una Caída Vertical

• Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara

indicada en la Figura mostrada, el cual se debe reemplazar para evitar la

cavitación o resonancias sobre toda la estructura.

• Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones

siguientes: a) Contracción lateral completa en cresta vertiente, disponiéndose

de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lámina

vertiente. b)Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en

m3/sxm de ancho de cresta de la caída, según ILRI (5) Pag. 210.

Criterios hidráulicos de una Caída Vertical

Contracción lateral completa en cresta vertiente

Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/sxm de

ancho de cresta de la caída, según ILRI (5) Pag. 210.

Criterios hidráulicos de una Caída Vertical

Criterios hidráulicos de una Caída Vertical con

obstáculos 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 agua abajo, a tal punto que puede considerarse

independiente del salto.

Criterios hidráulicos de una Caída Vertical con

obstáculos

Anchura y espaciamiento de los obstáculos = 0.4 Yc

Longitud mínima de la cubeta = Ld + 2.55 Yc

Ld = 4.30 D0.27H D= q2 / g h3 q= Q / B

Con contracciones laterales Q = C L H3/2 Puede asumir C= 2.2 como maximo

Donde:

B = Ancho de la caída, Q = Caudal en vertedero o caudal de la caída,

P = El mínimo valor de P, será la diferencia de energías aguas arriba de la cresta y en la cresta

donde se produce Yc

h = Carga sobre cresta

Se calcula primeramente B, puesto que “Q” es el caudal en el canal y por lo tanto es ya conocido. La

anchura y espaciamiento entre los obstáculos será aproximadamente 0.4 Yc.

Criterios hidráulicos de una Caída Vertical con

gradas

Son caídas verticales continuas, que se proyectan para salvar desniveles abruptos

siendo recomendable no proyectar en este caso caídas o gradas con alturas

mayores de 0.80 m.

GRADAS DE BAJADA

ANTECEDIDAS Y

SEGUIDAS DE FLUJO

SUPERCRITICO

Y1/Yo Y1 tirante de flujo

supercrítico y a la vez es

el valor Yo aguas arriba

de la segunda grada.

Yo tirante de flujo

supercrítico y a la vez es

el valor Yo aguas arriba

de la segunda grada.

K= a/yc A altura de la grada

Yc Tirante critico

DISTANCIA ENTRE

GRADAS EN

FLUJO

SUPERCRITICO

D= d/Yc d ancho de la poza.

Yc tirante crítico

X1= Y1/yc Yc Tirante critico

POZAS DE DISIPACION

Fuente:

• Design of small dams. Bureau of Reclamation.

• Design of smallcanal structures. Bureau of Reclamation.

Pozas de Disipación

VISTA DE UN VERTEDERO UBICADO EN EL CAUCE DE UN

RIO CON POZA DE DISIPACION

Pozas de Disipación

Formas de salto Hidráulico y las pozas de disipación.

Y1/y2 = ½ (- 1 + (1+8Fr22) ½

Y2/y1 = ½ (- 1 + (1+8Fr12) ½

Lpoza= 6 (d2 –d1) Fr = v/ (gy) 1/2

Pozas de

Disipación

TANQUE SAF SAINT ANTONY FALLS

VERTEDEROS PEQUEÑOS, OBRAS DE DESCARGA DONDE:

Velocidades no son mayores de 15 a 18 m/seg

1.7 < F1 < 17 Fr = v/ (gy) 1/2

Pozas de

Disipación

TANQUE USBR II US BUREAU OF RECLAMATION

VERTEDEROS DE GRAN MAGNITUD, OBRAS DE DESCARGA DONDE:

Velocidades no son mayores de 15 a 18 m/seg F1 > 4.5

Fr = v/ (gy) 1/2

Pozas de

Disipacion

TANQUE USBR II US BUREAU OF RECLAMATION

VERTEDEROS DE GRAN MAGNITUD, OBRAS DE DESCARGA DONDE:

Velocidades no son mayores de 15 a 18 m/seg F1 > 4.5

Fr = v/ (gy) 1/2

Pozas de

Disipacion

TANQUE USBR III US BUREAU OF RECLAMATION

VERTEDEROS DE GRAN MAGNITUD, OBRAS DE DESCARGA DONDE:

Velocidades no son mayores de 15 a 18 m/seg F1 ≥ 4.5

Fr = v/ (gy) 1/2

Pozas de Disipacion

TANQUE USBR IV US BUREAU OF RECLAMATION

VERTEDEROS DE GRAN MAGNITUD, OBRAS DE DESCARGA DONDE:

Velocidades son menores de 15 m/seg 2.5 < F1 < 4.5

Fr = v/ (gy) 1/2

Tipo de Paso

para suprimir

ondas

EJEMPLO CAIDA VERTICAL

Datos:

Desnivel = Δz = 1 m

Características del canal aguas arriba y aguas abajo Q = 2 m3/s, Q = 2 m3/s

S = 1 o/oo, S = 0.7 o/oo

n = 0.015, n = 0.015

Z = 1 (Talud), Z = 1 (talud)

b = 1.0 m, b = 1.0 m

Y = 0.85 m, Y = 0.935 m

A = 1.57 m2, A = 1.81 m2

V = 1.27 m/s, V = 1.1 m/s

H = 0.85 + 0.082 = 0.932m

H = 0.997 m

ρa/ρw = aproximadamente 1/830 para aire a 20ºC

Ke = Coeficiente de perdida de entrada (Usar Ke= 0.5)

Kb = coeficiente de perdida por curvatura (Usar Kb=1.1)

Kex = Coeficiente de pérdida por salida (Usar Kex=1.0)

(P/ρg) = Baja presión permisible debajo de la lámina

vertiente, en metros de columna de agua. (Se puede

suponer un valor de 0.04 m de columna de agua)

0.04

PLANOS DE UNA

CAIDA VERTICAL

CAIDA VERTICAL

CAIDA VERTICAL

CAIDA VERTICAL

CAIDA VERTICAL

PLANOS DE UNA

CAIDA INCLINADA

CAIDA INCLINADA

CAIDA INCLINADA

PLANOS DE UNA CAIDA INCLINADA Fuente: Manual de Design of Small Dams y Small Canal Structures. Bureau of Reclamation.

PLANOS DE UNA CAIDA INCLINADA Fuente: Manual de Design of Small Dams y Small Canal Structures. Bureau of Reclamation.

Refuerzo para

Piso de la

Poza

Fuente: Manual Small Canal Structures. Bureau of Reclamation.

Refuerzo para

Piso de la

Poza

Fuente: Manual Small Canal Structures. Bureau of Reclamation.

GRACIAS POR SU ATENCION tvelasquez@lamolina.edu.pe

velasquezbejarano@yahoo.es