UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTAFACULTAD DE INGENIERA2.1E.A.P. DE INGENIERA CIVILCURSO : ESTRUCTURAS HIDRAULICAS TEMA : DISEO DE TOMAS LATERALES DOCENTE : ING. HUGO ROJAS RUBIOPERNDICEPAG. 1 2 3 3INTRODUCCIN OBJETIVOS I.- TOMAS LATERALES NO TUBULARES: 1.1 CRITERIOS GENERALES DEL DISEO HIDRAULICO 1.2 PERDIDAS DE CARGA EN TOMA DE PARED DELGADA 1.2.1 PERDIDASPOR DERIVACION 1.2.1 PERDIDAS POR COMPUERTAS II.- TOMAS LATERALES TUBULARES 2.2DEFINICION 2.2 CONSIDERACIONES HIDRULICAS 2.3 CALCULOS HIDRAULICOS III .- DISEO DE LA TOMA N 1 DEL CANAL LATERAL I-1 3.1 DISEO HIDRAULICO DE AL TOMA CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS4 5 8 8 9 9 16 19 41 42 43INTRODUCCINEn el presenta trabajo se ha elaborado el diseo de tomas lateralesnotubulares, el propsito de este tema es considerar las principales alternativasutilizadas para derivar un determinado caudal de agua de un canal principal a unsecundario, y finalmente para el riego en las Parcelas. Generalmente su capacidad guarda relacin con el concepto de concentracin de riesgo y extensin del rea de riego que domina el lateral, veremos aqu las consideraciones que debemos tener en cuenta para el diseo hidrulico tomas laterales.OBJETIVOS . Determinar la prdida de carga en la toma. Calcular el gasto quepor esa toma. Identificar el tipo de riego, para obtener su mdulo de riego. Determinar la capacidad portante del suelo. Saber el coeficiente de rugosidad segn eltipo de material a que va a ser construido. Determinar el coeficiente en la entrada segn la forma de la entrada. Determinar la carga de velocidad.DISEO HIDRAULICO DE UNA TOMA LATERALI.- TOMAS LATERALES NO TUBULARES: 1.1CRITERIOS GENERALES DEL DISEO HIDRAULICO: Las tomas generales se disearan de acuerdo a las condiciones topogrficas que presente la rasante del canal alimentador y el canal derivado, tambin se har el estudio de las perdidas de carga ya que el conocimiento de ellas n os permite calcular los niveles de energa, muy importante para el Dimensionamiento de lasa Estructuras Hidrulicas. Las perdidas de carga se expresan en : h= k v2 2gdonde k es el coeficiente de perdida cuya dificultad es escogerle un valor, nosotros escogeremos el mas apropiado de los que estudiosos recomiendan, cabe destacar que los valores de k son obtenidos experimentalmente y llevados a la practica en fenmenos similares. 1.2 PERDIDAS DE CARGA EN TOMA DE PARED DELGADA:CANAL ALIMENTADOR90Q (1)Borde de entrada (2) =90(1) (2)(3) (4)(3) (4)Prdidas que comnmente se originan en tomas:A) ENTRE SECCIONES 1.1 Y 2.2 (Pd) Perdidas por derivacin en bordes de entrada. B)ENTRE SECCIONES 2.2 Y 3.3 (Pr) Perdidas por rejillas. C) ENTRE SECCIONES 3.3 Y4.4 (Pp) Perdidas por machn o pilar. D) ENTRE SECCIONES 4.4 Y 5.5 (Pc) Perdidas por compuertas. Generalmente para nuestros diseos consideramos las perdidas en A)y D); pues las otras tienen mnima incidencia en el diseo, por lo que al hacer el balance de energa (Ecuacin de Bernoulli) entre las secciones 1.1 y 5.5 tendremos :E1 = E5 + Pd + Pc1.2.1 PERDIDAS POR DERIVACION: Segn Ven Te Chow, este fenmeno es complicado por las diferentes variables que en el interviene, a continuacin se presenta algunos valores del coeficiente (Kd), para ngulo de derivacin 90. TABLA: COEFICIENTES PARA DETERMINAR PERDIDAS POR DERIVACION =90 Q QO Q Kd 0.65 a 0.75 0.87 0.75 a 0.80 0.88 0.80 a 0.85 0.89 0.85 a 0.95 0.90 0.95 a 0.98 0.96Donde : Pd = Kd v2 2gKd = Coeficiente de perdida en la derivacin v = Velocidad corresponde al canal alimentador Las perdidas por bordes de entrada no se tomaran en cuenta por no tener significancia. 1.2.2 PERDIDAS POR COMPUERTAS:(Pc)Tomando en consideracin los experimentos realizados al respecto se hace un anlisisde dicha situacin, donde se ha tratado de resumir el fenmeno, teniendo en cuentalas conclusiones respectivas. ANALISIS DEL FLUJO EN LA COMPUERTA DEL FONDOH1 = Energa total en las inmediaciones de la compuerta. Cuando : Q= Y1 a1< 1.4 , se emplea formula de orificio con poca carga (no hay resalto) (I)3 3 2 Cd 2 g b( H1 2 H 2 2 ) 3Cuando :Y1 > 1.4 , se emplea formula de orificio sumergido a ( II )Q = Cd ab 2gH 0 En ambos casos se tiene : Cd = Coeficiente de descargaY1 = Altura de agua antes de compuerta Ys = Altura de inmersin hs = Diferencia deniveles ates y despus de la compuerta a b l1 = Altura de la abertura = Ancho dela abertura = Distancia de la compuerta a la que ocurre Y2Cc = Coeficiente de contraccinE= Perdida de carga en el resaltoY3 = Tirante conjugado (sub critico) de Y2 l2 = Longitud de resaltoH 0 = H1 Y2 descarga libre H 0 = H1 Y5 descarga sumergida c = Perdida de carga por compuerta El coeficiente de contraccin y de descarga depende de la relacin a Y, segn 1 VEDERNICOV;para encontrar : Cd , Y5 , Y3 , Y2 , E, c , l se usan las relaciones siguientes : Cd = Cc 1 + Cc a Y1Y Y3 = 2 + 2 Y5 = Y32 g 2 Y22 + gY2 4 Y3 Y21 + 2 F3 (1 + Y2 = axCcE=(Y3 Y2 )3 Y2Y3 a Ccl1 =l2 = A(Y3 Y2 ) Segn Sien Chi Respecto al comportamiento Hidrulico del salto despusde la compuerta, se presentan tres alternativas : 1. Cuando el tirante del canal aguas abajo de Y3 es mayor a Y3 , en este caso el salto se correr hacia aguas arriba chocando con la compuerta y ahogando el orificio, se dice que la descargaes sumergida. 2. Cuando el tirante del canal aguas abajo de Y3 es igual a Y3 ,en este caso el salto ocurrir inmediatamente de Y2 , este es el caso ideal para evitar la erosin, la descarga es libre.3. Cuando el tirante del canal aguas abajo de Y3 es menor a Y3 , en este caso el salto es repelido desde el lecho y correra hacia aguas abajo causando fuerte erosin, este tipo de salto deber evitarse en el diseo, la descarga es libre. Cuandola descarga es libre a la salida de la compuerta, la ecuacin II toma la siguienteforma: Q = Cd ab 2 gH 0 = Cd ab 2 g ( H1 Y2v2Q = Cd ab 2 g2 + cIIIdescarga es sumergida o ahogada, la misma ecuacin II se transforma en: Q = Cd ab2 gH 0 = Cd ab 2 g ( H1 Y5 IV Por otro lado se tiene para descarga libre (EcuacinII). Q = Cd ab 2gH 0 Q = Cd ab Q = v A Donde: v= C ab 2 gH 0 Q Q = = d A ab ab 2gH 0aCOMPUERTAcanalA = ab (Abertura de compuerta) a = altura de abertura b = ancho de abertura A= rea v2 = Cd 2gH 0 v=2 1 v2 x 2 Cd 2 gH 0 = H1 Y22 v2 Como en este caso H 0 es la suma de la carga de velocidad 2, ms las prdidas ,2gtendremos: (ver III).2 2 v2 1 v2 H0 = + c = x ; c = Perdida de carga por compuerta. 2 2g Cd 2 g2Luego: la perdida de carga por compuerta Pc ser c2 1 v2 c = ( 2 1) x Cd 2gII. TOMAS LATERALES TUBULARES: 2.1 DEFINICION: Las obras de tomas para canales(o reguladores de cabeceras, Fig. 01), son dispositivos hidrulicos construidos enla cabecera de un canal de riego. La finalidad de esos dispositivos es derivary regular el agua procedente del canal principal a los laterales o de estos a los sub laterales y de estos ltimos a los ramales. Estas obras pueden servir tambinpara medir la cantidad de agua que circula por ellas. Para obtener una medicin exacta del caudal a derivar, stas tomas se disean dobles, es decir, se utilizan dosbateras de compuerta; la primera denominada compuerta de orificio y la segunda compuerta de toma y entre ellas un espacio que acta como cmara de regulacin (Fig. 02). Para canales pequeos y considerando el aspecto econmico, se utiliza tomas con uncompuerta con la cual la medicin del caudal no ser muy exacta pero si bastante aproximada.Compuerta del orificio (Controla el caudal)Compuerta de salida (Controla la Sumercion)EscalasFigura 02: Toma con doble compuerta2.2 CONSIDERACIONES HIDRULICAS: En una red de riego, en especial en los canales secundarios o terciarios, las tomas se instalan normales al canal alimentado, loque facilita la construccin de la estructura.Generalmente se utilizan compuertas cuadradas las que se acoplan a una tubera. Las dimensiones d e las compuertas, son iguales al dimetro de la tubera y esta tendruna longitud variable dependiendo del caso especifico, por ejemplo cuando la toma tenga que atravesar una carretera o cualquier estructura, se puede fijar una longitud de 5m para permitir un sobre ancho de la berma del canal en el sitio detoma por razones de operacin. 2.3 CALCULOS HIDRAULICOS: 1.Ecuacin de la prdida de carga total (h): Aplicando la ecuacin de Bernoulli en las ecuaciones 1 (entrada alconducto), 2(salida), y considerando como nivel de referencia al eje del conducto (fig. 03), se tiene:SLA Canalh H1 Y1 H2SLA Salida de TomaY2Canal LateralL 1 2Canal PrincipalFigura 03: Toma lateral.2 2H1 + Ya que v1 = 0, se tiene:v1 v = H2 + 2 + 2g 2gh1 2v H1 = H 2 + 2 + 2g2h1 2v H1 H 2 = 2 + 2g De la fig. 03:2h1 2h = H1 H2h=Donde:v2 + 2g2h1 2 (1)H = Carga total, diferencia de altura entre la superficie libre de agua en el canal principal y el canal lateral. v2 2g2= Carga de velocidad en el conducto.h1 2 = sumatoria de perdidas entre los puntos 1 y 2.En la sumatoria de prdidas se tienen que considerar; perdida de carga por entrada(he), perdida de carga por friccin (hf) y perdida de carga por salida (hs), siendo esta ultima despreciable, por lo cual se tiene:a.h1 2 = h e + h f (2)Las perdidas de entrada se calculan por la siguiente relacin:2v he = Ke 2 2g Donde: V2 = Velocidad de la tubera (3)Ke = Coeficiente que depende de la forma de la entrada (tabla 1)Tabla 1 Valores de Ke FORMA DE ENTRADA Compuerta en pared delgada contraccin suprimida en los lado y en el fondo Ke 1.00Tubo entrante Entrada con arista en ngulo recto Entrada con arista ligeramente redondeada Entrada con arista completamente redondeada r/D = 0.15 Entrada abocinada circular b. Las prdidas por friccin se calcula con la ecuacin: hf = SE L Donde:L SE = Longitud de la tubera = Pendiente de la lnea de energa.0.78 0.50 0.23 0.10 0.004La ecuacin de Manning establece que: 1 23 12 R S n2v= De donde:vnS =23RPara el caso que una tubera trabaje llena: D 4R= Entonces se tiene:44 3 v n L hf = D4 3 44 3 n L v2 hf = * 2g * D4 3 2g hf = 124.579n L v 2 * D4 32g (4)Sustituyendo (3) y (4) en (2), resulta:h1 2v2 124.579n 2Lv 2 = Ke + 2g D1.333 * 2g22 (5)Reemplazando (5) en (1), se obtiene:2 2 2v2 v2 124.5n 2 L v 2 h= + Ke + 2g 2g D1.333 2g2 124.5n 2 Lv 2 h =1 + Ke +D1.333Haciendo: v2coeficienteo, es decir,.028 1.33322g= hv 2g Adems considerando que se trata de una tubera de concreto conde rugosidad n = 0.015 y que existe entrada con arista en ngulo rectKe = 0.5, se tiene:124.5n 2Lhv h =1 + 0.5 +D1.333Lh v D (6)Que es la expresin para la carga total. 3.Dimetro (d) y rea (a) del conducto: Aplicando la ecuacin de la continuidad Q=vA De otro lado:A =Q/v12 (7) D2 A= 44AD= (8)Para los clculos, con el dato del caudal Q y suoniendo V = 1.07 m/s de la ecuacin(7) se encuentra A; con la ecuacin (8) se determina D, este valor seredondea de acuerdo al dimetro suerior inmediato que ofrece los fabricantes. Conesta valor se recalcula A y osteriormente v. 4.Sumergenca a la entrada (Sme): Puedeusarse cualquiera de los siguientes criterios: Sme = D Sme = 1.78 hv + 0.0762 m5.Sumergencia a la salida (Sms): Sms = 0.0762 m 6.Ancho de la caja de entrada ala toma (B) B = D + 0.305 7.Carga en la caja (h) Se calcula como un vertedero de ared delgada. Q = 1.84Bh2 3 (9) (10) (11) (12)PROCEDIMIENTO DE CLCULO: El diseo de la toma lateral imlica dar dimensiones a latubera (dimetro y longitud), calcula la velocidad en el conducto, las dimensionesde la caja, la sumergencia a la entrada y salida, las dimensiones de la transiciny las cotas de fondo corresondientes, conforme se indica en la fig. 04.Tubo Resiradero SLAC Sme B A C 4" B D D 5 min erd SLAL h Sm = 3" E 4 : 1 maxY2Y1 Cota fondo CanalFig. 04 Elementos de una toma lateral. El U.S. Bureau of Reclamation roorcionaciertas recomendaciones ara el diseo, del cual se ha adatado el siguiente roceso de clculo. 1.- Acetar la recomendacin ara la velocidad del conducto v = 1.07m/s ara iniciar clculos. 2.- Calcular el rea A = Q/v 3.- Calcular el dimetro de la tubera D2 A= 4 mercado. 5.- Recalcular el rea. A= 6.- Recalcular la velocidad v=Q/A D2 4 ==> D= 4 A4.- Redondear el dimetro a uno suerior inmediato que se encuentre disonible enel7.- Calcular la carga de velocidad en la tubera.v hv = 2 2g 8.- Calcular la carga total h.29. Calcular la sumergencia en la entrada (Sme). Sme = 1.78 hv + 0.25 pies Sme =1.78 v + 0.0762 m 10. Calcula la suemergencia en la salida (Sms). Sms = 0.0762m 11. Calcular los lados de la caja de entrada. b = D + 0.305 m 12. Calcularla carga en la caja. Q = 1.846h 13. Calcular cotas. SLAC = Cota de fondo del canal + y1 Cota A = SLAC Sme D Cota B = SLAC Sme D Cota B = Cota B + D Cota C = Cota B 4 pulg = Cota B 0.1016 m SLAC = SLAC h Cota D = SLAL Sms D Cota E = SLAL y14. Calcular la longitud de salida Lmim =1.525 De acuerdo a Hinds: L= Donde: TD 2Tg 22.5 (5)3 2(3)(D + 1)==>Q23h=1.486T = Espejo de agua en el canal lateral. D = Dimetro de la tubera. 15. Calcular eltalud de la transicin de salida III . DISEO DE LA TOMA N 1 DEL CANAL LATERAL I1TOMA N 1 Canal alimentador (o principal) Ubicacin de la toma Canal derivado (o lateral) Condiciones topogrficas Las condiciones topogrficas a considerar para el diseo de la toma, son las cotas de la rasante del canal alimentador y del derivado ainmediaciones de la ubicacin de la toma; as como mostramos en el siguiente esquema. : I1 : Km. 0 + 080 : I 1.1CANAL I 1.1=CANAL ALIMENTADOR I 1CANAL I 1.2PLANTARAZ. CANAL I 1.1ELEVACIONCaractersticas Hidrulicas: Canal Alimentador ( I 1 ) A inmediaciones de la toma3 Q = 1.38 m segS = 0.0005 n = 0.015 z = 1.00 b = 0.75 m Y = 0.95 m A = 1.62 m 2 v = 0.85 m segF = 0.348 Grafico:Canal Derivado ( I 1.1 )3 Q = 0.09 m segS = 0.0005 n = 0.015 z = 1.00 b = 0.50 m Y = 0.30 m A = 0.24 m 2 v = 0.38 m segGrafico:Seccin rectangular de toma3 Q = 0.09 m segS = 0.0005 n = 0.015 z = 0.00 b = 0.50 m * Y=? A=? v=? Grafico :*Hemos asumido en la seccin rectangular una toma b = 0.50 m, por ser un ancho recomendado en el proceso constructivo. Los dems valores lo calcularemos segn los niveles de energa que nos resulte al considerar las perdidas de carga en el diseo hidrulico de la toma. 3.1 DISEO HIDRAULICO DE AL TOMA:Calculo hidrulico de la toma : Grfico:Eo=23.299 E1=23.263 Ho=0.986 0.036 0.003Yo=0.950Y1=0.652 Z1=0.30Y2Y=0.30Niveles de energa: H 0 = Y0 + H1 = Y1 +2 v0 2g 2 v1 2gAnalizaremos seccin por seccin para ver el comportamiento y los niveles de flujo alrededor de la toma. SECCION 0: Seccin que corresponde al eje del canal alimentador. 2 v0 0.852 = = 0.036m Carga de velocidad = 2g 2 x9.81 2 v0 = 0.987m 2gAltura de energa especifica H 0 = Y0 + Nivel de energa:E0 = 22.13 + H 0 = 22.13 + 0.987 E0 = 23.30Numero de Fraude: F = F = Q 2T = gA3 1.382 x 2.65 9.81x1.625.046 = 0.348 41.704 F = 0.348 < 1( flujo subcritico lento calmado) SECCION 1: Seccin que corresponde a las inmediaciones de la compuerta, entre esta y la seccin0 existen perdidas por derivacin PERDIDAS POR DERIVACION: Pd = Kd v2 2gKd = Coeficiente de perdida en la derivacin = ? v = Velocidad corresponde al canal alimentador v0 = 0.85 m seg = Angulo de derivacin = 90( g = 9.81m seg )2Por aspectos tericos de construccin (facilitar clculos), se le hace toma perpendicular al canal alimentador y segn tabla : Q Qa 1.38 0.09 = = 0.94 . Kd = 0.90 Q 1.38emplazando valores: Pd = 0.90 x Pd = 0.033 Balance Energia entre las secciones 0y bernoulli H0 = Z1 + H1 + Pd hallando H1 , E1 Z1= 0.30 , H0 = 0.986 , Pd = 0.033 Reemplazando tenemos : H1 = H0 (Z1 + Pd) =0.986(0.30+0.033) = 0.653 E1 = Z1+H1 +22.313 0.852 2 x9.81Donde H1 = 0.654, entonces E1 = 23.263 Caudal ue pasa por debajo de la compuerta Q= 0.09 Grafico:Si b=0.50 Entonces: A1=b Y1 A1=0.50Y1 , Q=0.09 ; , V1=0.09/(0.50 Y1)=0.18/Y1 ; g=9.81 m/seg2 V1=Q/A1=0.09/0.5Y1 V21=0.032/Y21 V21/2g=0.002/Y21 V21/2g=0.032/(2gY21)Energa Especifica: Calculados en el paso anterior :H1=0.654 H1=Y1+V21/2g =Y1+0.002Y21 Reemplazamos el valor H1 0.654=Y1+0.002Y21 ,Y1=0.652 Reemplazando Y1 en A1=b Y1 Donde A1=0.5X0.652=0.326 A1=0.5Y1=0.326 ,Q=AV , V1=0.09/0.5Y1=0.276 Luego tenemos : Y1=0.652 b 1=0.50 T1=0.50 A1=0.326 V1=0.276 Q=0.09 Despejando Y1 TenemosRelacin Carga Orificio:Y/a1Vamos asumir un valor para el orificio teniendo en cuenta el tirante ue en condiciones normales presento el canal derivado (I1.1) sea (Y=0.30) adems el valor asumido tiene ue ser menor ue Y1 para aplicar la formula del orificio sumergido.Asumiendo : a =2/3Y Canal Derivador a=2/(3x0.30)=0.20Luego : Y1/a =0.652/0.20=3.26>1.4Emplearemos la formula de orificio sumergido : Q=Cd a x b 2g H0 Pero antes calculamos : Coeficiente de Contraccin Tenemos Entonces : : Y1/a =3.26 a/Y1=0.306 (Cc)Y1 > 1.40Con este valor entramos a la tabla de coeficiente de contraccin: Cc=0.625 Cabe anotar ue con referencia a los valores de los coeficientes de contraccin, las investigaciones experimentales ue se han realizado no llevan a los resultados coincidentes , de ah ue ciertos investigadores (SOTELO) recomiendan usar indistintamente para orificios con descarga libre y sumergida el mismo coeficiente de descarga ( Cd).Segn krochin el valor Cd varia del 99% al 95% del Cc Coeficiente de descarga (Cd)Segn Vedernicov: Cd=Cc / ( 1+Cc a /Y1) Cd=0.625/( 1+0.625x0.306) = 0.573Segn krochin : Cd =< 9995 > % Cc 99% 95% Cd =0.618 Cd =0.593 0.573 90 lt / seg. ( caudal ue ingresa por la compuerta) Elcaudal por la compuerta calculado (141 lt / seg.) es mayor ue el reuerido (90lt/seg) en 51 lt / seg. ; este exceso puede soportarlo el canal derivado por sumargen de borde libre ( con unos 5 cm. mas de tirante el caudal de exceso puedeser soportar);sin embargo estos 51 lt / seg. , baja el caudal aguas abajo del canal alimentador perjudicando su capacidad alimentadora para los posteriores canales sublaterales. Este exceso es debido, ue al comienzo estimamos la profundidad del orificio (a= 0.20) y al llegar a los resultados el caudal de captacin estapor encima del reuerido. Ahora para ue el caudal baje, seguimos el siguienterazonamiento: ver formulasSU BE B A JAaCcY2A2V2F2Y3Y5QEntonces, ue para bajar el caudal de captacin, el orificio se tendra ue reducir.Vamos a empezar los clculos con los mismos criterios anteriores pero en forma simplificada. Estimamos a = 0.15 a =0.15 a / Y1 = 0.23, C c = 0.620 Y1 = 0.652 Y1/a =0.652/ 0.15=4.34 Relacin orificio: cargaCd =0.580 ( el menor) Seccin :2 0.10Y2= a x C c = 0.09A2 = b 2 x Y 2 = 0. 50 x 0.10 = 0.05 V2= Q / A = 0.09 / 0.05 = 1.80 F 2 = V2 / gY2 = 1.817 H2 = Y2 + V22 E2 = 22.878 Seccin 3 Y3 / Y2 = 2.25 Monograma / 2 g = 0.265F2 = 1.8170 Y3 = 0.23 b 3= 0.50 A3= 0.12 V3 =0.75 F3 = 0.499 H3= 0.259 E3=22.872Como Y3 < Yn ( 0.23 < 0.30) Descarga Sumergida o Ahogada Ys = 0.37