Capitulo Vii Estructuras Hidraulicas en Canales

CURSO: MECANICA DE FLUIDOS II CAPITULO: VII ESTRUCTURAS HIDRAULICAS EN CANALES

Msc Ing. Abel A. Muñiz Paucarmayta Página 1

CAPITULO VII

ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS EN CANALES

7.1 GENERALIDADES.

Las estructura hidráulicas son las obras de ingeniería necesarias para lograr el aprovechamiento de

los recursos hídricos y controlar su acción destructiva. Trabajan en la mayoría de los casos en

combinación con elementos y equipos mecánicos. Se construyen en beneficio del hombre y el

desarrollo de la humanidad.

Un nudo hidráulico es el conjunto de estructuras hidráulicas localizadas en un sitio y trabajando

interconectada mente.

Al proyectar una obra hidráulica se debe buscar en lo posible que su utilización sea de uso múltiple

para beneficiar varios sectores de la economía, entre los cuales están:

1. Hidroenergía: utilización de la energía de las aguas fluviales o marítimas.

2. Transporte acuático: utilización de las aguas fluviales, de lagos y mares para la navegación y

flotación de madera.

3. Mejoramiento hídrico: utilización de aguas para irrigación de tierras y para la extracción de aguas

excesivas de tierras sobresaturadas.

4. Suministro de agua para el consumo humano

5. Control de avenidas e inundaciones

6. Recreación

7. Utilización de otras reservas hídricas: cría de peces, extracción de minerales, sales, algas, etc.

8. Control de contaminación ambiental

El ingeniero hidráulico tiene entre otros, los siguientes objetivos:

Proyectar, diseñar, calcular y construir obras hidráulicas económicas y seguras.

Transformar y regular el régimen natural de la fuente de agua: río, lago, mar, aguas

subterráneas.

Crear depósitos y corrientes artificiales de agua: embalses, conducciones.

Crear equipos o estructuras especializadas: esclusas de navegación, edificios de centrales

hidroeléctricas, estaciones de bombeo, elevadores de peces, etc.

Considerar los efectos desfavorables y los cambios ambientales que puedan generarse por la

construcción de obras hidráulicas de forma que se prevean las medidas necesarias para

contrarrestarlos.

Las estructuras aquí descritas se utilizan solo para caudales de hasta 2,830 lps pero los principios de

su diseño son aplicables a estructuras de mayor capacidad.

En este capitulo se tratara de algunas estructuras hidráulicas de protección, tales como: las rápidas

y las caídas.

7.2 CLASIFICACION DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS.

ESTRUCTURAS DE CONDUCCION.



Son estructuras alineadas en el canal que se construyen para salvar singularidades naturales del

terreno u obras hechas por el hombre.

CRUCE DE VIA.

Conduce el agua del canal por debajo de una vía de carretera o ferrocarril. El conducto queda

constituido por una tubería recta que trabaja llena peso sin presión.

La alternativa a cruce de vía es un puente construido en la vía de carretera o ferrocarril, Para

caudales moderados se usa siempre cruce de vía.

FIGURA No 7.1

SIFON INVERTIDO

Conduce el agua del anal por debajo de una depresión natural del terreno o de otra estructura. El

conducto queda constituido por una tubería que trabaja a una cierta presión.

FIGURA No 7.2

FLUME.

Se denomina flume a todo canal corto. Es de sección rectangular y puede se apoyado elevado.

FLUME APOYADO.

Conduce el agua del canal en un tramo de ladera muy empinada, en un tramo de ladera con

desprendimiento de piedras o en el cruce de un centro poblado. En el primer caso puede ser

descubierto pero en los dos casos restantes tiene que ser necesariamente cubierto.



FIGURA No 7.3

En canales pequeños la alternativa es una tubería enterrada que fluye parcialmente llena.

FLUME ELEVADO.

Conduce el agua por encima de una depresión del terreno o de otra estructura. Unas veces se

apoya en un puente construido ex profeso; otras veces se diseña estructuralmente para que se

soporte a si mismo (puente canal).

FIGURA No 7.4

La decisión entre sifón invertido y flume elevado se toma en base a consideraciones económicas

CAIDA

CAIDA VERTICAL.

Se usa en desniveles de hasta 1 m pero cien por ciento abruptos.

FIGURA No 7.5



CAIDA RECTANGULAR INCLINADA.

Se usa en desniveles comprendidos entre 1 m y 4.50 m y caudales relativamente grandes.

FIGURA No 7.6

CAIDA ENTUBADA.

Se usa en desniveles comprendidos entre 1 m y 4.50m y caudales relativamente pequeños. Tiene la

ventaja de permitir el uso del terreno en la superficie.

FIGURA No 7.7

CAIDA DENTADA.

Se usa en desniveles mayores de 4.50 m que tiene lugar en distancias horizontales relativamente

cortas.

FIGURA No 7.8

CHUTE.

Conduce el agua del canal en desniveles mayores de 4.50m que tienen lugar en distancias

horizontales relativamente grandes.

CHUTE DE CANAL ABIERTO.

Se usa en caudales altos.



FIGURA No 7.9

CHUTE ENTUBADO.

Se usa en caudales pequeños. Tiene la ventaja d permitir el uso del terreno en la superficie.

FIGURA No 7.10

La alternativa a chute abierto consiste en emplear una serie de caídas verticales. El chute tiene un

costo inicial elevado y un costo de manteniendo bajo; en el juego de caídas verticales es al revés.

Por lo general se prefiere el chute.

ESTRUCTURAS DE REGULACION.

Regular el nivel del agua en el canal significa tenerlo relativamente alto a fin de facilitar la derivación

lateral de una parte del agua.

Regular un caudal significa dejar pasar la cantidad de agua que uno expresamente desea.

Las estructuras de regulación regulan niveles y/o gastos.

Tener los niveles y/o caudales regulados significa lo mismo que tenerlos controlados, pero no debe

confundir con el termino “control hidráulico” que es otra y que se explica en el apartado 7.2.

FIGURA No 7.11

REPRESA.



Se construye transversalmente al canal y consta de dos partes; una parte siempre fija constituida por

los muros a los costados y una parte:

A veces móvil, cuando se usa un dispositivo de regulación (compuertas deslizantes tablones o

agujas y vertederos graduables).

A veces fija, cuando se usa un dispositivo de control hidráulico (vertedero y escotadura trapezoidal

de control hidráulico).

FIGURA No 7.12

La represa se usa en un punto aislado del canal o antes de una estructura de conducción si una

desea tener ahí regulado el nivel y/o el gasto.

NOTA. Antes de la caídas y chutes se recomienda instalar como mínimo un dispositivo de control

hidráulico (vertedero o escotadura trapezoidal) a fin d evitar el embausamiento del agua.

REPRESA Y CAIDA.

Consiste de una represa construida antes de una caída. Aparte de su función reguladora, la represa

aquieta el agua antes de la caída con lo que se aminora el peligro de erosión.

FIGURA No 7.13

TOMA LATERAL.-

Se ubica en la pared del canal con el fin de derivar una parte del agua.



FIGURA No 7.14

PARTIDOR.

Se usa para dividir el gasto total en dos o más gastos parciales que son guidos en las direcciones

deseadas.

FIGURA No 7.15

REPRESA A LA ENTRADA DE TUBERIA.

Se usa para derivar una parte del agua del canal antes que esta ingrese a una estructura de

conducción de tubería (cruce de via, sifón invertido, ciada entubada, chute entubado). Se emplean

compuertas deslizantes, agujas y vertederos graduales como elemento de regulación.

FIGURA No 7.16

ESCOTADURA DE CONTROL A LA ENTRADA DE TUBERIA.

Se usa de manera similar a la estructura anterior pero sobre todo antes de caída entubada y chute

entubado es decir tuberías de fuerte inclinación. En vez de escotaduras se emplean a veces



vertederos. Las escotaduras trapezoidales y los vertederos son elementos de control hidráulico que

sobre todo impiden empalamiento del agua.

FIGURA No 7.17

ESTRUCTURAS DE PROTECCION

Son estructuras que tienen por objeto proteger el canal tanto interior como exteriormente.

ESTRUCTURA DE PROTECCION INTERIOR.-

Se usan para eliminar los excedentes e agua el canal provenientes de una mala operación de las

compuertas o de lluvias intensas. Se llaman desfogues y se clasifican así:

Aliviadero lateral

De alivia aliviadero de sifón

Desfogues

Desfogue lateral

De vaciado desfogue Terminal

El agua evacuada debe ser eliminada en forma segura por lo que cada estructura de estas consta

de: entrada, salida y canal de descarga. La descripción que sigue se refiere solo a la entrada.

ALIVIADERO LATERAL.

Se ubica en la pared del canal con la cresta paralela al eje del canal.

FIGURA No 7.18

ALIVIADERO DE SIFON.

Se usa cuando no hay espacio suficiente para la cresta del aliviadero lateral.



FIGURA No 7.19

DESFOGUE LATERAL.-

Esta constituido por una compuerta (deslizante o radial) en la pared del canal que en su oportunidad

se abre íntegramente para vaciar el canal. Ligeramente aguas abajo se instala una represa para

facilitar la evaluación.

FIGURA No 7.20

DESFOGUE TERMNAL.

Esta constituido por una compuerta deslizante en el extremo del canal que en su oportunidad se

abre íntegramente para vaciar el canal.

FIGURA No 7.21

ESTRUCTURAS DE PROTECCION EXTERIOR.

Se usan para eliminar las aguas de lluvia, del lado del cerro, transversalmente al canal.

SIFON INVERTIDO.

Se usa con bastante frecuencia porque lo usual es que la sección del canal quede en corte.



FIGURA No 7.22

ALCANTARILLA.

Se usa muy eventualmente, cuando la sección del canal queda en relleno.

FIGURA No 7.23

PASO SUPERIOR.

Se usa cuando el nivel del agua en el canal es bajo en relación al nivel del agua de lluvia por

eliminar. El paso superior puede consistir de un flume elevado o de una canoa.

El flume elevado puede ser de concreto o e tubería. La canoa es siempre de concreto.

FIGURA No 7.24

ENTRADA AL CANAL.

Se usa cuando el caudal de agua de lluvia es tan pequeño que el canal puede absorberlo. La

estructura en si puede ser de concreto o de tubería y la entrega del agua de lluvia se hace siempre

por encima del nivel de agua en el canal.



FIGURA No 7.25

ESTRUCTURA DE MEDICION

Permiten averiguar de una manera sencilla el caudal de agua que circula por el canal.

FLUME PARSHALL.

Es un conducto que consta de una entrada convergente, una garganta de ancho constante y una

salida divergente, el dimensionamiento se hace e modo que al pasar al agua por la garganta se

produzca escurrimiento critico.

FIGURA No 7.26

FLUME PARSHALL MODIFICADO.

Es un flume Parshall en el que la sección de salida se adecua a un perfil particular del canal,

generalmente un chute corto.

VERTEDERO.-



Consiste de una placa con una escotadura. La forma de la escotadura define el nombre del

vertedero. Los vertederos fueros estudiados en el apartado 5.1.

Los vertederos graduables tienen la escotadura variable, de manera que permiten medir un rango

más amplio de caudales con la misma precisión.

CAJA VERTEDORA.

Es una estructura, utilizada en combinación con una toma de tubería, que permite disipar el exceso

de energía del agua y medir el caudal en el canal derivado.

FIGURA No 7.27

MEDIDOR DE FLUJO ABIERTO.

Es dispositivo que tiene básicamente una rueda calibrada y que por lo general se instala a la salida

de una toma de tubería, en vez d caja vertedora.

ORIFICIO DE CARGA CONSTANTE.

Es una estructura que basa su funcionamiento en el principio general de los orificios y que se instala

en una toma, antes que el agua ingrese al cuerpo de la toma.

ESTRUCTURAS DE DISIPACION DE ENERGIA

Se usan para disipar el exceso de energía cinética que en ocasiones posee el agua circulante. Por

lo general forman parte de otras estructuras mayores, constituyendo el elemento disipador de tales

estructuras.

ESTRUCTURAS DE DISIPACION DE TIPO IMPACTO.

Dirigen el agua a una obstrucción de donde luego es desviada en todas las direcciones. De ese

modo se produce la disipación.

Caída Vertical.- Ya descrita como estructura de conducción.

Represa y Caída.- Ya descrita como estructura de regulación.

Caída dentada.- Ya descrita como estructura de conducción.



Salida con placa de choque

FIGURA No 7.28

Pozo disipador con válvula de manga

FIGURA No 7.29

ESTRUCTURA DE DISIPACION DE TIPO SALTO HIDRAULICO.-

El agua afluente, a gran velocidad, es forzada a un salto hidráulico. De ese modo se produce la

disipación.

TANQUE AMORTIGUADOR.

FIGURA No 7.30



CAIDA ENTUBADA.

Ya descrita como estructura de conducción.

7.3 DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS.

7.3.1 RÁPIDAS:

Las rápidas son estructuras que sirven para enlazar dos tramos de un canal donde existe un

desnivel considerable en una longitud relativamente corta. La decisión entre la utilización de una

rápida y una serie de caídas escalonadas está supeditada a un estudio económico comparativo.

a. ELEMENTOS DE UNA RAPIDA.

Los elementos de una rápida se muestran en la Fig. No 7.31, la cual está compuesta de:

FIG. No 7.31

ELEMENTOS DE UNA RÁPIDA

Transición de entrada: Une por medio de un estrechamiento progresivo la sesión del canal superior

con la sección de control.

Sección de control: Es la sección correspondiente al punto donde comienza la pendiente fuerte de

la rápida, manteniéndose en este punto las condiciones críticas. En la rápida generalmente se

mantiene una pendiente mayor que la necesaria para mantener el régimen crítico, por lo que el tipo

de flujo que se establece es el flujo supercrítico.

Canal de la rápida: Es la sección comprendida entre la sección de control y el principio de la

trayectoria. Puede tener de acuerdo a la configuración del terreno una o varias pendientes. Son

generalmente de sección rectangular o trapezoidal.

Trayectoria: Es la curva vertical parabólica que una la última pendiente de la rápida con el plano

inclinado del principio del colchón amortiguador. Debe diseñarse de modo que la corriente de agua

permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacíos. Si la trayectoria se calcula



con el valor de la aceleración de la gravedad como componente vertical, no habrá presión del agua

sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentará limitándose así la capacidad de

conducción del canal, por lo que se acostumbra usar como componente vertical un valor inferior a la

aceleración de la gravedad o incrementar el valor de la velocidad para que la lámina de agua se

adhiera al fondo del canal.

Tanque amortiguador, colchón disipador o poza de disipación: Es la depresión de profundidad y

longitud suficiente diseñada con el objetivo de absorber parte de la energía cinética generada en la

rápida, mediante la producción del resalto hidráulico, y contener este resalto hidráulico dentro de la

poza. Se ubica en el extremo inferior de la trayectoria.

Transición de salida: Tiene el objetivo de unir la poza de disipación con el canal aguas abajo.

Zona de protección: Con el fin de proteger el canal sobre todo si es en tierra, se puede revestir con

mampostería.

b. CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE UNA RAPIDA.

1. COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING

• En el cálculo de las características de flujo en una estructura de este tipo son usados

valores conservadores del coeficiente de rugosidad de MANNING “n” cuando se calcula

la altura de muros en una rápida de concreto, se asume valores de n=0.14 y en el cálculo

de niveles de energía valores de n=0.010.

• Para caudales mayores de 3 m3/s, deberá chequearse el número de Froude a lo largo

del tramo rápido, para evitar que el flujo no se despegue del fondo

2. TRANSICIONES.

Las transiciones en una rápida abierta, deben ser diseñadas para prevenir la formación de

ondas.

Para evitar la formación de ondas, la cotangente del ángulo de deflexión de la superficie de

agua en el plano de planta desarrollado de cada lado de una transición no debería ser menor

que 3.375 veces el número de FROUDE (F). Esta restricción sobre ángulos de deflexión se

aplicaría para cada cambio de sección hecha en la entrada, en el tramo inclinado o en la

poza disipadora. Si esta restricción no controla el ángulo de deflexión, el máximo ángulo de

deflexión de la superficie de agua en la transición de entrada puede ser aproximadamente

30°. El ángulo de la superficie de agua con el eje en la transición de salida puede ser

aproximadamente 25 ° como máximo. El máximo ángulo de deflexión es calculado como

sigue:

Cotang α = 3.375 F (Ec. 7.1)

Donde:



5.0)cos..)1(( dgK

VF

(Ec. 7.2)

Donde:

d : Tirante de agua normal al piso de la rápida usando d = Área de la sección / Ancho

superior de la sección.

g = Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg², o sea 32.2 pies/seg²).

K = Factor de aceleración, determinado abajo:

Con el piso de la transición en un plano, K = 0

Con el piso de la transición en una curva circular

cos

2

gR

VK (Ec. 7.3)

Con el piso de la transición en una curva parabólica:

t

vL

L

hK

)cos.2).tan((tan 0

2

0 (Ec. 7.4)

El Bureau of Reclamation limita el valor de K hasta un máximo de 0.5, para asegurar una

presión positiva sobre el piso. Puede ser usado el promedio de los valores de F en el inicio y

final de la transición.

En las ecuaciones (3) y (4):

hv = Carga de velocidad en el origen de la trayectoria (a).

Lt = Longitud de la trayectoria (m).

R = Radio de curvatura del piso (m).

V = Velocidad en el punto que está siendo considerado (m/seg).

θ = Angulo de la gradiente del piso en el punto que está siendo considerado.

θL

= Angulo de la gradiente del piso en el inicio de la trayectoria θ.

θo

= Angulo de la gradiente del piso en el final de la trayectoria L.

El ángulo acampanado y los anchos para varios puntos a lo largo de la transición pueden ser

calculados y trazados.

3. TRAMO INCLINADO.

La sección usual para una rápida abierta es rectangular, pero las características del flujo de

otras formas de sección, deben ser consideradas donde la supresión de ondas es una

importante parte del diseño. La economía y facilidad de construcción son siempre

consideradas en la elección de una sección. Cuando es necesario incrementar la resistencia

del tramo inclinado al deslizamiento, se usan (uñas) para mantener la estructura dentro de la

cimentación. Para rápidas menores de 9 m (30 ps) de longitud, la fricción en la rápida puede



ser despreciable. La ecuación de BERNOULLI es usada para calcular las variables de flujo al

final del tramo inclinado.

La ecuación:

vv hdZhd 21 (Ec. 7.5)

Es resuelta por tanteo. La distancia Z es el cambio en la elevación del piso. Para tramos

inclinados de longitud mayor que 9 m (30 ps), se incluyen las pérdidas por fricción y la

ecuación será:

fvv hhdZhd 21 (Ec. 7.6)

En las ecuaciones (7.5) y (7.6):

d1 = Tirante en el extremo aguas arriba del tramo (m).

hv1 = Carga de velocidad en el extremo aguas arriba del tramo (m).

d2 = Tirante en el extremo aguas abajo del tramo (m).

hv2 = Carga de velocidad en el extremo aguas abajo del tramo (m)

La cantidad ho es la pérdida por fricción en el tramo y es igual a la pendiente de fricción

promedio So en el tramo, multiplicando por la longitud del tramo L. El coeficiente n de

MANNING es asumido en 0.010. La pendiente de fricción Sf, en un punto del tramo inclinado

es calculado como:

3/4

22 .

R

VhS f (Ec. 7.7)

Donde:

R = Radio hidráulico del tramo inclinado (m) Usando la ecuación (7.5) o la (7.6), se asume d2

y se calcula y comparan los niveles de energía. Deben hacerse tanteos adicionales hasta

balancear los dos niveles de energía. Otra forma de la ecuación en que la fricción es

considerada es:

)(

))()(( 2211

SS

hdhdL

a

vv

(Ec. 7.8)

Donde:

Sa = Pendiente de fricción promedio

S = Pendiente de fondo del tramo inclinado.

Usando la ecuación (7.8), se usa un procedimiento, en el cual se asumen pequeños cambios

de energía y se calcula el correspondiente cambio en longitud. Este procedimiento es

repetido hasta que el total de los incrementos en longitud sea igual a la longitud del tramo

que esta siendo considerado. Mientras menor sea el incremento de longitud, mayor será la

precisión. La altura de los muros en el tramo inclinado de sección abierta seria igual al

máxima tirante calculado en la sección, mas un borde libre, o a 0.4 veces el tirante critico en

el tramo inclinado; mas el borde libre cualquiera que sea mayor. El borde libre mínimo

recomendado para tramos inclinados de rápidas en canales abiertos (con una capacidad <



2.8 m3/seg es 0.30 m) El tirante y borde libre son medidos perpendicularmente al piso del

tramo inclinado.

En velocidades mayores que 9 m/seg, el agua puede incrementar su volumen, debido al aire

incorporado que esta siendo conducido. El borde libre recomendado para los muros resultará

de suficiente altura para contener este volumen adicional.

4. TRAYECTORIA.

Cuando el disipador de energía es una poza, un corto tramo pronunciado debe conectar la

trayectoria con la poza disipadora. La pendiente de este tramo seria entre 1.5:1 y 3:1, con

una pendiente de 2:1 preferentemente. Pendientes más suaves pueden usarse en casos

especiales, pero no deben usarse pendientes más suaves que 6:1. Se requiere de una curva

vertical en el tramo inclinado y el tramo con pendiente pronunciada. Una curva parabólica

resultaría en un valor de k constante en la longitud de la curva y es generalmente usado.

Una trayectoria parabólica puede ser determinada con la siguiente ecuación:

T

L

L

xgggXY

2

)).tan((tantan.

2

0

0

(Ec.7.9)

Donde:

X = Distancia horizontal desde el origen hasta un punto sobre la trayectoria (m).

Y = Distancia vertical desde el origen hasta un punto X en la trayectoria. (m).

LT

= Longitud horizontal desde el origen hasta el fin de la trayectoria. (m).

Ѳo

= Angulo de inclinación del tramo inclinado al comienzo de la trayectoria.

ѲL

= Angulo de inclinación del tramo inclinado al final de la trayectoria.

Puede seleccionarse una longitud de trayectoria L

T, que resulte en un valor K = 0.5 o menos,

cuando es sustituida en la ecuación (4). La longitud LTes usada entonces en el calculo de Y,

usando la ecuación (7.9) En una poza disipadora el agua fluye desde el tramo corto de pendiente pronunciada a una

velocidad mayor que la velocidad critica. El cambio abrupto en la pendiente, donde la

pendiente suave del piso de la poza disipadora se une con el tramo corto de pendiente

pronunciada, fuerza al agua hacia un salto hidráulico y la energía es disipada en la

turbulencia resultante. La poza disipadora es dimensionada para contener el salto. Para que

una poza disipadora opere adecuadamente, el número de FROUDE debería estar entre 4.5 y

15, donde el agua ingresa a la poza disipadora. Si el número de FROUDE es

aproximadamente menor a 4.5 no ocurriría un salto hidráulico estable. Si el número de

FROUDE es mayor a 10, una poza disipadora no seria la mejor alternativa para disipar

energía. Las pozas disipadoras requieren de un tirante aguas abajo para asegurar que el

salto ocurra donde la turbulencia pueda ser contenida. A veces son usadas pozas con muros

divergentes, que requieren atención especial. Para caudales hasta 2.8 m3

/s la ecuación:



11.10

).78.18 2/1

Q

Qb (Ec.7.10)

Donde:

b = Ancho de la poza (m).

Q = Caudal (m3

/s) Puede usarse a fin de determinar el ancho de una poza para los cálculos

iniciales Para estructuras donde la caída vertical es menor a 4.5 m. La cota del nivel de

energía después del salto hidráulico debería balancearse con al cota del nivel de energía del

canal, aguas debajo de la estructura. El tirante de agua después del salto hidráulico puede

ser calculado de la formula:

5.02

1

2

1

2

12

4

)().2(

2

1

d

g

dv

d

dD (Ec.7.11)

Donde:

d1 = Tirante antes del salto (m).

v1 = velocidad antes del salto (m/s).

d2 = tirante después del salto.

g = aceleración de la gravedad (9.81 m/s2).



CUADRO No 7.1 RELACION ENTRE PÉRDIDA DE ENERGIA, TIRANTE CRÍTICO Y TIRANTES DE

AGUA DE RESALTO (AGUAS ARRIBA Y ABAJO) PARA RESALTOS HIDRAULICOS EN CANALES

RECTANGULARES CON RASANTE HORIZONTAL



FIG. No 7.31

PERDIDA DE ENERGIA EN UN RESALTO HIDRAULICO

Para estructuras donde la caída vertical es menor que 4.5 m (15 ps), al tirante después del salto

puede ser obtenida de la Fig. 7.31. La cota del nivel de energía, después del salto hidráulico

debería balancearse con la cota del nivel de energía en el canal, aguas debajo de la estructura.

Si las cotas no están balanceadas, debería asumirse una nueva elevación para el piso de la

poza o un nuevo ancho de poza y volverse a calcular los niveles de energía. Los tanteos se

repiten hasta que el balance sea obtenido.

La longitud mínima de poza (Lp en la Figura No 7.31) para estructuras usadas en canales es

normalmente 4 veces d2. Para estructuras en drenes, donde el flujo será intermitente y de corta

duración, la longitud mínima puede ser alrededor de 3 veces d2. El borde libre recomendado para

pozas disipadoras puede ser determinado de la Figura No 7.32. El borde libre es medido sobre el

nivel máximo de energía después del salto hidráulico.

FIGURA No 7.32

CURVA PARA CALCULAR EL BORDE LIBRE EN POZA DISIPADORA



5. FORMACION DE ONDAS.

Las ondas en una rápida son objetables, porque ellas pueden sobrepasar los muros de la

rápida y causar ondas en el disipador de energía. Una poza disipadora no seria un disipador

efectivo con este tipo de flujo porque no puede formarse un salto hidráulico estable.

c. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO.

1. Seleccionar y diseñar el tipo de entrada a ser usada.

2. Determinar la gradiente de energía en el inicio de la sección de la rápida.

3. Calcula las variables de flujo en la sección de la rápida.

4. Diseñar la trayectoria y la parte pronunciada de la sección de la rápida.

5. Asumir una elevación para el piso de la poza disipadora y calcular las características del

flujo aguas arriba del salto hidráulico.

6. Determinar el gradiente de energía en el canal después del salto hidráulico.

7. Puede ser necesario asumir una nueva elevación del fondo de la poza y recalcular los

valores arriba mencionados varias veces, antes de que se obtenga una coincidencia de

niveles de energía.

8. Revisar por operación adecuada con capacidades parciales.

9. Determinar la longitud de la poza y la altura de muros de la poza.

10. Diseñar los bloques de la rápida y del piso, y el umbral terminal o transición de salida

como se requiera.

11. Verificar la posibilidad de la producción de ondas en la estructura.

12. Proporcionar protección en el canal después, si es requerido.

7.3.2 CAIDAS.

Las caídas o gradas según Domínguez, son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es

necesario salvar desniveles bruscos en la rasante del 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 abajo.

El plano vertical es un muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas

ocasionan.

La finalidad de una caída es conducir agua desde una elevación alta hasta una elevación baja y

disipar la energía generada por esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una

caída, se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un canal.

La caída vertical se puede utilizar para medir el caudal que vierte sobre ella, si se coloca un

vertedero calibrado.



A. ELEMENTOS DE UNA CAIDA VERTICAL:

En el diseño de una caída (Fig. No 7.11), se pueden distinguir los siguientes elementos.

FIG. No 7.33

ELEMENTOS DE UNA CAIDA

Transición de entrada: Une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal

superior con la sección de control.

Sección de control: Es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este

punto se presentan las condiciones críticas.

Caídas en sí: La cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada.

Poza o colchón amortiguador: Es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la

energía cinética del agua al pie de la caída.

Transición de salida: Une la poza de disipación con el canal aguas abajo.

B. CRITERIOS DE DISEÑO.

1. Se construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1 m como máximo,

sólo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores.

2. 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.

3. 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.

4. El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la formula para caudal unitario

“q”.

2/348.1 Hq (Ec.7.12)



Siendo el caudal total:

2/3..2.3

2HgBQ (Ec.7.12)

Donde:

μ = 0.50. B = ancho de caída.

5. La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella sise

coloca un vertedero calibrado.

6. 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.

7. ILRI, 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:

27.030.4 Dz

Ld

22.000.1 Dz

Yp

425.11 54.0 Dz

Y

27.02 66.1 Dz

Y

)(9.6 12 YYLJ

Donde:

3

2

. zg

qD

Que se le conoce como numero de salto y

2

2

06.1

Yc

zCos

FIG. No 7.34

CARACTERISTICAS DE UNA CAIDA VERTICAL



8. Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara indicada en la Fig.

7.34, el cual se debe remplazar para evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura.

9. 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, es igual a:

10. PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE UNA CAIDA SIN OBSTACULOS.

1. Diseño del canal, aguas arriba y aguas debajo de la caída utilizar las consideraciones prácticas

que existen para el diseño de canales.

2. Cálculo del ancho de la caída y el tirante en la sección de control

En la sección de control se presentan las condiciones críticas. Para una sección rectangular las

ecuaciones que se cumplen son las siguientes:

gE

Qb

gb

Q

g

qy

Ey

c

c

3

min

2

32

2

3

2

min

8

27

3

2

(Ec. 7.16)

Se puede asumir que Emin = En (energía específica en el canal), para inicio de los cálculos y

realizar la verificación.

También se puede suponer un ancho en la sección de control de la caída, calcular el tirante

crítico y por la ecuación de la energía calcular el tirante al inicio de la transición.

Existen fórmulas empíricas para el cálculo del ancho de la caída, las cuales son:

De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse:

5

2

0.765Qb (Ec. 7.17)

Otra fórmula empírica:

Q

Qb

11.10

78.18 (Ec. 7.18)

Por lo general el ancho de solera con esta última fórmula, resulta de mayor magnitud que con la

fórmula de Dadenkov.

3. Diseño de la transición de entrada.

Para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es:



º5.222

21

tg

TTL

(Ec. 7.19)

Donde:

T1 = Espejo de agua en el canal

T2 = b = Ancho de solera en la caída

4. Cálculo de la transición de salida

Se realiza de la misma forma que la transición de entrada.

5. Dimensiones de la caída.

a. Caídas pequeñas:

De acuerdo con los diseños realizados por el SENARA, en canales con caudales menores o

iguales que 100 lps ( smQ /1.0 3 ), se tiene:

Donde:

hL

mh

3

4

60.0

(Ec. 7.20)

b. Caídas verticales sin obstáculos:

El proceso de cálculo para caídas verticales sin obstáculos es como sigue:

Calcular el número de caída utilizando la siguiente relación:

3

23

gh

q

h

yD c

(Ec. 7.21)

Donde:

D= Número de caída.

yc= Tirante crítico de la sección de control.

h= Desnivel.

q= Caudal unitario.

Calcular los parámetros de la caída vertical, los cuales se muestran en la Fig. 11.12. Estos

parámetros, según Rand (1955), se calculan con un error inferior al 5%, con las siguientes

ecuaciones:

22.0

27.0

2

425.0

1

27.0

66.1

54.0

30.4

hDy

hDy

hDy

hDL

p

d

(Ec. 7.22)

yp : Es la altura que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua

marche hacia abajo.



FIG. No 7.12

CAÍDA VERTICAL SIN OBSTÁCULOS

Calcular la longitud del resalto, se puede calcular con la fórmula de Sieñchin:

)(5 12 yyL (Ec. 7.23)

Calcular la longitud total del colchón, la cual será:

LLL dt (Ec. 7.24)

Debe evitarse que en la cámara de aire se produzca vacío, por que esto produce una

succión que puede destruir la estructura por cavitación, para evitar esto se puede hacer

agujeros en las paredes laterales o incrementar en la poza 10 ó 20 cm a ambos lados.

Para las filtraciones que se produce en la pared vertical se recomienda hacer lloraderos

(drenes de desagüe).

c. Caídas verticales con obstáculos

Cuando la energía cinética es muy grande se construyen dados que ayudan a disipar la energía

en una longitud más pequeña de la poza de disipación.

Según el U. S. Bureau of Reclamation, las relaciones de los parámetros de una caída vertical

con obstáculos (Fig. No 7.13), son:

FIG. No 11.13

CARACTERÍSTICAS DE UNA CAÍDA VERTICAL CON OBSTÁCULOS

Longitud mínima del colchón:



cd yLL 55.2 (Ec. 7.25)

Donde:

L = longitud mínima del colchón.

Ld = longitud de la caída.

yc = tirante crítico en la sección de control.

Ubicación de los obstáculos:

cdob yLL 8.0 (Ec. 7.26)

Profundidad mínima de la capa de agua:

cyy 15.22 (Ec. 7.27)

Altura óptima de los obstáculos:

cobsop yh 8.0. (Ec. 7.28)

Ancho de los obstáculos:

cob ya 4.0 (Ec. 7.29)

Espaciamiento entre los obstáculos:

cob ye 4.0 (Ec. 7.30)

Altura óptima del obstáculo final:

cfinalobsop yh 4.0.. (Ec. 7.31)

La relación: hLd / esta influenciada por el grado de sumersión, su valor se calcula con el

nomograma de la Fig. No 7.14.



FIG. No 7.14

RELACIONES ENTRE LONGITUDES PARA CAÍDAS CON OBSTÁCULOS

Capitulo Vii Estructuras Hidraulicas en Canales

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