Cross DrainageHydraulic Structures Novak ESPAÑOL

7/24/2019 Cross DrainageHydraulic Structures Novak ESPAOL

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Captulo 10

El cruz-desage y estructuras

de cada

10.1 Acueductos y entradas y salidas del canal

10.1.1 Introduccin

La alineacin de un canal invariablemente rene una serie de arroyos

naturales (drenajes) y otras estructuras tales como carreteras y

ferrocarriles, y puede que algunas veces tienen que cruzar valles. Obras de

drenaje transversal son las estructuras que acen posible tales cruces.!eneralmente son muy costosas, y deben evitarse si es posible cambiando

el canal alineacin y"o desviando los desag#es.

10.1.2 Acueductos

$n acueducto es una estructura construida de drenaje transversal donde el

nivel de inundacin de drenaje est% debajo del leco del canal. &eque'os

drenajes pueden adoptarse de acuerdo con el canal y los bancos por un

barril de mampostera o de ormign (alcantarilla), mientras que en el

caso de cruces de stream puede ser barato a ca'ada el canal sobre el arroyo

(p. ej. mediante una canaleta de ormign, ig. *+.*(a)).

uando tanto el canal de drenaje y se renen m%s o menos en el

mismo nivel el drenaje puede ser pasado a trav-s de un acueducto sifn

invertido (ig. *+.*(d)) debajo del canal el flujo a trav-s del acueducto

aqu siempre est% bajo presin. /i la descarga de drenaje est% fuertemente

limo laden un limo eyector debe ser proporcionado en el e0tremo superior

del sifn acueducto un rac1 de basura tambi-n es esencial si el flujo tienerestos flotantes que de otro modo podra aogar la entrada al acueducto.


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Acueductos Y ENTRADAS Y SALIDAS 41

Fig. 10.1 El diseo de un acueducto.

10.1.3 Superpassage

2n este tipo de trabajos de drenaje transversal, el drenaje natural se ejecutasobre el canal, el canal bajo el desag#e siempre tener un libre flujo de la

superficie. La superpas3 sabio es llamado un sifn del canal o simplemente

de un sifn invertido si el leco del canal bajo el drenaje es bajado para

acomodar el flujo del canal, que se


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2star siempre bajo presin. Los dise'os de la superpassage y sifn del

canal son similares a los que se muestran en las figuras *+.*(a) y *+.*(b),

con el canal de drenaje y se intercambian.

10.1.4 Paso a nivel

&aso a nivel de instalaciones son proporcionados cuando tanto el vaciado

y el canal ejecutar m%s o menos en el mismo nivel. 2sto es usado m%s

frecuentemente si cualquiera de las corrientes que se produce durante un

perodo corto (por ej. Las inundaciones repentinas en el desag#e) en las

operacio3 cin, la mezcla de los dos cuerpos de agua tambi-n debe ser

aceptable (consideraciones sobre la calidad).2l plan de dise'o de un paso a nivel con dos conjuntos de

reguladores, uno a trav-s del drenaje y el otro al otro lado del canal, se

muestra en la ig. *+.4. 5i3 mally, el canal regula el flujo del regulador

con el regulador de vaciado mantiene cerrado. uando las inundaciones

ocurren, el canal de drenaje puertas est%n cerradas y puertas abiertas para

dejar pasar el flujo de las inundaciones.

10.1.5 Las entradas y salidas del canal

uando el flujo de drenaje es peque'a puede ser absorbido en el canal a

trav-s de las entradas. 2l flujo en el canal puede ser equilibrada, si es

necesario (en el caso de peque'os canales), proporcionando una salida

adecuada (o fugas). La entrada y la salida de las estructuras debe ser

provista con disipadores de energa siempre que sea necesario.

Fig. 10.2 paso a nivel


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AQEDCTS AND CANAL INLETS AND 42

2n el siguiente ejemplo elaborado destaca los diversos aspectos del dise'o

idr%ulico de una estructura de drenaje transversal.

Ee!plo pr"ctico 10.1.

6ise'o de un sifn acueducto para los siguientes datos7

Canal Stream

6escarga (ms de 8-*) 8+ 9++:ed (m ;O6) 4++.++ *


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9 CR!SS-DRAINAE AND DR!/c%lculos son obtenidos a partir de la seccin @@ y siga acia la seccin **,

como se muestran en la tabla que aparece a continuacin7


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Fig. 10.3 La transicin con entrada y salida linealcil#ndrico. L e c y L son las longitudes de contraccin ye$pansin

Seccin

44 33 22 11

;nco (m) 49.++ *4.9+ *4.9+ 49.++Fona de caudal (m4). 9B.++ 49.++ 49.++ 9B.++?elocidad (ms-*) +,98B *.4+ *.4+ +,98BLas p-rdidas (m) (e0pansin) (friccin (contraccin)

+,+*A +,+*A +.+*4

Genga en cuenta que la contraccin p-rdida= +,4(V 4 - V 4)"4g la p-rdida dee0pansin= +,8

4 *(V 4 - V 4)"4g la ca'ada la p-rdida por friccin= V 4N4L "R@"8 (el sufijo fdenota la

8 @

/aetn y o el canal original 3 Vf = V8 = V4 Vo = V@ = V*).

D%s e)o de t&a's%c%o'es

&ara una profundidad constante de caudal, la transicin puede ser dise'ado

de tal manera que la tasa de cambio de velocidad por metro de longitud de

transicin es constante. 2ste m-todo genera la cama anco de la transicin

a una distanciax de la seccin como a'ada

Bx = BoBL"HLBo - (BO - Bf)xI

5ivel de superficie de(m ;O6) 4+4.+++ 4+*.


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AQEDCTS AND CANAL INLETS AND @48

Jue modificado despu-s de estudios e0perimentales ($&DED, *


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Bx -Bf=

x

0* - 2* -x

3n

1- - -B+ -Bf L L

6onde

N = +,=+ - +,4Bm*"4

K la longitud de la transicin,L = 4,89(B+ - Bf)+ *,B9moso,yo ser el flujode profundidad en el canal, y el mo su pendiente lateral. Las pendientes

laterales (m) a lo largo de la transicin son dadas por

M X *"4-- = * - 2* - --3 .Ms L

2l uso de la constante estado de energa especfica en la transicin entre el

canal y la profundidad en la ca'ada la ca'ada,yf, y profundidades (x) y en

la trans3 icin de longitud puede ser obtenida. 2l balance energ-tico entre

sec3 adyacentes5es dentro de la transicin con p-rdida de e0pansin como +.8(V4- V4 )"4g da la

Ko +*

Las elevaciones de cama que se proporcionan en las sucesivas secciones,

de manera que la energa especfica permanece constante durante toda la

transicin. Grabaj ejemplo *+.4 proporciona informacin detallada sobrelos c%lculos de dise'o para la ampliacin de una transicin basada en el

?ittal iranjeevi y m-todo.

/e&l de supe&c%e de AA EN TRANSICI5N

La superficie del agua en el proceso de transicin puede ser asumido como

dos suaves curvas de par%3 bolic (conve0os y cncavos) reunin

tangencialmente. Eefiri-ndose a ig. *+.@, las siguientes ecuaciones dan

esos perfiles en las transiciones7

Gransicin de

entrada,y = =,


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Fig. 10.% per&l de super&cie de agua entransicin 'entrada(


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$na autopista de B m de anco es proporcionada a lo largo del canal

dividiendo la ca'ada en dos compartimentos mediante una particin de +,8

m de espesor. Goda la ca'ada de la canaleta (seccin) puede ser concebido

como una estructura de ormign monoltico. &roporcionar las paredes

laterales y una losa inferior de unos +,@ m (fijada por los abituales

m-todos de dise'o estructural).

6a&&% les de s%7*'

*8 barriles, cada uno de A m de anco y 4,A9 m de alto, son

proporcionados asumir que la rugosidad efectiva, ! = +,B mm(ormign). La longitud de la

camisa,L = *4,9+ + +,8+ + 4 +,@+ = *8,B+ m. La cabeza la p-rdida a

trav-s de la camisa, "f =(*,9 + HL"@R)V4"4g. La velocidad a trav-s de la

camisa, V = 9++"(*8 A 4,A9)= *.


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La longitud se puede apro0imar como sigue. lujo lenta comienza desde el

comienzo de la transicin de upstream (aguas abajo del este el suelo es

impermeable) y entra en el primer barril piso desde su centro el flujo

sigue aguas abajo del desag#e y emerge al final del suelo de ormignimpermeable de la camisa. &or lo tanto, el total de longitud lenta se puede

apro0imar como

Gransicin de entrada longitud+ Kbarril span+ Klongitud de barrilpiso impermeable.

/upongamos que la longitud total del piso impermeable del barril es de 49

m., compuesta de los siguientes7

Longitud de barril = *8,B+ m

&ier proyecciones, 4 +.= = *,B+ mEampa descendente (*79), *,*9 9 = 9,A9 maguas arriba y aguas abajo, la Granca 4 +,8 = +,B+m de longitud total del suelo = 4*,99m

&or lo tanto, proporcionan la sonda de suelo

(*78) longitud= 49.++ - 4*.99 = 8,@9 m. 2l recortetotal longitud= *4.9 + A"4 + 49"4 = 4=,9 m. La longitud lenta asta elcentro del barril= *4.9 + A"4 = *B,+ m. &or tanto, la cabeza de infiltracinen el centro del barril= @(* - *B.+"4=.9)= *,A9 m. 2l total levantamiento esentonces 4,*9 + *,A9 = 8,


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6elantal posterior longitud = 4.9(*


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Fig. 10.) seccin longitudinal del si*n acueducto+ todaslas di!ensiones en !etros

,ra-a Ee!plo 10.2

6ise'ar una e0pansin de transicin para la ca'ada3canal dise'o de ejemplo

elaborado *+.* utilizando el ?ittal y iranjeevi (*


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10.2 Alcantarillas puentes y salsas

10.2.1 Introduccin

/e cruzan las autopistas canales de drenaje natural o canales, y se debe

prever el cruz3desag#e adecuado funciona. La alineacin de una autopista a

lo largo de crestas (aunque puede ser una tortuosa ruta con menos

satisfactoria degradados) puede eliminar los trabajos de drenaje transversal,

logrando as un aorro considerable.

La autopista el cruz3desag#e es proporcionado por las alcantarillas,

puentes y salsas. ul3 verts son normalmente cortos span (


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suficiente grande el flujo dentro de la alcantarilla pueden o no llenar

el barril, y su rendimiento idr%ulico depende de la combinacin de

la entrada y r-d-ric3 cin p-rdidas, longitud de barril, y los efectos de

remanso posterior (ig. *+.B).


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CL"ERTS= 6RID.ES 42

Fig. 10./ El uo a travs de una alcantarilla

Los diferentes tipos de flujo que puede e0istir en el tubo ca'n de

una alcantarilla se muestran en la Gabla *+.*. 2l dise'o idr%ulico de la

alcantarilla se basa en las caractersticas del flujo de barril, y ejemplos

trabajados *+.8 y

*+.@ Eesaltar los c%lculos que implican todos los seis tipos de flujo que se

enumeran en la Gabla *+.*.

,a-la 10.1 ,ipos de uo en el can de una alcantarilla 'o4

1563(

0i(% 12/ Salir &er%'n&i&

0i(% &el'%

Lal%ngit

Pen&iente

6lc%ntr%l

C%mentari%s

ondiciones de entrada sumergida* >*.+ >& ull ualq ual Outlet lujo de4 >*.4 *.4


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(a) Alineacin de la alcantarilla

omo regla general, el barril debera seguir la alineacin de drenaje

natural y su gradiente, a fin de minimizar las p-rdidas de la cabeza y la

erosin. 2sto puede llevar a una larga sesgar alcantarilla que requerir%n

m%s complejos y jefe final de las paredes. /in embargo, a veces resulta

m%s econmico para colocar la alcantarilla per3 pendicular a la autopista

con ciertos cambios aceptables en la alineacin del canal (v-ase Linsley y

ranzini, *


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CL"ERTS= 6RID.ES 4>

$na barrera de desecos (basura) rac1 tambi-n debe disponer delante dela entrada de la alcantarilla para evitar la obstruccin de la entrada de

barril.

2n el caso de una alcantarilla con una entrada sumergidas, quema laentrada aumentar% su capacidad bajo un jefe inferior para una determinada

carga dis3. $n arreglo de ese tipo para un cuadro de alcantarilla (cuadrados

o rectangulares con3 creta barril), el %rea de la entrada est% el doble de %rea

de barril en una longitud de *,4&, donde & es la altura de la camisa, se

muestra en la ig. *+.=.

$na estructura con una entrada de cada de desecos necesarios

(madera de barrera o con3 creta cunas) tiene que ser siempre que la

alcantarilla de entrada se encuentra en el nivel de la cama (autopista

instalaciones de drenaje) de la red de drenaje, requiriendo una abrupta

interrupcin en la pendiente del canal. ada de varios arreglos dealcantarillas de entrada se muestran en la ig. *+.


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Fig. 10.5 entrada ca#da de alcantarilla

(c) Las estructuras de toma de corriente de la alcantarilla$n dispositivo adecuado a de ser proporcionado a la salida de una

alcantarilla para evitar la erosin aguas abajo de la cama y las laderas del

terrapl-n. &ara peque'os vertidos rectos o en forma de $ de la pared final

es suficiente. &ara moderan fluye un abocinamiento Ping3amurallada

conectando la salida muco m%s amplio canal corriente abajo3 reducir% el

decapado del terrapl-n y las orillas del canal. La llamarada sugerido

%ngulo para flujos supercrticos debe estar por debajo de * en 4,

disminuyendo linealmente con el nmero de roude flujo. &ara subcrtico

fluye puede ser mayor que * en 4.

(d) Decapar debajo de alcantarilla outlets

2l flujo a trav-s de una alcantarilla pueden causar erosin indeseable

(decapar) en su salida no protegida que puede conducir al debilitamiento

de la estructura de la alcantarilla.


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CL"ERTS= 6RID.ES @88

?arios investigadores realizaron ensayos con modelo de decapar posterior

de alcantarilla estructuras y los resultados combinados sugieren la

siguiente gua de dise'o7 lneas (v-ase :reusers y Eaud1ivi, *


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&ara,&"/ > * donde/ = di%metro del tubo,:p = ;ltura de salida deltubo y9 ni#el s'(ra tail;aterrd = V"(g&9+)

*"4, siendo ? la velocidad de

inmersin de jet en el tailPater

(9rd > 4 -4 < :p(m)< = pendiente de salida, + - +.A=4).

Los dispositivos de disipacin de energa abitual (delantal

inclinados, aljibe, cuenca stilling, piscina de inmersin, etc.) pueden ser

proporcionados si la alcantarilla velocidades de descarga son muy altas

(captulo 9).

10.2.> Puentes

La presencia de un puente que cruza un arroyo crea la constriccin de

flujo a trav-s de sus aberturas debido a (a) la reduccin de la ancura de la

corriente debido a los muelles y sus asociados final contracciones y (b) la

fluming del arroyo (en el caso de arroyos con amplias llanuras de

inundacin) para reducir los costos de la estructura.

;parte de (local) la socavacin alrededor de los pilares y estribos de

puente y la posible erosin de cama, e0iste un considerable efecto de

remanso del puente. La afflu0 correspondiente (aumento de nivel de agua

aguas arriba) depende del tipo de flujo (subcrticos o supercrticos). omo

la mayora de los puentes est%n dise'ados para condiciones de flujo

subcrtico para minimizar decapar y problemas de asfi0ia, nuevos debates

aqu se limitan principalmente al flujo subcrtico.

2l establecimiento de niveles de afflu0 es e0tremadamente

importante para el dise'o de las actividades preliminares de los diques y

otras obras de proteccin y tambi-n para la loca3 cin de seguros cubierta

puente niveles (para evitar la inundacin de la cubierta y las consiguientes

da'os estructurales). 2s igualmente importante determinar la longitud libremnima de span (consideraciones econmicas) que no produzcan niveles

afflu0 indeseables. ; fin de establecer niveles permisibles fase ascendente,

las investigaciones detalladas de las propiedades a lo largo de la secuencia

tiene que ser investigado. ;guas abajo del puente, los niveles de agua slo

est%n influenciados por la seccin de control m%s cercano por debajo del

puente. &or lo tanto, estos niveles pueden ser establecidos por el remanso

de computacin (para m%s informacin v-ase >amill, *


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Fig. 10.10 El per&l de uo a travs del puentecontratado con un canal de rela9 !ente cortalongitud 'uo su-cr#tico(

2l nivel del agua, ", puede ser obtenida por la ecuacin energ-tica entre

las secciones * y 4 (Sindsvater, arter y Gracy, *


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,a-la 10.3 valores de K co!o una *uncin de la *or!a del

!uelle

Pier %rma < C%mentari%s

Nuelles de doble cilindro con

cone0in

Migual a @ la conservadora

5ose y tail semicircular +.< Godos los valores aplicables para muellesLentes con forma de nariz y cola +.< on relacin a la longitud de la manga

6iafragma +.


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Fig. 10.11 El per&l de uo con la aogaron las condiciones deuo


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&-rdidas de e0pansin como< = 4,8 m 3 +,8@9, donde m es el coeficientede la obturacin del canal y %reas para +.84@ < m < +,B9.

(b) Clculos de descarga en puentes

*. 5agler (*


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,a-la 10.% ; valores de < y K=;

0i(% &e m'elle7 0rans(%rte rati%) o

57> 57? 57@ 57A 57B


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Laursen (*


29/53

escala e0periencia3 ciones y el desarrollo de decapar con el tiempo. &ara

continuar con este tema est% m%s all% del alcance de este libro, se remite al

lector a p.ej.


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@@8 CR!SS-DRAINAE AND DR!/

:reusers 5icollet, y /en (*


31/53

10.2.4 >ips

2l dip es una estructura superficial sin e0cesivo enfoque degradados. 2n

las regiones %ridas, arroyos con poco frecuentes inundaciones repentinas ylas profundidades someras (


32/53

CL"ERTS= 6RID.ES @@8

,a-la 10./ ?ango de valores de C para la li-re circulacin

so-re el terrapln

0i(% &e s'(ericie Eama &e L nter#al% &e C

/uperficie +.*9 *.B=+.4+ *.B+.49 *.A+/uperficie de grava +.*9 *.B8

+.4+ *.BB+.49 *.B (Sraatz y Naajan, *


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;nco de cuenca, : = V"HL:(/4 + &c)I,

(*+.9B)

donde la profundidad de la cuenca, &c 8 +,* a +,8 m.

10.>.> Las ca#das o ra!pasinclinadas

(a) *ertedera comn

2ste tipo de cada se a inclinado, cara posterior (entre *"@ y *"B, llamado

glacis) seguido de cualquier tipo convencional de bajo3cabeza stillingcuenca por ejemplo ;2 o $/:E por sus siglas en ingl-s tipo DDD

(aptulo 9). La descripcin esquem%tica de un glacis3tipo oto'o con una

cuenca stilling $/:E por sus siglas en ingl-s tipo DDD, recomendado para

una amplia variedad de descargas y alturas de cada, se muestra en la ig.

*+.4*.

(b) +pida ca,da inclinados tipo drop ("ndia)

2ste tipo de cada es barato en zonas donde la piedra es f%cilmentedisponible, y se utiliza para peque'as descargas de asta +,A9 m8 s-* concadas de asta *,9 m. /e compone de un glacis inclinado en *+ entre *y * en 4+. 2sa larga glacis asiste a la formacin del salto idr%ulico, yla suave pendiente ace la navegacin ininterrumpida de peque'asembarcaciones (tr%fico de madera, por ejemplo) es posible.

(c) -scalonadas o ca,da de tipo cascada

2ste consta de piedra de tono de plantas entre una serie de Peir bloques

que actan como diques de contencin y se utilizan en canales depeque'os vertidos por ejemplo, la cola de un canal principal escapar. $n

diagrama de este tipo de cada es mostrada en la ig. *+.44.


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Fig. 10.21 glacis inclinado con ca#da tipo =S? por sus siglas eningls tipo III cuenca stilling


47/53

Fig. 10.22 escalonadas o ca#da de tipo cascada

10.3.% Hilo cae

$n ilo es la cada de la estructura m%s econmica en comparacin con

una cada inclinada para peque'as descargas de asta 9+ l s-*.

5ormalmente es equipado con un control gate en su e0tremo superior y

una pantalla (escombros barrera) se instala para evitar el ensuciamiento de

la entrada.

(a) As, la estructura de ca,da

;s la cada (ig. *+.48) se compone de un pozo y un ducto rectangularfol3 loPed por un delantal de doPnstream. La mayor parte de la energa se

disipa en el bien, y este tipo de cada es adecuado para bajos vertidos

(asta 9+ l s-*) y cadas altas (4 a 8 m), y se utiliza en la cola se escapa de

los peque'os canales.

(b) Ca,da del tubo

/e trata de una estructura econmica utilizado generalmente en peque'os

canales. /e compone de un oleoducto (prefabricados de ormign), lo cual

a veces puede ser inclinado fuertemente acia abajo ($/:E por sus siglasen ingl-s y la $E// pr%ctica) para acer frente a grandes cadas. /in

embargo, una energa dissipator apropiado (por ejemplo, una cuenca

stilling con un pelda'o final) debe ser proporcionado en el e0tremo

posterior de la canalizacin.

Fig. 10.23 -ien estructura de ca#da


48/53

10.3.) Estructuras deca#da de la grana

anal de granja gotas son b%sicamente del mismo tipo y funcionan comolos de los canales de distribucin, siendo las nicas diferencias que son

m%s peque'as y su construccin es m%s sencilla.

La muesca de cada cada de granja tipo de estructura (prefabricados

de ormign o madera) se compone de un (m%s comnmente) en una

muesca trapezoidal crested pared cruzando el canal, con la provisin

adecuada de dispositivos de disipacin de energa aguas abajo de la cada.

Gambi-n se puede utilizar como una descarga3 Nedicin de estructura.

Los detalles de una comprobacin concreta gota con una abertura

rectangular, ampliamente utilizado en los 2stados $nidos, se muestra en laig. *+.4@. >asta descargas de acerca de

+,9 m8 s-*, la cada de la sonda de nivel del suelo (C) se recomienda estar

alrededor de +,4 m y la longitud de la plataforma (L) entre +,A9 m y *,=+

m a lo largo de una gama de drop (/) los valores de +,8 a +,< m.

Fig. 10.2% !uesca ca#da ca#da de co!pro-acinconcreta 'EE.==.(

,ra-a Ee!plo 10.7

$n dise'o de tipo /arda oto'o utilizando los siguientes datos7

alimentacin completa carga dis3= 4= m8 s-* /L upstream= *++.++ m;O6 aguas abajo = FSL


49/53

de cama posterior= B,++ m gota, 6E > = *,9+ m salida segura pendiente

del subsuelo= * en 9.


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Solucin

D%se)o de c&esta

;doptar una cresta rectangular (ig. *+.*=).B = +,99&*"4

por una crestatrapezoidal,

B = +,99 ( + &)*"4 y + & = /* +


51/53

:laisdell, .V. y ;nderson, L. (*


52/53

RE+ERENC @9

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