Desarenador

Tiene por objeto separar del agua cruda la arena y partículas en suspensión gruesa, con el fin de evitar se produzcan depósitos en las obras de conducción, proteger las bombas de la abrasión y evitar sobrecargas en los procesos posteriores de tratamiento. El desarenado se refiere normalmente a la remoción de las partículas superiores a 0,2 mm.

Diseño del desarenador

1.1. ComponentesEsta unidad se puede dividir en cuatro partes o zonas.

Desarenador (Planta y corte longitudinal)

1.2. Criterios de diseño

- El periodo de diseño, teniendo en cuenta criterios económicos y técnicos es de 8 a 16 años.- El número de unidades mínimas en paralelo es 2 para efectos de mantenimiento.En caso de caudales pequeños y turbiedades bajas se podrá contar con una sola unidad que debe contar con un canal de by-pass para efectos de mantenimiento.

Desarenador de 2 unidades en paralelo (planta).

Desarenador de 1 unidad con by pass (planta).

FASES DEL DESARENAMIENTO

Fase sedimentación ڤFase de purga (evacuación) ڤEn la figura 1 se muestra un esquema de un desarenador de lavado intermitente.

ELEMENTOS DE UN DESARENADORPara cumplir su función, el desarenador se compone de los siguientes elementos:

1. Transición de entrada, la cual une el canal con el desarenador.

2. Cámara de sedimentación, en la cual las particular sólidas caen al fondo, debido a la disminución de la velocidad producida por el aumento de la sección transversal.Según Dubuat, las velocidades límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son:

De acuerdo a lo anterior, la sección transversal de un desarenador, se diseña para velocidades que varían entre 0.1 m/s y 0.4 m/s, con una

profundidad media de 1.5 m y 4 m. Observar que para una velocidad elegida y un caudal dado, una mayor profundidad implica un ancho menor y viceversa.3. Vertedero, al final de la cámara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Las capas superiores son las que primero se limpian es por esto que la salida del agua desde el desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea posible debe trabajar con descarga libre.También mientras más pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastra. Como máximo se admite que esta velocidad puede llegar a v = 1 m/s.

De la ecuación de un vertedero rectangular sin contracciones:

Donde: Q = caudal (m3/s)C = 1.84 (cresta aguda)C = 2.0 (perfil Creager)L = longitud de la cresta (m)h = carga sobre el vertedero (m)

Si el área hidráulica sobre vertedor es:

La velocidad será:

De donde para los valores indicados de v y C, se puede concluir que el máximo valor de h no debería pasar de 25 cm.

4. Compuerta de lavado, sirve para desalojar los materiales depositados en el fondo. Para facilitar el movimiento de las arenas hacia la compuerta, al fondo del desarenador se le da una gradiente fuerte del 2% al 6%. El incremento de la profundidad obtenido por efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de cálculo, sino que el volumen adicional obtenido se lo toma como depósitos para las arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos.

5. Canal directo, por el cual se da servicio mientras se está lavando el desarenador. El lavado se efectúa generalmente en un tiempo corto, pero por si cualquier motivo, reparación o inspección, es necesario secar la cámara del desarenador, el canal directo que va por su contorno, permite que el servicio no se suspenda. Con este fin a la entrada se colocan dos compuertas, una de entrada al desarenador y otra al canal directo.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO

1. Cálculo del diámetro de las partículas a sedimentarLos desarenadores se diseñan para un determinado diámetro de partícula es decir, que se supone que todas las partículas de diámetro superior al escogido deben depositarse. Por ejemplo, el valor del diámetro máximo de partícula normalmente admitido para plantas hidroeléctricas es de 0.25 mm.En los sistemas de riego generalmente se acepte hasta d = 0.5 mm.

En sistemas hidroeléctricos el diámetro puede calcularse en función de la altura de caída como se muestra en la tabla 1, o en función del tipo de turbina como se muestra en la tabla.2. Calculo de la velocidad del flujo v en el tanque

La velocidad en un desarenador se considera lenta, cuando está comprendida entre 0.20 m/s a 0.60m/s. La elección puede ser arbitraria o puede realizarse utilizando la fórmula de Camp:

Diámetro de partículas en función de la altura de caída

Diámetro de partículas en función con el tipo de turbina

Donde:D = diámetro (mm)a = constante en función del diámetro

3. Calculo de la velocidad de caída w (en aguas tranquilas)

Para este aspecto, existen varias fórmulas empíricas, tablas y nomogramas, algunas de las cuales consideran:Peso específico del material a sedimentarse: Ps gr/cm3 (medible)Peso específico del agua turbia: Pw gr/cm3 (medible)Así se tiene:

Tabla 3 preparada por Arkhangelski, la misma que permite calcular w (cm/s) en función del diámetro de partículas d (en mm)

3.2 La experiencia generado por Sellerio, la cual se muestra en el nomograma de la figura 2, la misma que permite calcular w (en cm/s) en función del diámetro d (en mm).

3.3 La fórmula de Owens:

Donde:

w = velocidad de sedimentación (m/s)d = diámetro de partículas (m)Ps = peso específico del material (g/cm3)k = constante que varía de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos, sus valores se muestran en la tabla.

3.4 La fórmula de Scotti . Folglieni

donde :w = velocidad de sedimentación (m/s)d = diámetro de la partículaPara el cálculo de w de diseño se puede obtener el promedio de los ws con los métodos enunciados anteriormente.

Velocidad de sedimentación de granos de arena en agua.

4. Cálculo de las dimensiones del tanque

Despreciando el efecto del flujo turbulento sobre la velocidad de sedimentación, se puede plantear las siguientes relaciones:

Tiempo de caída:

Tiempo de sedimentación:

De donde la longitud, aplicando la teoría de simple sedimentación es:

5. Proceso de cálculo de las dimensiones del tanqueEl proceso de cálculo se puede realizar de la siguiente manera:

1. Asumiendo una profundidad (por ejemplo h = 1.50 m)

6.

Cálculo de la longitud de transiciónLa transición debe ser hecha lo mejor posible, pues la eficiencia de la sedimentación depende de la uniformidad de la velocidad en la sección transversal, para el diseño se puede utilizar la fórmula de Hind:

7. Cálculo de la longitud del vertederoAl final de la cámara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal.Mientras más pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastra.Como máximo se admite que esta velocidad pueda llegar a v = 1 m/s y como se indicó anteriormente, esta velocidad pone un límite al valor máximo de la carga sobre el vertedero h, el cual es de 0.25 m.

Cálculo de LPara un h = 0.25 m, C = 2 (para un perfil Creager) o C = 1.84 (cresta aguda), y el caudal conocido, se despeja L, la cual es:

Por lo general la longitud del vertedero L, es mayor que el ancho del desarenador b, por loque debe ubicar a lo largo de una curva circular, que comienza en un de los muros lateralesy continúa hasta la compuerta de lavado, como se muestra en la figura.

Cálculo del ángulo central y el radio R con que se traza la longitud delVertederoEn la figura 4, se muestra un esquema del tanque del desarenador donde se muestran los elementos R y L

Bibliografía:

ING. EDGAR SPARROW ÁLAMO - UNS - Estructuras Hidráulicas

MANUAL: CRITERIOS DE DISEÑOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS

DISEÑO DE BOCATOMAS

1. Relación entre el Barraje Vertedero Fijo y el MóvilSi un barraje fijo es construido a lo largo de la longitud del cauce y no genera problema durante la época de avenida, La longitud del barraje vertedero es limitado por el ancho del canal de limpia gruesa.En cambio si el barraje fijo causa problemas durante la época de avenida, aumentandoel nivel de las aguas, en especial aguas arriba del barraje fijo, entonces, será necesario aumentar un barraje móvil para controlar el aumento del nivel de agua sin causar problemas de inundación.

1.1 Efecto del Remanso Causado en el río por la Construcción del Barraje Vertedero

Tal como se explicó anteriormente, el hecho de construir et barraje en el cauce del río,causa la formación de una sobre elevación del nivel de agua delante del vertedero quegenera problemas a los terrenos agrícolas, caminos, puentes, obras de arte hidráulicas(alcantarillas, sistema de drenaje, etc.), por lo que es necesario determinar la curva deremanso formada para analizar y solucionar los problemas causados.En este curso recomendamos el uso de los siguientes métodos:

- Método del Paso Directo (Direct Step Method)- Método aproximado.

1.1.1 Método del Paso DirectoA continuación se presentan los criterios para el cálculo del remanso usando el Método

del Paso Directo.

1.1.2 Método AproximadoEl Método aproximado da con bastante precisión la longitud total (1) del remanso y permite tener una idea del efecto del remanso hacia aguas arriba.La longitud L se calcula mediante la siguiente formula:

L = 2 x h / Io

Donde:h : sobre elevación del tirante normalIo : pendiente del fondo del río

3.7 Barraje Vertedero o Azud.

3.7.1 Altura del Barraje VertederoLa altura del barraje vertedero está orientada a elevar o mantener un nivel de agua en el río, de modo tal que, se pueda derivar un caudal hacia el canal principal o canal de derivación. También debe permitir el paso de agua excedente por encima de su cresta.Es lógico que el nivel de la cresta dará Ia carga suficiente para derivar el caudal diseñado para irrigar las tierras servidas por la bocatoma.

De acuerdo a la figura se puede definir que la cota Cc de la cresta del barraje vertedero será:

Cc = Co + ho + h + 0.20 (en metros)

DondeCo : cota del lecho detrás del barraje vertedero (del plano topográfico)ho : altura necesaria para evitar el ingreso de material de arrastre (se recomienda ho 0.60 m).h : altura que necesita la ventana de captación para poder captar el caudal de derivación Qd (asumir que funciona como vertedero.) .20m. sumando de seguridad con el fin de corregir efectos de oleaje y de coeficientes de la fórmula, pudiendo ser mayor de ser posible.

1.2 Solado o Colchón Disipador1.2.1 Longitud del Solado o Colchón DisipadorDebido a la colocación del barraje vertedero en el cauce del río se genera un incremento de energía potencial que, al momento de verter el agua por encima del barraje se transforma en energía cinética que causa erosión y por lo erosivo se construyen estructuras de disipación, conocidas como: solados (apron), colchón disipador (stilling basin), etc., que buscan o tienen por objetivo formar un salto hidráulico que logra disipar la energía cinética ganada por el barraje vertedero.A continuación se describe el cálculo de la disipación de energía basada en la longitud del colchón disipador y de los tirantes conjugados (d1 y d2) necesarios para la formación apropiada del salto hidráulico.

a. Cálculo de d1 (tirante al pie del barraje vertedero):

1.3 Espesor del Solado o Colchón DisipadorPara resistir el efecto de la subpresión es recomendable que el colchón disipador tenga un espesor que soporte el empuje que ocasiona la subpresion.

La fórmula que permite calcular el espesor conveniente se basa en que el peso del solado debe ser mayor que la subpresión, es decir:

1.4 Enrocado de Protección o EscolleraAl final del colchón disipador es necesario colocar una escollera o enrocado (rip - rap) con el fin de reducir el efecto erosivo y contrarrestar el arrastre del material fino por acción de la filtración.

Db : altura comprendida entre la cota del extremo aguas abajo el colchón disipador y la cota de la cresta del barraje vertedero, en m.D1 : altura comprendida entre el nivel de agua en el extremo aguas abajo del colchón disipador y la cota de la cresta del barraje vertedero, en m.q : avenida de diseño por unidad de longitud del vertedero.C : coeficiente de Bligh

1.5 Control de Filtración

El agua que se desplaza por debajo de la presa vertedero causa arrastre de material fino creando el fenómeno de tubificación: este problema se agrava cuando el terreno es permeable.El ingeniero Bligh estudio este fenómeno con presas construidas en la India, recomendando que el camino que recorre el agua por debajo del barraje vertedero (camino de percolación) debe ser mayor o igual que la carga disponible entre los extremos aguas arriba y aguas abajo del barraje vertedero afectado por un coeficiente, es decir:

S C. h

Donde:S : camino de percolaciónC : coeficiente de Blighh : diferencia de nivel entre el nivel aguas arriba y aguas abajo del barraje vertedero

Este criterio fue corregido por Lane después de observar casi 200 estructuras entre lasque funcionaban bien y las que fallaron. Lane planteo la siguiente expresión:

S = 1/3 LH + Lv CL. h

Donde:LH, LV : suma de longitudes horizontales y verticales respectivamente, que tengala sección de la presa.CL : coeficiente de Lane.

1.6 Canal de Limpia1.6.1 Velocidad Requerida para el Canal de LimpiaEl canal de limpia es la estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos que trata de ingresar al canal de derivación, así como la eliminación del material de arrastre que se acumula delante de las ventanas de captación. Su ubicación recomendada es perpendicular al eje del

barraje vertedero y su flujo paralelo al del río y formando Un ángulo entre 60 y 90 con el eje de la captación, a menos que se realice un modelo hidráulico que determine otras condiciones.En los referente al material que se acumula en el canal de limpia, el flujo existente en el canal debe tener una velocidad (Vo) capaz de arrastrar estos sedimentos depositados. La magnitud de Vo está dada por la siguiente fórmula:

Vo = 1.5 c. d1/2 = 1.5V

Donde:Vo : es la velocidad requerida para iniciar el arrastre.C : coeficiente en función del tipo de material; siendo 3.2 pare arena y grava redondeada y 3.9 para sección cuadrada; de 4.5 a 3.5 para mezcla de arena y grava.d : diámetro del grano mayor.V : velocidad de arrastre

1.6.2 Ancho del Canal de LimpiaEl ancho del canal de limpia se puede obtener de la relación:

B = Qc / q

q = Vc3 / g

Donde:B : ancho del canal de limpia, en metrosQc : caudal a discurrir en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m3/s.q : caudal por unidad de ancho, en m3/s/m.Vc : velocidad en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m/s.g : aceleración de la gravedad, en m/s2.

1.6.3 Pendiente del Canal de LimpiaEs recomendable que el canal de limpia tenga una pendiente que genere la velocidad delimpia. La fórmula recomendada para calcular Ia pendiente critica es:

Ic = n2 .g10/9 / q2/9

Donde:Ic : pendiente critica.g : aceleración de la gravedad, en m/s2.n : coeficiente de rugosidad de Manning.q : descarga por unidad de ancho (caudal unitario), en m2/s.

3.15 Diseño de Compuertas de Limpia GruesaCon el desarrollo de la tecnología peruana en la construcción de compuertas, el diseño de las compuertas ha caído en el campo de la ingeniería mecánica: pero es necesario que el aspecto hidráulico precise las condiciones que guíen el dimensionamiento de las compuertas de limpia gruesa, así se recomienda:a. AlturaEl nivel de la corona de la compuerta debe estar 0.20 m. por encima de la cresta del vertedero.b. Tirante máximo de agua de diseñoEs aquel que se genera cuando Ia compuerta funciona tipo rebose libre (overfliw).c. Tirante de agua de rebose permisible

0.30 a 0.50 m.d. Altura de izajeLa compuerta debe estar 1.5 a 2.0m más alto que el máximo nivel de agua con la avenida de diseño.e. Velocidad de izajeSe recomienda 30 cm/minuto, es conveniente tener en cuenta que los costos aumentan cuando aumenta la velocidad de izaje.f. Tipo de izajeEl uso de cables es recomendable cuando las luces son considerables y el de vástagos cuando las luces son pequeñas.g. Coeficiente de seguridadEl coeficiente de seguridad del acero se puede asumir entre 3 y 4.h. PlanchaEI espesor mínimo debe estar entre 6 y 10 mm. Se debe considerar siempre el efecto de corrosión.En 1o referente al dimensionamiento del área del tablero, se recomienda usar la siguiente fórmula:

A = Q / (c. (2 g H )1/2)

Donde:Q : caudal que pasa a través de la compuertaA : área del tablero de la compuertaC : coeficiente de descarga; se usa 0.60 para compuertas deslizantes y 0.72 para radiales.g : aceleración de la gravedad.H : carga efectiva sobre la compuerta.

Con el área (A) obtenida, se puede calcular el tipo de mecanismo necesario para el izaje de la compuerta mediante la obtención de la fuerza de izaje total (F), que permite el levantamiento de la compuerta de área (A), de peso (W) y con Ia utilización de un vástago de peso (w).La siguiente formula permite calcular la fuerza necesaria que debe tener un mecanismo de izaje para levantar la compuerta:

F = A .H .f + W + w

Donde:A : área de la compuertaH : carga efectiva sobre la compuertaf : coeficiente de fricción; asumir 0.7 como valor conservador.W : peso de la compuerta.w : peso del vástago.

Bibliografía:

Ing. Alfredo Mansen Valderrama - UNI-FIC Diseño de Bocatomas

MANUAL: CRITERIOS DE DISEÑOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS

DISEÑO HIDRÁULICO Y ESTRUCTURAL DE PRESAS DERIVADORAS

INTRODUCCIÓNLa presa derivadora es un obstáculo que se opone al paso de la corriente en un cauce, para elevar el nivel del agua a una cota suficientemente alta que permita salvar una de las márgenes y poder extraerse del sitio, así como dominar topográficamente otros sitios. Se usa cuando las necesidades de agua son menores que el gasto mínimo de la corriente, es decir, no se requiere almacenamiento.

CÁLCULO HIDRÁULICO DE LA BOCATOMA

El tipo de obra que se elija, debe satisfacer las siguientes condiciones:La bocatoma se localizará en un tramo de la corriente que esté a salvo de la erosión, del azolve y aguas arriba de cualquier descarga de tipo residual.La cota en el conducto de la toma se situará a un nivel inferior al de las aguas mínimas de la corriente.La boca de entrada llevará una rejilla formada por barras y alambrón con un espacio libre de 3 a 5 cm; la velocidad media a través de la rejilla será de 0.10 a 0.15 m/s, para evitar en lo posible el arrastre de material flotante.La velocidad mínima dentro del conducto será de 0.6 m/s, con el objeto de evitar azolve.El límite máximo de velocidad queda establecido por las características del agua y el material del conducto.

OBTENCIÓN DE LAS DIMENSIONES DEL ORIFICIOPara un mejor funcionamiento hidráulico de la bocatoma, es conveniente que el orificio trabaje ahogado y es recomendable que como mínimo se tenga un ahogamiento de 0.1 m; con esta información se utiliza la expresión del gasto en orificios:

Donde:Q = gasto de derivación o gasto normal en la toma (m3/s).C = es el coeficiente de descarga para el orificio particular analizado.A = es el área del orificio, (m2).g = es la aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2.h = es la carga hidráulica sobre el orificio (m).

DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DEL MECANISMO ELEVADORLa determinación de la capacidad del mecanismo, se realiza cuando se tiene el NAME, de acuerdo a la Figura 6.

Cme = f + Wc + Wv

Donde:Cme= Capacidad del mecanismo elevador, en kg.f = fuerza de fricción que se produce en las guías de la compuerta originada por el empuje hidrostático (E), que actúa en la hoja de la compuerta = E en la que: = coeficiente de fricción que puede considerarse para efectos de diseño de 0.35 para compuertas de fierro fundido con asientos de fierro pulidos a máquina.Wc y Wv= Pesos de la Compuerta y Vástago, en kg.

DISEÑO DEL CANAL DESARENADORLa determinación de las características geométricas del desarenador se basa en las condiciones de funcionamiento, y así, para determinar dichas características, se consideran fundamentalmente dos formas de operación del canal:1) Canal desarenador cerrado y obra de toma abierta.2) Canal desarenador abierto y obra de toma cerrada.

Canal desarenador abierto y bocatoma cerradaEsta condición de funcionamiento tiene como objetivo desalojar los materiales o azolves que se hayan acumulado frente a la toma, a través de la apertura y cierre de las compuertas del desarenador. Para restablecer el flujo, se recomienda una velocidad (VD) entre 1.5 y 3.5 m/s. De Manning establece que:

S = pendiente de diseño del canal desarenador.Vd= velocidad de salida del desarenador.r= radio hidráulico, m.n = coeficiente de rugosidad de Manning.

DISEÑO DEL VERTEDOR DE EXCEDENCIASW. P. Creager ideó un perfil al que denominó cimacio, siendo el más usado en obras de excedencias de presas, tanto derivadoras como de almacenamiento.La función que establece la relación entre el caudal y las dimensiones del vertedor está dada por:

Q = CLH3/2 (11)

Donde:Q = gasto de avenida máxima, m3/s.C = coeficiente de gasto= 2 m/s para vertedor tipo cimacio (Creager o Scimeni).L = longitud del vertedor, m.H = carga del vertedor, m.Los valores de L y H se eligen considerando las condiciones físicas del sitio para ubicar la cortina, previendo el costo de la misma, las excavaciones que se originan, la altura de los muros de protección y de encauzamiento, etc.

Bibliografía:

Secretaria de Recursos Hidráulicos (S.R.H.) 2004.“Presas de derivación modelo México”SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓNArteaga, T. R. E. 2008. “Obras hidráulicas-Apuntes de clase”

RÁPIDAS

Las rapidas son estructuras que sirven para enlazar dos tramos de un canal donde existe un desnivel considerable en una longitud relativamente corta.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

1. Coeficiente de rugosidad de ManningEn el calculo de las caracteristicas 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 rapida de concreto, se asume valores de n = 0.014 y en el calculo de niveles de energia valores de n = 0.010.

2. TransicionesLas transiciones en una rapida abierta, deben ser disenadas para prevenir laformacion de ondas. Un cambio brusco de seccion, sea convergente o divergente,puede producir ondas que podrian causar perturbaciones, puesto que ellas viajana traves del trazo inclinado y el disipador de energia. Para evitar la formacion deondas, la cotangente del angulo de deflexion de la superficie de agua en el planode planta desarrollado de cada lado de una transicion no deberia ser menor que3.3775 veces el numero de Froude (F). Esta restriccion sobre angulos de deflexionse aplicaria para cada cambio de seccion hecha en la entrada, en el tramoinclinado o en la poza disipadora. Si esta restriccion no controla el angulo dedeflexion, el maximo angulo de deflexion de la superficie de agua en la transicionde entrada puede ser aproximadamente 30o. El angulo de la superficie de aguacon el eje en la transicion de salida puede ser aproximadamente 25o comomaximo. El maximo angulo de deflexion es calculado como sigue:

Donde:

d = Tirante de agua normal al piso de la rapida; usando d = area de la seccion/ ancho superior de la secciong = Aceleracion de la gravedad (9.81 m/seg2, o sea 32.2 pies/seg2)K = Un factor de aceleracion, determinado:- Con el piso de la transicion en un plano K = 0- Con el piso de la transicion en una curva circular:

- Con el piso de la transicion en una curva parabolica:

El Bereau of Reclamation limita el valor de K hasta un maximo de 0.5, paraasegurar una presion positiva sobre el piso.Puede ser usado el promedio de los valores de F en el inicio y final de latransicion.En (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 esta siendo considerado (m/seg)L = angulo de la gradiente del piso en el final de la trayectoria Lo = angulo de la gradiente del piso en el final de la trayectoria LT = angulo de la gradiente del piso en el punto que esta siendo considerado

El angulo acampanado y los anchos para varios puntos a lo largo de la transicionpueden ser calculados y trazados. Una cuerda que se aproxime a la curva teoricapuede ser dibujada para determinar el acampamiento a ser usado. Limitando elangulo de acampamiento en una transicion de entrada, se minimiza la posibilidadde separacion y el inicio de flujo pulsante en aquella parte de la estructura.Las transiciones de entrada asimetricas y cambios de alineamientosinmediatamente aguas arriba de la estructura, deben evitarse porque puedenproducir ondas cruzadas o flujo transversal que continuara en el tramo inclinado.

3. Tramo inclinadoLa seccion usual para una rapida abierta es rectangular, pero las caracteristicasde flujo de otras formas de seccion, pero las caracteristicas de flujo de otrasformas de seccion, deben ser consideradas donde la supresion de ondas es unaimportante parte del diseno. La economia y facilidad de construccion son siempreconsideradas en la eleccion de una seccion. Cuando es necesario incrementar laresistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan “unas” para mantener laestructura dentro de la cimentacion.Para rapidas menores de 9 m (30 pies) de longitud, la friccion en la rapida puedeser despreciable. La ecuacion de Bernoulli es usada par a calcular las variables de flujo al final del tramo inclinado.

d1 + hv + z = d2 +hv2 +hf

Es resuelta por tanteo. La distancia z es el cambio en la elevacion del piso. Paratramos inclinados de longitud mayor de 9m (pies), se incluyen las perdidas porfriccion sera:

d1 + hv1 + z = d2 +hv2 +hf

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)L = Cantidad hv es la perdida por friccion en el tramo y es igual a la pendiente defriccion promedio Sa en el tramo, multiplicado por la longitud del tramo L.

El coeficiente n de Manning es asumido en 0.010. La pendiente de friccion Sf en un punto del tramo inclinado es calculado como:

Donde:R = Radio hidraulico del tramo inclinado (m).Usando la ecuacion (5) o la (6), se asume Sa y se calculan y comparan los nivelesde energia. Deben hacerse tanteos adicionales hasta balancear los dos niveles deenergia.

Otra forma de la ecuacion en que la friccion es considerada es:

Donde:Ss = Pendiente de friccion promedioSf = Pendiente de fondo del tramo inclinado

Usando la ecuacion (7), se usa un procedimiento, en el cual se asumen pequenoscambios de energia y se calcule el correspondiente cambio en longitud. Esteprocedimiento es repetido hasta que el total de los incrementos de longitud seaigual a la longitud del tramo que esta siendo considerado. Mientras menor sea elincremento de longitud, mayor sera la precision.

La altura de los muros en el tramo inclinado de seccion abierta seria igual almaximo tirante calculado en la seccion, mas un borde libre, o a 0.4 veces eltirante critico en el tramo inclinado; mas el borde libre cualquiera que sea mayor.El borde libre minimo recomendado para tramos inclinados de rapidas en canales abiertos (con una capacidad < 2.8 m3/seg. o sea < 100 pies3/seg.) es 0.30m (12 pulg.). El tirante y el borde libre son medidos perpendicularmente al borde deltramo inclinado.

4. TrayectoriaCuando el disipador de energia es una poza, un corto tramo pronunciado debeconectar la trayectoria con la poza disipadora. La pendiente de este tramo seriaentre 1.5:1 y 3:1, con una pendiente de 2:1 preferentemente. Pendientes mas suaves pueden ser usadas en casos especiales, pero no deben usar pendientes bmas suaves que 6:1. Se requiere de una curva vertical entre el tramo inclinado y el tramo con pendiente pronunciada. Una curva parabolica resultaria en un valor de K constante en la longitud de la curva y es generalmente usado. Una trayectoria parabolica puede ser determinada de la siguiente ecuacion:

Donde:X = Distancia horizontal desde el origen hacia un punto sobre la trayectoria (m)Y = Distancia vertical desde el origen hacia el punto X en la trayectoria (m)LT= Longitud horizontal desde el origen hacia el fin de la trayectoria (m)L =Angulo de inclinacion del tramo inclinado al final de la trayectoria0 =Angulo de inclinacion del tramo inclinado al comienzo de la trayectoria

5. Poza disipadoraEn una poza disipadora el agua fluye desde el tramo corto de crecientepronunciada a una velocidad mayor que la velocidad critica. El cambio abrupto enla pendiente, donde la pendiente suave del piso de la poza disipadora se une conel tramo corto de pendiente pronunciada, fuerza al agua hacia un salto hidraulicoy la energia es disipada en la turbulencia resultante.

Donde:b = Ancho de la poza (m)Q = Caudal (m3/seg)

Una poza disipadora y una transicion de salida construidas para las dimensionesrecomendadas talvez no contengan completamente la salpicadura causada por laturbulencia pero la estructura debe contener suficiente la turbulencia paraprevenir dalos por erosion despues de la estructura.

6. Formación de OndasLas ondas en una rapida son objetables, porque ellas pueden sobrepasar losmuros de la rapida y causar ondas en el disipador de energia. Una poza disipadorano seria un disipador de energia efectivo con este tipo de flujo porque no puedeformarse un salto hidraulico estable.Un flujo no estable y pulsatil puede producirse en rapidas largas con una fuerte pendiente.La maxima altura de onda que puede esperarse es dos veces el tirante normal para la pendiente, y la capacidad maxima del flujo momentaneo inestable y pulsatil es dos veces la capacidad normal. Flujo transversal u ondas cruzadas pueden tambien desarrollarse en una rapida. Estas ondas son causadas por:

1. Transiciones abruptas de una seccion del canal a otra.2. Estructuras asimetricas.3. Curvas o angulos en el alineamiento de la rapida.

Bibliografía:

Estructuras Hidráulicas (apuntes en revisión-2008)

Hugo Amado Rojas rubio