PGINAS WEB (LINKOGRAFA)

http://staff.civil.uq.edu.au/h.chanson/reprints/jhr94_2.pdf

http://www.roanokecountyva.gov/DocumentCenter/Home/View/201

http://www.fhwa.dot.gov/engineering/hydraulics/pubs/06086/hec14.pdf

http://ocw.mit.edu/courses/earth-atmospheric-and-planetary-sciences/12-090-introduction-to-fluid-motions-sediment-transport-and-current-generated-sedimentary-structures-fall-2006/course-textbook/ch5.pdf

INTRODUCCINEn muchas circunstancias, los vertidos de las alcantarillas y canales pueden causar problemas de erosin. Para mitigar esta erosin, la energa puede disiparse antes de la liberacin de aguas abajo.El exceso de energa por lo general debe ser disipado de una manera tal como para evitar la erosin en canales abiertos sin o con revestimiento. En este contexto, " el exceso de energa " significa el exceso de velocidad del agua que provoca la erosin y tambin acta como limpiador en un canal abierto El dao erosivo puede ocurrir incluso a bajas velocidades de flujo cuando el agua provoca turbulencia o remolinos, aunque a un ritmo ms lento.Es por estos motivos que las estructuras de disipacin de energa y otras infraestructuras de proteccin se utilizan en lugares que son propensos a la erosin Se suelen encontrar los excesos de energa en las constricciones del Canal (tales como puertas, vertederos , otros)1. Empinadas laderas de cama longitudinales2. Gotas en la elevacin3. La disipacin de energa es casi siempre necesario aguas abajo del flujo supercrtico La disipacin de energa tambin puede ser deseable en las secciones de canales alineados.Las estructuras de disipacin de energa se encuentran normalmente en: 1. gotas repentinos en la elevacin de cama2. Los extremos de aguas abajo de los canales de sucursales, canales y canaletas (especialmente donde vierten en secciones de tierra )3. Outlets de alcantarillas y sifones invertidos4. Estructuras que causan un flujo supercrtico (por ejemplo, puertas underflow )5. Estructuras causan turbulencia aguas abajo y remolinos

TIPOS DE ESTRUCTURA DE DISIPACION DE ENERGALa mayora de las estructuras de disipacin de energa en canales abiertos se basan en:1. IMPACTO DE FRENTE EN UN SLIDO, QUE CUMPLE LA FUNCIN DE OBSTRUCCIN INAMOVIBLE.2. LA CREACIN DE UN SALTO HIDRULICO ESTABLEAmbas clases de estructura de disipacin de energa puede causar significativa turbulencia, con posterior reduccin de la energa hidrulica.

A. DISIPADORES DE ENERGA TIPO DE IMPACTOPublicaciones de la USBR afirman que los disipadores de energa de tipo impacto sobre estructuras de disipacin de energa son disipadores de energa hidrulicamente ms "eficientes" (Captulo VI: Diseo de Estructuras en Canal Pequeo - libro del USBR). Aqu, un diseo ms "eficiente" se define como el resultado en una o ms pequeas estructuras ms baratas para la misma capacidad de disipacin de energaLas dimensiones de diseo para estructuras de disipacin de energa son importantes porque un diseo inadecuado puede empeorar una erosin y /o aumentar el problema.Se han dado casos en los que la instalacin de una estructura de disipacin de energa ha causado ms erosin que el que se produjo sin ella.El USBR ha publicado las especificaciones de diseo para: 1. Los puntos desconcertados a eliminar 2. Los puntos de venta de tubos desconcertado3. Pozos stilling vlvula manga verticales.La estructura vertical en manga se ha diseado para disipaciones de energa en tuberas de abrir interfaces de canal (flujo de una tubera en un canal abierto)Los tres de las estructuras de disipacin de energa USBR anteriores son del tipo de impacto.

En la prctica, muchas variaciones de estructuras de disipacin de energa tipo impacto se pueden encontrar, entre ellas tenemos:a) Cuenco amortiguadoresb) Disipadores nivel Streambedc) Estructuras de cadad) Diseo parrilla

CUENCO AMORTIGUADORES

Tanques de reposo son disipadores de energa externos colocados a la salida de una alcantarilla, chute. Estas cuencas se caracterizan por una combinacin de bloques de tobogn, bloques deflectoras, y umbrales diseados para activar un salto hidrulico en combinacin con una condicin tailwater requerida. Con el agua de cola es necesario, la velocidad dejando un cuenco amortiguador adecuadamente diseado es igual a la velocidad en el canal de recepcin.

Dependiendo del diseo especfico, que operan en un rango de enfoque del flujo de nmeros de Froude desde 1,7 hasta 17 tal como se resume en la Tabla 8.1. Este captulo incluye los siguientes tanques de reposo: USBR Tipo III, USBR Tipo IV, y SAF. La Oficina de Reclamacin de los Estados Unidos (USBR) cuencas se desarrollaron sobre la base de estudios de modelos y la evaluacin de las cuencas existentes (USBR, 1987). El St. Anthony Falls (SAF) cuenco amortiguador se basa en estudios de modelos realizados por el Servicio de Conservacin de Suelos en el Laboratorio de Hidrulica Falls San Antonio de la Universidad de Minnesota (Blaisdell, 1959).Aplicable Nmero de Froude Rangos para tanques de reposo

Stilling BasinMinimum Approach Froude NumberMaximum Approach Froude Number

USBR Type III4.517

USBR Type IV2.54.5

SAF1.717

1 EXPANSIN Y LA DEPRESIN DE CUENCAS Stilling

Como se ha explicado en el captulo 4, mayor ser el nmero de Froude en la entrada de una cuenca, ms eficiente es el salto hidrulico y el ms corto de la cuenca resultante. Para aumentar el nmero de Froude como el agua fluye desde la alcantarilla a la cuenca, una expansin y la depresin se utiliza como se muestra en la Figura 8.1. La expansin y la depresin convierte profundidad, o la energa potencial, en energa cintica al permitir que el flujo se expanda, gota, o ambos. El resultado es que la profundidad disminuye y la velocidad y el nmero de Froude aumento.

El nmero de Froude utiliza para determinar la eficiencia de salto y para evaluar la idoneidad de tanques de reposo alternativos como se describe en la Tabla 8.1 se define en la Ecuacin 8.1.

Fr1 = N de Froude en la entrada a la cuenca V1 = velocidad de entrar en la cuenca, m / s (ft / s)y1 = profundidad de entrar en la cuenca, m (pies)g = aceleracin de la gravedad, m / s2 (ft / s2)

Para resolver para la velocidad y la profundidad de entrar en la cuenca, el balance de energa est escrito desde la salida de la alcantarilla a la cuenca. Sustituyendo Q / (y1WB) para V1 y despejando resultados Q en:

Para resolver para la velocidad y la profundidad de entrar en la cuenca, el balance de energa est escrito desde la salida de la alcantarilla a la cuenca. Sustituyendo Q / (y1*WB) para V1 y despejando resultados Q en:

Donde,WB = ancho de la cuenca, m / s (ft / s)Vo = velocidad de salida de la alcantarilla, m / s (ft / s)y1 = profundidad de entrar en la cuenca, m (pies)yo = profundidad de salida de la alcantarilla, m (pies)Z1 = elevacin del terreno en la entrada cuenca, m (pies)Zo = elevacin del terreno en la salida de la alcantarilla, m (pies)La ecuacin 8.2 tiene tres incgnitas y1, BM, y z1. El y1 profundidad puede ser determinado por ensayo y error si se supone que WB y z1. WB debe limitarse a la anchura que un chorro estallara naturalmente en la distancia inclinada L.

LT = longitud de transicin de salida de la alcantarilla a cuenca, m (ft) ST = pendiente de la transicin, m / m (ft / ft)Fro = salida de nmero de FroudeDado que el flujo es supercrtico, el valor y1 juicio debe comenzar cerca de cero y aumentar hasta alcanzar el diseo Q. Esta profundidad, y1, se utiliza para encontrar la consecuente (conjugado) de profundidad, y2, utilizando la ecuacin de salto hidrulico:

Donde,y2 = profundidad conjugada, m (pies)y1 = profundidad acercarse el salto, m (pies)C = relacin entre la salida del agua a la profundidad conjugada, TW / y2Fr1 = Nmero de enfoque Froude

Para un salto hidrulico libre, C = 1,0. Las secciones posteriores sobre los tipos cuenco amortiguador individuales proporcionan orientacin sobre el valor de C para las cuencas. Para que se produzca el salto, el valor de y2 + z2 debe ser igual o inferior a TW + z3 como se muestra en la Figura 8.1. Si z2 + y2 es mayor que z3 + TW, la cuenca se debe bajar y el proceso de ensayo y error repite hasta que exista suficiente agua de salida a la fuerza del salto.Con el fin de realizar esta comprobacin, Z3 y las longitudes de cuenca deben determinarse. La longitud de la transicin se calcula de:

donde,LT = longitud de la transicin de la toma de alcantarilla hasta el fondo de la cuenca, m (ft)ST = pendiente de la transicin de entrar en la cuenca, m / m (ft / ft)La longitud de la cuenca, LB, depende del tipo de la cuenca, la profundidad del flujo de entrada, y1, y el nmero de Froude de entrada, Fr1. Figura 8.2 describe estas relaciones para el salto hidrulico gratuito, as como varios tanques de reposo del Bureau.

DISIPADORES NIVEL STREAMBED

Este captulo contiene disipadores de energa para salidas de alcantarillas que estn diseados para operar en el nivel del cauce y restablecer las condiciones naturales de flujo aguas abajo de la toma de la alcantarilla. Ellos tambin tienen el propsito de drenar por gravedad cuando no est en funcionamiento. Las siguientes secciones contienen limitaciones, gua de diseo y ejemplos de diseo para los siguientes disipadores de energa: Universidad Estatal de Colorado (CSU) cuenca lmite rgido Cuenca Contra Costa Cuenca Hook US Bureau of Reclamation (USBR) Tipo cuenca de impacto VI

1 CSU RGIDO lmite de la cuenca

La Universidad del Estado de Colorado (CSU) cuenca del lmite rgido, que se ilustra en la Figura 9.1, utiliza filas escalonadas de elementos de rugosidad para iniciar un salto hidrulico (Simons, 1970). CSU prob un nmero de cuencas con diferentes configuraciones de rugosidad para determinar el coeficiente medio de arrastre sobre la parte rugosa de las cuencas. Los efectos de los elementos de rugosidad se reflejan en un coeficiente de arrastre que se deriv empricamente para cada configuracin de rugosidad. El procedimiento experimental fue medir profundidades y velocidades en cada extremo del volumen de control se ilustra en la Figura 9.2, y calcular el coeficiente de arrastre cuenca, CB, a partir de la ecuacin de momento mediante el equilibrio de las fuerzas que actan sobre el volumen de fluido.

Los resultados de la prueba indican CSU varias limitaciones de diseo. La altura de los elementos de rugosidad, h, debe estar entre 0,31 y 0,91 de la profundidad media del flujo de aproximacin, yA, y, la separacin relativa, L / h, entre las filas de elementos, debe ser o 6 o 12. Esta ltima no es una restriccin severa desde espaciamiento relativo es normalmente un parmetro fijo en un procedimiento de diseo y otras pruebas (Morris, 1968) han demostrado que la mejor escala para la disipacin de energa es de 6 a 12.

Las configuraciones de rugosidad a prueba y los resultados de las pruebas correspondientes para CB se muestran en la Figura 9.3 y la Tabla 9.1, respectivamente. Para disear un lavabo, el diseador selecciona una cuenca en la Figura 9.3 y utiliza el valor CB de la Tabla 9.1 en la siguiente ecuacin de momento para determinar la velocidad de la cuenca (VB) si la pendiente es inferior al 10%:

Donde,yo = profundidad a la salida de la alcantarilla, m (pies)Vo = velocidad en la salida de la alcantarilla, m / s (ft / s)Wo = ancho de la alcantarilla en la salida de la alcantarilla, m (pies)VA = Velocidad de aproximacin en dos anchos de alcantarilla aguas abajo de la salida de la alcantarilla, m / s (ft / s)VB = velocidad de salida, justo aguas abajo de la ltima fila de elementos de rugosidad, m / s (ft / s) anchura WB = cuenca, justo abajo de la ltima fila de elementos de rugosidad, m / s (ft / s) N = nmero total de elementos de rugosidad de la cuencaAF = rea frontal de un elemento rugosidad total, m2 (pies2)CB = coeficiente de arrastre cuenca (ver Figura 9.3)Cp = impulso coeficiente de correccin para la presin a la salida de la alcantarilla (vase la Figura 9.4) = peso unitario del agua, 9810 N / m3 (62,4 libras / pie3) = densidad del agua, 1000 kg / m3 (1,94 babosas / ft3)

Los valores CB enumeradas son para relaciones de expansin, WB / Wo, del 4 al 8 basado en las configuraciones probadas. Valores CB desarrollados para la WB / Wo = configuracin 4 tambin son vlidos para relaciones de expansin de menos de 4, pero mayor que o igual a 2, siempre y cuando el mismo nmero de elementos de rugosidad, N, se colocan en la cuenca. Por estas relaciones de expansin ms pequeos, esto puede requerir aumentar el nmero de filas, NR, para lograr el N necesarias que se muestran en la Figura 9.3. Los elementos para todas las cuencas estn dispuestos simtricos alrededor de la lnea central de la cuenca. Todas las cuencas se dilataron al ancho WB del correspondiente cuenca expansin abrupta.

Figura 9.3. Configuraciones de rugosidad Probado

Tabla 9.1. Los valores de diseo para elementos de rugosidad

ESTRUCTURAS DE CADA

Estructuras de cada se utilizan comnmente para el control de flujo y la disipacin de energa. Cambio de la pendiente del canal de empinada a leve, mediante la colocacin de estructuras de cada a intervalos a lo largo del alcance de canal, cambia una pendiente pronunciada continua en una serie de suaves pendientes y desniveles. En lugar de reducir la velocidad y la transferencia de alta velocidad de erosin que producen en velocidades bajas no erosiva, caen las estructuras de control de la pendiente del canal de tal manera que las velocidades de erosin, altas nunca desarrollan. La energa cintica o velocidad adquirida por el agua, ya que cae sobre la cima de cada estructura se disipa por un delantal diseado especialmente o cuenco amortiguador.

Las estructuras de cada discutidas aqu (vase la Figura 11.1) requieren una lmina de agua aireada y son, en general, para el flujo subcrtico en el sentido ascendente, as como canal descendente. El efecto del flujo supercrtico aguas arriba sobre la estructura de gota de diseo se discute en una seccin posterior. El cuenco amortiguador protege el canal frente a la erosin por debajo de la cada y disipa la energa. Esto se logra mediante el impacto de la cada del agua en el suelo, la redireccin del flujo y la turbulencia. El cuenco amortiguador utilizado para disipar el exceso de energa puede variar de un delantal de hormign simple de un delantal con obstrucciones de flujo, tales como bloques deflectores, alfizares, o subidas bruscas. La longitud de la plataforma de hormign necesario se puede acortar mediante la adicin de estos accesorios.

Figura 11.1. Flujo Geometra de un aliviadero gota Heterosexual

El nmero de estacin da una medida cuantitativa para soltar:

Donde,Nd = nmero de estacinq = unidad de descarga, m3 / s / m (ft3 / s / ft)g = aceleracin de la gravedad, 9,81 m / s2 (32,2 pies / s2)ho = altura de cada, m (pies)Otra medida cuantitativa comnmente usado para la gota est dada por:

donde,Dr = cada relativayc = profundidad crtica en la cada, m (pies)ho = altura de cada, m (pies)

DISEO PARRILLA

Una rejillao una serie decarrilesque forman un"Grizzly"pueden ser utilizados en conjuncin conestructuras de cada, como se ilustraen la figura11.2.Elflujo de entradase divide en unnmero de chorrosmedida que pasa atravs de la rejilla. Estoscaencasi verticalmenteal canalaguas abajo,como resultado una buenaaccin de disipadorde energa.Este tipo dediseo tambinse utiliza comoun eyector de escombrosdondelos paseosde escombrossobrela rejaycae enuna zona de espera para el retiroms tarde y elagua pasa atravs de la rejilla.ElBureau of Reclamation ha publicadorecomendaciones para el diseodelas rejillas(USBR,1987)para su uso en el que elflujo de entradaessubcrtico.La longitudde la rejillase calculaa partir de:

Donde,C = coeficiente experimental igual a 0,245W = anchura de las ranuras, m (ft)N = nmero de slots (espacios) entre las vigasyo = profundidad de contraflujo, m (pies)

El proceso de diseo es iterativo basado en el nmero de ranuras y la anchura de la ranura. El USBR (1987) recomienda las siguientes pautas:

1. Seleccione una anchura inicial de la ranura. Proporcionar una anchura de ranura completa en cada pared.2. Anchura de haz debe ser aproximadamente 1.5W3. Estimar el nmero de ranuras, N, para su uso en la Ecuacin 11.44. Calcular la longitud de la rejilla utilizando la Ecuacin 11.4. Ajuste el ancho de la ranura hasta una longitud de viga aceptable, LG, se obtiene.5. Incline la rejilla de aproximadamente 3 aguas abajo para ser auto-limpieza.

El examen de la ecuacin de longitud de la viga indica el efecto relativo de velocidades de acceso mayores en el diseo de estructuras de cada. Suponiendo que la anchura de la ranura, W, se aproxima a la anchura del canal haciendo N igual a 1, y teniendo en cuenta una tasa de flujo constante, entonces la relacin en la ecuacin 11.4 revela que la longitud de la rejilla es inversamente proporcional a la raz cuadrada de la profundidad de enfoque. Para constante Q, ya que la velocidad de aproximacin aumenta disminuye la profundidad de aproximacin y la longitud LG aumenta. Por lo tanto, para el flujo de alta velocidad, por encima de la velocidad crtica, la longitud de la estructura gota requiere, para contener el chorro, puede exceder muy rpidamente lmites prcticos.

B. SALTO HIDRULICOEl salto hidrulico es un fenmeno natural que se produce cuando el flujo supercrtico se ve obligado a cambiar a flujo subcrtico por una obstruccin al flujo. Este cambio abrupto en la condicin de flujo est acompaado por una considerable turbulencia y la prdida de energa. En los canales abiertos, una transicin de regmenes de flujo subcrtico a supercrtico da como resultado una muy poca prdida de energa hidrulica localizada. Pero, la transicin opuesta, desde supercrtico a subcrtico, implica una prdida hidrulica de salto y energaLa prdida de energa a travs de un salto hidrulico puede ser significativo, por lo que los saltos pueden ser aplicados a las aplicaciones de disipacin de energa en los canales abiertos

La prdida de energa a travs de un salto hidrulico (aguas arriba a aguas abajo) es igual a la diferencia en la energa especfica:

La prdida de energa puede ser estimada a partir de mediciones de profundidad y caudal. En los diseos, la prdida de energa debido a que el salto hidrulico es desconocido, por lo que se debe aplicar la funcin del impulso para determinar una profundidad conjugada, a continuacin, aplicar la ecuacin. 1Para un nmero de Froude dado, la velocidad y la profundidad de aguas arriba de flujo: Una seccin transversal rectangular da la menor prdida de energa Una seccin transversal triangular da la mayor prdida de energaLas secciones transversales con lados inclinados proporcionan corrientes secundarias ms pronunciadas (Esencialmente ortogonal a la direccin de la corriente del reloj), lo que tambin ayuda a disipar energa hidrulica. Por lo tanto, los saltos hidrulicos en secciones transversales trapezoidales dan disipacin de energa de regulares magnitudes en algn lugar entre los extremos de la base rectangular y lados triangulares que conforman la seccin transversal.Algunos parmetros importantes del salto hidrulico, como la longitud de salto y la ubicacin, se determinan experimentalmente, no tericamente. Por lo tanto, los procedimientos de diseo para disipadores de energa de salto hidrulico siempre incluyen ecuaciones empricas.El salto hidrulico se puede ilustrar mediante el uso de un diagrama de energa especfica, como se muestra en la Figura 6.1. El flujo entra en el salto a una velocidad supercrtica, V1, y la profundidad, y1, que tiene una energa especfica de E = y1 + V12 / (2g). El trmino de energa cintica, V2 / (2 g), es la predominante. A medida que la profundidad de la corriente aumenta a travs del salto, la energa especfica disminuye. El fluido sale de la zona de salto a una velocidad subcrtico con la energa potencial, y, predominante.

Figura 6.1. Salto Hidrulico1. TIPOS DE SALTO HIDRULICOCuando el nmero de Froude aguas arriba, Fr, es 1.0, el flujo es crtico y en un salto no se puede formar. Para los nmeros de Froude mayor que 1.0, pero menos de 1.7, el flujo aguas arriba es slo ligeramente por debajo de la profundidad crtica y el cambio de flujo supercrtico a subcrtico se traducir en slo una ligera perturbacin de la superficie del agua. En el extremo superior de este rango, el Fr se acerca a 1.7, la profundidad aguas abajo ser aproximadamente el doble de la profundidad de entrada y la velocidad de salida de la mitad de la velocidad de la corriente.La Oficina de Reclamaciones (USBR, 1987) ha relacionado en el formulario salto y caudal caractersticas del nmero de Froude para nmeros de Froude mayores a 1.7, como se muestra en la Figura 6.2. Cuando el nmero de Froude de aguas arriba es de entre 1.7 y 2.5, un rodillo comienza a aparecer, cada vez ms intenso cuando el nmero de Froude aumenta. Este es el rango pre-salto con la prdida de energa muy bajo. La superficie del agua es bastante suave, la velocidad uniforme en toda la seccin transversal, y la prdida de energa en el intervalo de 20 por ciento.

Figure 6.2. Jump Forms Related to Froude Number (USBR, 1987)

Una forma oscilante de salto se produce para los nmeros de Froude entre 2,5 y 4,5. El chorro entrante fluye alternativamente cerca de la parte inferior y luego a lo largo de la superficie. Esto da lugar a ondas de superficie objetables que pueden causar problemas de erosin aguas abajo del salto.Un salto bien equilibrado y estable se produce cuando el nmero de Froude flujo de entrada es mayor que 4.5. La turbulencia del fluido se limita principalmente al salto, y para los nmeros de Froude hasta 9,0 la superficie del agua aguas abajo es relativamente suave. Se puede esperar saltos con prdida de energa de 45 a 70 por ciento.Con nmeros de Froude mayores a 9,0, se produce un salto muy eficiente, pero la superficie del agua spera puede causar problemas de erosin aguas abajo.El salto hidrulico ocurre comnmente con las condiciones de flujo naturales y con un diseo adecuado puede ser un medio eficaz para disipar la energa en las estructuras hidrulicas. Se necesitan expresiones para calcular la relacin antes y despus de la profundidad de salto (profundidades conjugadas) y la longitud de salto para disear disipadores de energa que inducen un salto hidrulico.

2. SALTO HIDRULICO EN CANALES HORIZONTALES

El salto hidrulico en cualquier forma de canal horizontal es relativamente simple para analizar (Sylvester, 1964). Figura 6.3 indica el volumen de control utilizado y las fuerzas involucradas. La seccin de control 1 es antes del salto, donde el flujo es sin perturbaciones, y la seccin de control 2 es despus del salto, donde el flujo de agua es paralelo al fondo para ser tomado de nuevo como seccin de control. La distribucin de la presin en ambas secciones se supone hidrosttica. El cambio en el momento de la corriente que entra y que sale es equilibrado por la resultante de las fuerzas que actan sobre el volumen de control, es decir, la presin y las fuerzas de friccin de contorno. Dado que la longitud del salto es relativamente corta, las prdidas de energa externas (fuerzas de friccin de contorno) pueden ser ignorados sin introducir error grave. Tambin, un canal puede ser considerado horizontal hasta una pendiente de 18 por ciento (10 grados de ngulo con la horizontal) sin introducir error grave. La ecuacin de momento ofrece para solucin de la profundidad consecuente, y2, y la velocidad aguas abajo, V2. Una vez que se conocen, las prdidas de energa interna y la eficiencia de salto se pueden determinar mediante la aplicacin de la ecuacin de la energa.

Figura 6.3. Salto hidrulico en un canal horizontal

La forma general de la ecuacin de momento se puede utilizar para la solucin del salto hidrulico de relacin consecuente con la profundidad en cualquier forma de canal con un suelo horizontal. Definicin de una cantidad impulso a medida, M = Q2 / (GA) + AY y reconociendo que el momento se conserva a travs de un salto hidrulico, entonces se puede escribir de la siguiente manera:Q2 / (gA1) + A1Y1 = Q2 / (gA2) + A2Y2 (6.1)Donde,Q = caudal de canal, m3 / s (ft3 / s)A1, A2 = zonas de flujo transversal en las secciones 1 y 2 , m2 (ft2) Y1, Y2 = profundidad desde la superficie del agua al centroide de rea de seccin transversal, m (ft)La profundidad de la superficie del agua para el centroide del rea de seccin transversal puede ser definida como una funcin de la forma de canal y la profundidad mxima: Y = Ky . En esta relacin, K es un parmetro que representa la forma de canal mientras que y es la profundidad mxima en el canal. Sustituyendo esta cantidad en la ecuacin 6.1 y reordenando trminos se obtiene:A1 K 1 y1 - A2 K2 y2 = (1/A2 - 1/A1) Q2/gReorganizar y utilizando Fr12= V12/ (gy1) = Q2 / (A12gy1), obtenemos:A1 K1 y1 - A2 K2 y2 = Fr12 A1 y1 (A1 /A2 -1).Dividiendo esta por A1 y1 ofrece:K2 A2 y2 / (A1 y1) - K1 = Fr12 (1 - A1 /A2) (6.2)Esta es una expresin general para el salto hidrulico en un canal horizontal. Las constantes K1 y K2 y la relacin A1 / A2 se han determinado para canales en forma rectangular, triangular, parablicas, circulares, trapezoidales por Sylvester (1964). Las relaciones de formas rectangulares y circulares se resumen en las siguientes secciones.

2.1 CANALES RECTANGULARES Para un canal rectangular, sustituyendo K1 = K2 = 1/2 y A1 / A2 = y1 / y2 en la ecuacin 6.2, la expresin se convierte en: y22 / Y12 -1 = 2Fr12 (1 - y1 / y2) Si y2 / y1 = J, la expresin para un salto hidrulico en un canal horizontal, rectangular se convierte Ecuacin 6.3, que se representa como en la Figura 6.4.

La longitud del salto hidrulico puede determinarse a partir de la Figura 6.5. La longitud del salto se mide a la seccin aguas abajo en la que la superficie media de agua alcanza la profundidad mxima y se convierte en razonable nivel. Los errores pueden ser introducidos en la determinacin de la longitud desde la superficie del agua es ms bien plana cerca del final del salto. Esta es sin duda una de las razones por lo que muchas frmulas empricas para determinar la longitud del salto se encuentran en la literatura. La longitud salto para cuencas rectangulares se ha estudiado ampliamente. Los flujos con nmeros de Froude inferiores a 1,7 pueden no requerir tanques de sedimentacin, pero pueden requerir proteccin como escollera y ala paredes y delantal. Para los nmeros de Froude entre 1.7 y 2.5, la prdida de energa es menor que 20 por ciento; la profundidad conjugado es aproximadamente tres veces la profundidad de flujo entrante; y, la longitud de la cuenca requerida es menor de aproximadamente 5 veces la profundidad conjugado. Muchas alcantarillas de carreteras operan en este rango de caudal. En nmeros de Froude ms altos, el uso de deflectores y umbrales hacen posible reducir la longitud cuenca y estabilizar el salto sobre una gama ms amplia de situaciones de flujo.

Figure 6.4. Salto hidrulico horizontal, canal horizontal

Figure 6.5. Longitud de salto hidrulico en canal rectangular.

2.2 CANALES CIRCULARESCanales circulares se dividen en dos casos: cuando y2 es mayor que el dimetro, D, y donde y2 es menor que D. Para y2 menos de D:

Para y2 mayor o igual a D:

C y K son funciones de y/D y pueden ser evaluados de la Tabla 6.1.Tabla 6.1. Coeficientes para horizontales, canales circulares.

Y/D0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0

K0.4100.4130.4160.4190.4240.4320.4450.4620.4730.500

C0.0410.1120.1980.2930.3930.4940.5870.6740.7450.748

C0.6000.8000.9170.9801.0000.9800.9170.8000.600

En las ecuaciones 6.4 y 6.5, Fr1 se calcula utilizando la profundidad mxima en el canal. Figura 6.6 se puede utilizar como una alternativa a estas ecuaciones.Alternativamente, el diseador puede calcular un nmero de Froude basado en la prof. hidrulica, Frm. = V / (gym) 1/2. Donde ym = (C/C ') D ym = A/T. Por primera expresin, C' se toma de la tabla 6.1. Para la segunda expresin, A es el rea de la seccin transversal de flujo y T es la anchura de la superficie del agua. Figura 6.7 es el grfico de diseo para canales horizontales y circulares utilizando la profundidad hidrulica en el clculo del nmero de Froude.La longitud del salto hidrulico se mide generalmente a la seccin aguas abajo en la que la media de la superficie del agua alcanza la profundidad mxima y se convierte razonablemente nivel. La longitud del salto en los canales circulares se determina utilizando la figura 6.8. Esta curva es para el caso donde y2 es menor que D. Para el caso en que y2 es mayor que D, la longitud debe ser tomado como siete veces la diferencia de profundidades, es decir, i.e., LJ = 7(y2 -y1).

Figure 6.6. Hydraulic Jump - Horizontal, Circular Channel (prof. real)

Figure 6.7. Hydraulic Jump - Horizontal, Circular Channel (prof. hidrulica)

Figure 6.8. Jump Length Circular Channel with y2 < D

2.3 SALTO DE EFICIENCIAUna expresin general para la prdida de energa (HL/H1) en cualquier canal de forma es:

Donde,Frm = nmero de Froude aguas arriba en la seccin 1, FRm2 = V2 / (gym) ym = profundidad hidrulico, m (ft) Esta ecuacin se traza para las diversas formas de canales como la Figura 6.9. A pesar de que la figura 6.9 indica que las secciones no rectangulares son ms eficientes para los nmeros de Froude ms altos, se debe recordar que estas secciones tambin implican ya saltos, problemas de estabilidad, y una superficie de aguas abajo spera.

Figure 6.9. Relativa prdida de energa para varias formas de canal

3. SALTO HIDRULICO EN LOS CANALES EN PENDIENTE

Figura 6.10 (Bradley, 1961) indica un mtodo de delinear saltos hidrulicos en canales horizontales e inclinadas. Canales horizontales (caso A) se discutieron en la seccin anterior. Canales inclinados se discuten en esta seccin. Si se selecciona el fondo del canal como un dato, la ecuacin de momento se convierte en: = peso unitario del agua, N / m3 (lb / ft3) = ngulo de canal con la horizontalB = anchura inferior del canal (canal rectangular), m (ft)w = peso del agua en volumen de control de salto, N (lb)La ecuacin de momento utilizado para los canales horizontales no puede ser aplicada directamente a saltos hidrulicos a canales en pendiente ya que el peso del agua dentro del salto debe ser considerado. La dificultad encontrada es en la definicin del perfil de la superficie de agua para determinar el volumen de agua dentro de los saltos para varias pistas de canal. Este volumen puede despreciarse para pendientes inferiores a 10 por ciento y el salto analizado como un canal horizontal.El Oficina de Reclamaciones (Bradley, 1961) llev a cabo extensas pruebas con modelos de salto en el caso B y tipo C para definir las relaciones de longitud y profundidad. Esta referencia debe ser consultada si se est considerando un salto hidrulico en un canal rectangular inclinado. Los ensayos con modelo se debe considerar si se estn considerando otras formas de canal.

Figure 6.10. Tipos salto hidrulico en canales inclinados (Bradley, 1961)

DISIPADORES INTERNOS

En situaciones donde no est limitada el derecho de paso para un disipador de energa ms all del punto de una alcantarilla o rampa hay varias opciones para disipadores internos o integrados, incluyendo la adicin de elementos de rugosidad internos en toda la alcantarilla o rampa o justo antes de la salida de descarga. Estos enfoques pueden ser aplicables dentro de barriles cerrados de alcantarilla (convencional o roto-back), as como de las mangas abiertas, generalmente rectangular,.Elementos de rugosidad son a veces una manera conveniente de controlar velocidades de salida para instalaciones de alcantarilla donde la alcantarilla no se utiliza a la capacidad, ya que est funcionando en el control de entrada. Estos elementos de rugosidad pueden ser diseados para ralentizar la velocidad en la alcantarilla incluyendo, en el lmite, la creacin de una condicin de flujo de volteo, donde la velocidad de salida se reduce a la velocidad crtica. Tales elementos de rugosidad internos pueden ser colocados a lo largo de toda la longitud de la alcantarilla o conducto, o simplemente cerca del final antes de la toma de corriente, dependiendo de las condiciones hidrulicas y condiciones de salida deseadas.

1. TUMBLING FLUJO

Elementos de rugosidad colocados en la alcantarilla o conducto abierto se pueden utilizar para disminuir las velocidades mediante la creacin de una serie de saltos hidrulicos en un fenmeno conocido como flujo de volteo (Peterson y Mohanty, 1960). Tumbling flujo es un disipador ptimo en pendientes pronunciadas. Se trata esencialmente de una serie de saltos hidrulicos que mantienen las trayectorias de flujo predominantes en la velocidad de aproximadamente crtico incluso en pendientes que de otro modo se caracterizan por altas velocidades supercrticas.Una preocupacin importante con volteo de flujo es que el limo puede acumularse en frente de los elementos de rugosidad y hacerlos ineficaces. Este es quizs injustificado como el elemento aumenta la capacidad de transporte de sedimentos y tiende a ser auto-limpieza.La premisa bsica del rgimen del tumbling flujo es que va a mantener el flujo esencialmente crtica, incluso en pendientes muy pronunciadas. El ltimo elemento se encuentra aguas arriba una distancia L/2 de la salida de modo que el flujo vuelve a unir a la cama del canal derecho en la salida. El primer elemento de una seccin ampliada, como se muestra en la Figura 7.1, tambin debe estar situado a una distancia L/2 aguas abajo del comienzo de la seccin ampliada. La distancia L/2, tanto para los primeros y ltimos elementos debera ser considerado como un mnimo.

Figura 7.1. Bosquejo definicin para Tumbling Flow en una alcantarilla

El procedimiento de diseo para el tumbling flujo de caja y circulares alcantarillas se puede resumir en los siguientes pasos:Paso 2. Calcular condiciones de flujo normales en la alcantarilla para determinar si las condiciones de descarga en la salida requieren mitigacin.Paso 3. Calcular la profundidad crtica y velocidad. Si la velocidad crtica es menor que o igual a la velocidad de salida deseada, cayendo de flujo puede ser un enfoque de disipacin de energa apropiada.Paso 4. Tamao de las alturas de los elementos, elemento de separacin, y otras caractersticas de diseo. Los detalles de diseo son diferentes para caja y alcantarillas circulares y se describen en las siguientes secciones.

2. Tumbling Flujo en el recuadro alcantarillas/Canalones

Canaletas de drenaje en la carretera de corte y relleno pendientes son sitios candidatos para los elementos de rugosidad disipadores de energa. El uso de elementos de rugosidad es razonable para pendientes de hasta 10 o 15 por ciento. Una de las principales limitaciones de volteo de flujo como un disipador de energa es que la altura requerida de los elementos de rugosidad est estrechamente relacionada con la descarga de una alcantarilla tamao dado. Por el contrario, la altura elemento requerido es menos sensible a la pendiente de la alcantarilla. Por ejemplo, dado un tamao de pendiente y de la alcantarilla, duplicando la descarga aumenta la altura requerida de elementos de rugosidad en aproximadamente un 50 por ciento en alcantarillas de la caja; mientras que, para una descarga dada, aumentando la pendiente de un cuatro por ciento a ocho por ciento aumenta la altura elemento requerido por menos de seis por ciento. Flujo que cae se establece en alcantarillas de cajn y conductos rectangulares con elementos de rugosidad colocados en la parte inferior de la alcantarilla como se muestra en la Figura 7.1. Profundidad crtica en una alcantarilla se calcula a partir de la unidad de descarga (descarga dividida por el ancho de la alcantarilla / tobogn, B).La velocidad crtica, que ser la velocidad de salida, se puede determinar usando la profundidad crtica y la ecuacin de continuidad.Tumbling flujo puede establecerse con bastante rapidez mediante el uso de una de las dos configuraciones. La primera configuracin es utilizar cinco filas de elementos de rugosidad de tamao uniforme, como se muestra en la figura 7.2a. Esta configuracin se recomienda para su uso en alcantarillas de cajn.

La segunda, alternativa, configuracin utiliza un elemento inicial ms grande, con cuatro filas adicionales de elementos de rugosidad de tamao uniforme, como se muestra en la figura 7.2b. (Tenga en cuenta que slo uno de los elementos uniformes se muestra). La configuracin alternativa no se considera ser una solucin prctica en alcantarillas de la caja ya que el tamao del elemento es probable que sea excesivo. Sin embargo, puede ser til para conductos abiertos.

La configuracin recomendada requiere un protector contra salpicaduras para revertir el chorro de flujo entre la primera y segunda filas de elementos. El protector contra salpicaduras tiene mrito ya que desva la llamada de chorro de "cola de gallo" contra el lecho del canal y trae el flujo bajo control muy rpidamente sin necesidad de utilizar un gran elemento principal rugosidad. Para alcantarillas de la caja, la parte superior de la alcantarilla puede servir como escudo. Sin embargo debe haber un deflector superior para ayudar a redirigir el flujo. El deflector superior no tiene que ser del mismo tamao que los elementos de cama.La configuracin recomendada es utilizar 5 filas de elementos de todo la misma altura, donde la altura se determina a partir de la siguiente ecuacin:

El espacio entre las filas de elementos de rugosidad, L, se establece por la eleccin de la relacin de L/h para estar entre 8,5 y 10, inclusive.La configuracin alternativa es utilizar un gran elemento rugosidad inicial seguida por cuatro elementos ms pequeos, como se muestra en la figura 7.2b. El gran elemento inicial rugosidad debe cumplir el siguiente requisito:Donde,

hi = gran altura inicial elemento, m (pies)y2 = profundidad consecuente requerido para un salto hidrulico, m (pies)La profundidad consecuente, y2, requerida para el salto hidrulico se calcula como sigue:Donde,Nmero de Froude Fr = en la condicin de aproximacin en la punta del salto, adimensionalEl elemento inicial grande es seguido por cuatro elementos ms pequeos con una altura calculada por la ecuacin 7.2, como antes.El espacio entre los pequeos elementos se determina mediante la seleccin de una relacin L/h entre 8,5 y 10 como antes. Espaciado, L1, entre el gran elemento inicial y el primer elemento es pequeo:Donde, = pendiente de la parte inferior de la alcantarilla expresa en grados (vase la Figura 7.2) = ngulo del chorro, tomada como 45 gradosyc = profundidad crtica (ver ecuacin 7.1), m (pies)