ESTRECHAMIENTO GRADUAL EN CANALES

Con el objetivo de diseñar canales menos costosos, se realiza un estrechamiento en canales ya que en la caída el agua pierde altura pero gana mucha velocidad manteniéndose su energía. Es al pie de la caída donde debe estar el sistema de disipación de energía que se basa siempre en la formación de un resalto hidráulico, fenómeno muy turbulento que disipa gran cantidad de energía. Generalmente para conseguir la formación del resalto hidráulico al pie de caída se disponía un cuenco amortiguador. El cuenco asegura un calado siempre alto al pie de la caída que obliga a la formación del resalto. En el caso de nuestros colectores subterráneos el cuenco amortiguador suponía el realizar una sobre excavación de una profundidad cercana a la altura de la caída. Esto supone dejar unos taludes durante la construcción mucho más altos lo que puede ocasionar más problemas de contención y, en definitiva, un coste de ejecución bastante mayor.

Es así que resulta mejor provocar la formación de un resalto hidráulico, la idea radica en estrechar la sección del canal unos metros después del pie de la caída. Para que circule el mismo caudal por la sección estrechada el calado debe ser mayor y, por tanto, el calado al pie de la caída se obliga a ser alto como en el caso del cuenco amortiguador. Con un diseño apropiado se puede conseguir que se forme también un resalto hidráulico con la ventaja que se sitúa por encima de la cota del pie de la caída ahorrándonos así la sobre excavación. Se añade también un pequeño escalón en la solera del canal coincidiendo con el estrechamiento para ayudar a la formación del resalto.

DISEÑO DE TRANSICIONES

La transición en un canal es una estructura diseñada para cambiar la forma o el área de la sección transversal del flujo. En estas condiciones normales de diseño e instalación prácticamente todos los canales y canaletas requieren alguna estructura de transición desde los cursos de agua y hacia ellos. La principal función de una estructura de este tipo es evitar pérdidas de energía excesivas, eliminar ondas cruzadas y otras turbulencias y dar seguridad a la estructura y curso de agua.

Si el diseño de la transición es para mantener las líneas de corrientes suaves y aproximadamente paralelas y para minimizar las ondas estacionarias se puede utilizar la teoría de flujo gradualmente variado para el diseño.

Los tipos comunes de transición incluyen transiciones de entrada y de salida entre canales y canaletas; entre canales y túneles, y entre canales y sifones invertidos.

Si el cambio en la profundidad o en el ancho es rápido, el flujo se convierte en rápidamente variado y pueden ocurrir ondas estacionarias.

TRANSICIÓN ENTRE CANALES Y CANALETAS O TUNELES

Con base en el comportamiento de estructuras existentes, se ha establecido los siguientes aspectos de importancia en el diseño.

A. PROPORCIONAMIENTO: para tener una transición bien diseñada debe considerarse las siguientes reglas para las dimensiones:1. El ángulo máximo óptimo entre el eje del canal y una línea que conecte los lados

del canal entre secciones de entrada y de salida es 12,5°.2. Evitar los ángulos agudos en la superficie del agua o en la estructura, ya que estos

inducirán ondas estacionarias extremas y de turbulencia.B. PÉRDIDAS: La pérdida de energía de una transición está compuesta por pérdidas de

fricción y pérdidas de conversión; las pérdidas de fricción pueden estimarse por medio de cualquier ecuación de flujo uniforme, como la ecuación de Maning. Esta pérdida a menudo tiene un efecto muy pequeño en el perfil de flujo de transición por lo que no se llega a tomar en cuenta en el diseño preliminar. La pérdida de conversión generalmente se expresa en términos del cambio en la altura de velocidad entre las secciones de entrada y de salida de la estructura.Para estructuras de entrada, la velocidad de entrada es menor que la velocidad de salida; es así que la superficie de agua siempre deberá caer por lo menos la diferencia completa entre las alturas de velocidad más una pequeña perdida por conversión conocida como perdida de entrada. Así que la caída ∆ y ' en la superficie del agua para estructuras de entrada puede expresarse como:

Donde: ∆ hv: Diferencia en la altura de velocidad C i: Coeficiente para la pérdida por entrada.Para estructuras de salida la velocidad se reduce, al menos en parte, con el fin de elevar la superficie de agua. Este aumento en la superficie del agua se conoce como recuperación de la altura de velocidad, a menudo va acompañado de una perdida por conversión conocida como perdida por salida. El aumento ∆ y ' en la superficie del agua para estructuras de salida puede expresarse como:

Donde: Co: Coeficiente para las pérdidas por salida Los valores de diseño recomendados para un diseño seguro de Ci y Co son los siguientes:

C. BORDE LIBRE: pueden utilizarse reglas aproximadas para la estimación del borde libre en canales revestidos y no revestidos. Para profundidades de flujo superiores a 12 pies, debe darse especial consideración al borde libre en la transición.A continuación las figuras 11-10 y 11-11 muestran, respectivamente, diseños comunes para una transición de entrada desde un canal a una canaleta y para una transición de salida desde una canaleta hasta un canal.El flujo en expansión en la transición de salida presenta a menudo un comportamiento hidráulico especial que no se debe ignorar.En un flujo que se expande la distribución de velocidades en la sección transversal pueden ser sustancialmente mayores que 1.0 y sus valores deben calcularse o superponerse de manera adecuada en el diseño. Adicionalmente una distribución no uniforme de velocidades puede causar asimetría en el flujo y por consiguiente desarrollar socavación en lugares con concentraciones altas de velocidad, se debe tener muy en cuenta este aspecto cuando la transición se diseña para canales erosionables.

D. ELIMINACIÓN DEL RESALTO HIDRÁULICO: la existencia del resalto hidráulico en una transición puede objetarse si obstaculiza el flujo y consume energía útil.Cuando la transición viene desde un flujo supercrítico a un flujo subcrítico, el resalto hidráulico puede eliminarse mediante proporcionamiento cuidadoso de las dimensiones de la transición.

FUENTE: HIDRAULICA DE CANALES VEN TE CHOW

FUENTE: HIDRAULICA DE CANALES VEN TE CHOW

TRANSICIONES ENTRE CANALES Y SIFONES INVERTIDOS

El método de diseño es similar al de las transiciones entre canal y canaleta, la figura 11-13, muestra un diseño común de las transiciones de entrada y salida entre canales y sifones invertidos.

El U.S. Bureau of Reclamation recomienda los siguientes aspectos especiales para diseño:

1. En el diseño de una transición de entrada, por lo general es conveniente tener la apertura del sifón colocada levemente por debajo del nivel normal de aproximación de la superficie de agua. Esta práctica minimizara la reducción de la capacidad del sifón causada por la introducción de aire en este. La profundidad de sumergencia en la entrada del sifón se conoce como sello de agua. El valor recomendado para este sello se encuentra en un mínimo de 1.1∆ hv y un máximo de 18 pulgadas o 1.5∆ hv, cualquiera de los dos que sea mayor..Obsérvese que el uso del valor mínimo en una transición bien diseñada teóricamente permite que el flujo apenas toque la parte superior de la abertura del sifón, en tanto que el uso de valores grandes hasta el máximo provee un sello de agua por encima de la parte superior de la apertura. La cantidad apropiada del sello depende de la pendiente, del tamaño y del cuerpo del sifón. Por lo general, un sifón grande y empinado requiere de un sello grande (Diseño ilustrado en la figura 11-13).

FUENTE: HIDRÁULICA DE CANALES VEN TE CHOW

El sello puede hacer no factible la construcción del extremo inferior de la transición estrictamente de acuerdo con el cálculo hidráulico. Cuando éste es el caso, la elevación del fondo calculada a una pequeña distancia hacia aguas arriba del muro de entrada puede alterarse arbitrariamente para cumplir el requerimiento práctico.

2. Una vez que se ha determinado el sello para la estructura de entrada se calcula la velocidad en el muro de entrada, y la caída total en la superficie del agua se toma como 1.1∆ hv sin considerar las pérdidas por fricción; suponiendo luego un perfil de flujo suave, tangente a la superficie de agua en el canal al comienzo de la transición que pasa por el punto en el muro de entrada fijado por los cálculos anteriores.

3. En el diseño de la estructura de salida el aumento teórico en la superficie de agua desde el muro de salida hasta el final de la transición, sin considerar las pérdidas por recuperación, debe ser igual al cambio total en la altura de velocidad ∆ hv.

4. En el diseño de la estructura de salida no se necesita que la pendiente de fondo sea tangente a la pendiente del conducto cerrado en el muro de salida como si lo es en el caso de la entrada, a menos que la velocidad en el sifón sea alta y la pendiente de la transición sea empinada.

LÍMITE MODULAR

Se llama sumergencia a la relación entre la carga H2 que tiene el flujo inmediatamente aguas abajo del aforador y la carga H1 que se presenta justo aguas arriba del mismo. Para valores bajos de la relación H2/H1 (Figura 3.2); es decir para valores menores que la unidad, el aforador no se ahoga y por consecuencia el valor de H2 no influye en la relación entre el tirante aguas arriba (h1) y el caudal que circula por el aforador. Bajo estas condiciones se dice que se tiene régimen modular en el aforador como se muestra en la Figura 3.1.

Caso contrario cuando la relación de sumergencia H2/H1 es mayor que la unidad, el flujo en la garganta se ahoga y no se presenta el régimen crítico, de modo que el caudal que pasa por el aforador se ve influenciado por el valor de H2 y por consecuencia no hay una relación única entre el tirante aguas arriba del aforador, h1, y el caudal que pasa por él, Q. Bajo estas condiciones se dice que el régimen no es modular como se muestra en la Figura 3.2.

La relación de sumergencia para que el régimen modular pase a ser no modular se denomina límite modular.

El límite modular debe calcularse para cada conjunto de caudal-tirante y, asimismo, se debe verificar si el tirante en el canal de salida no sobrepasa el valor marcado por el límite modular. Para que se salvaguarde el valor marcado por el límite modular, en muchos casos es necesario elevar la garganta del aforador, colocando un escalón para provocar un remanso que aumente la energía potencial (carga H1) antes de entrar al aforador y lograr así, por lo menos, la pérdida de carga que marca este límite.

En tal caso se recomienda revisar que el canal tenga la capacidad de conducir el caudal máximo sin desbordarse. El diseño de la estructura de aforo implica minimizar la pérdida de carga; para esto se recomienda mantener los tirantes, que se marcan como máximos en el límite modular, lo más cerca posible de los tirantes que se dan en forma real en el canal de salida. Así se logra una pérdida de carga mínima y se garantiza el buen funcionamiento del aforador.

Es importante hacer notar que si el nivel a la salida del aforador es menor que el registrado con el tirante crítico que se presenta dentro de la garganta, entonces no será necesario construir una transición de salida.

Por otro lado, si se tiene suficiente desnivel como para absorber sin problemas la energía cinética del flujo aguas debajo de la cresta del aforador, por ejemplo una caída inmediatamente aguas abajo de la estructura, en estos casos normalmente resultará que el nivel de los tirantes que satisfacen el límite modular estará muy por encima de los que correspondan al canal de salida, Esto implica que la condición impuesta por el límite modular está más que asegurada; sin embargo, bajo estas condiciones puede llegar a ser necesario colocar alguna estructura disipadora de energía. En casos así es fácil inferir que no es necesario elevar la garganta para mantener un flujo modular o generar un remanso para ganar carga, tal vez, la garganta pueda ponerse incluso al nivel de la plantilla, lo que daría como resultado una curva de desagüe. Bajo dichas condiciones el flujo modular está prácticamente asegurado, por esta razón se puede variar la altura de la garganta y seleccionar la más conveniente.

BIBLIOGRAFÍA

HIDRAULICA DE CANALES VEN TE CHOW/DISEÑO DE TRANSICIONES/ PÁGINAS ( 303-312)

http://dspace.epn.edu.ec/bitstream/15000/8731/1/T10740CAP3.pdf