Valor Creativo

Diseo de: Cadas, Rpidas y Gradas

2015NINAQUISPE ARIAS, LUIS ENRIQUECHAVEZ SALAS, VICTOR FELIPE

Cadas, Rpidas y GradasInforme: Diseo de:Estructuras Hidrulicas

Estructuras Hidrulicas

Se entiende por obra hidrulica o estructura hidrulica a una construccin, en el campo de la ingeniera civil, donde el elemento dominante tiene que ver con el agua. Se puede decir que las estructuras hidrulicas constituyen un conjunto de estructuras construidas con el objeto de manejar el agua, cualquiera que sea su origen, con fines de aprovechamiento o de defensa.

ContenidoDISEO DE CAIDAS3CAIDAS VERTICALES4CAIDAS INCLINADAS11DISEO DE RAPIDAS17DISEO DE GRADAS33CONCLUSIONES42BIBLIOGRAFIA43Diseo de: Cadas, Rpidas y Gradas

ESTRUCTURAS HIDRAULICAS49

DISEO DE CAIDAS

Son obras proyectadas en canales o zanjas. Salva desniveles bruscos en la rasante del fondoCuando los desniveles son a 4m, la estructura toma el nombre de rpidaLa funcin de las estructuras de cada es la de llevar el agua de un lugar alto a uno bajo la de disipar el exceso de energa resultante por dicha cada. Un canal a lo largo del mismo terreno podra ser lo suficientemente empinado como para causar severas erosiones en los canales de tierra o interrumpir el flujo en canales con recubrimiento (U. S. Bureau of Reclamacin, 1978). pg 48. Existen de varios tipos y estos dependen de la altura y del caudal del agua que se transporta. Las cadas son utilizadas ampliamente como estructuras de disipacin en irrigacin, abastecimiento de agua y alcantarillado; Tambin son necesarias en presas, barrajes y vertederos.

Figura 01. Cada inclinada rectangular

Figura 2. Salto Hidrulico Cada inclinada

Figura 3. Salto hidrulico en una cada inclinada con tanque amortiguador de seccin trapecial.

CAIDAS VERTICALESSon estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario efectuar cambios bruscos en la rasante del canal, permite unir dos tramos (uno superior y otro inferior) de un canal, por medio de un plano vertical, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo. El plano vertical es un muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas ocasionan.Son cadas verticales continuas, que se proyectan para salvar desniveles abruptos siendo recomendable no proyectar en este caso caas o gradas con alturas mayores a 0.80 m.Son canales con gradas o escalones donde, a la vez que se conduce el agua, se va disipando la energa cintica del flujo por impacto con los escalones, llegando el agua al pie de la rpida con energa disipada, por lo que no se hace necesaria alguna estructura adicional, o, dado el caso, una estructura pequea.

Primero, se debe definir el rgimen preferencial del flujo para el caudal de diseo, en cuanto a si este sera saltante (se caracteriza por una sucesin de chorros en cada libre que chocan en el siguiente escaln, seguidos por un resalto hidrulico parcial o totalmente desarrollado) o rasante (en l, el agua fluye sobre los escalones como una corriente estable rasando sobre ellos y amortigundose por el fluido re circulante atrapado entre los escalones), teniendo en cuenta que la disipacin de la energa, en el rgimen saltante, se produce en cada escaln, al romperse el chorro en el aire, al mezclarse en el escaln o por formacin de resaltos hidrulicos; y en el rgimen rasante, se produce en la formacin de vrtices en las gradas, debido a que las gradas actan como una macro rugosidad en el canal.

ELEMENTOS DE UNA CADA VERTICALEn el diseo de una cada (figura 1), se pueden distinguir los siguientes elementos:Transicin de entrada: Une por medio de un estrechamiento progresivo la seccin del canal superior con la seccin de control.Seccin de control: Es la seccin correspondiente al punto donde se inicia la cada, cercano a este punto se presentan las condiciones crticas.Cada en s: La cual es de seccin rectangular y puede ser vertical o inclinada.Poza o colchn amortiguador: Es de seccin rectangular, siendo su funcin la de absorber la energa cintica del agua al pie de la cada.Transicin de salida: Une la poza de disipacin con el canal aguas abajo.

CRITERIOS DE DISEO: Se construyen cadas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1m. como mximo, solo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores. Se recomienda que para caudales unitarios > a 300l/seg x m de ancho, siempre se deben construir cadas inclinada, debe de limitarse a cadas y caudales pequeos, Principalmente en canales secundarios construidos en mampostera de piedra donde no se necesita ni obras de sostenimiento ni drenaje. Cuando el desnivel es d2. 2-. Que el nivel de la S.L.A., sea igual al tirante d2 conjugado de d1; entonces el salto se producir a partir del pie del plano inclinado, sta es la alternativa deseable; es decir que dn + p = d2. 3-. Que el nivel de la S.L.A. sea ms bajo al que se tendra con el tirante d2. Resulta que el salto no se produce y que el agua sigue corriendo con velocidad muy fuerte en rgimen variado, de tipo retardado por no tener el segundo canal pendiente mayor que la crtica. El agua ir aumentando su tirante hasta que llegue a tener un tirante d2, conjugado del tirante normal que corresponde al tramo bajo del canal, en ese momento se produce el salto; es decir s dn + p < d2 , el salto no se produce. Esto suele presentarse a una distancia muy grande aguas abajo, que puede ser de 50, 100 m o ms; toda esta zona debe quedar debidamente protegida contra erosiones. De acuerdo a lo anterior existir la conveniencia de obligar al salto a producirse en el pie del plano inclinado, se disear la cada de tal forma que se logre que el tirante conjugado d2 d el nivel de la S.L.A. aguas abajo. Esto tericamente se logra haciendo que P = d2 d1, pero segn Mantilla aconseja que se d : P=(1.15d2)-d1

Figura 05. Salto hidrulico en cada inclinada (perfil de la cada).

Determinacin de la longitud de las transiciones de entrada y salida. Las transiciones en este caso se calcularn bastante bruscas, formando ngulo de 25 con el eje del canal; con esto tendramos un factor de seguridad ya que el valor de F se reduce si se consideran las prdidas de carga en las transiciones que liberadamente se han despreciado en el clculo.

DISEO DE RAPIDASLas RAPIDAS son usadas para conducir a gua desde una elevacin mayor a una ms baja. La estructura puede consistir de: Una transicin de entrada. Un tramo inclinado Un disipador de energa Una transicin de salidaLa transicin de entradaTransicin del flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo inclinado. Debe proveer un control para impedir la aceleracin del agua y la erosin en el canal. El control es logrado por la combinacin de una retencin, un vertedero o un control notch en la entrada. La entrada usada deber ser simtrica con respecto al eje de la rpida, permitir el paso de la capacidad total del canal aguas arriba hacia la rpida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuacin de las aguas del canal cuando la operacin de la rpida sea suspendida.Las prdidas de carga a travs de la entrada podran ser despreciadas en el caso que sean lo suficientemente pequeas que no afecten el resultado final. De otra manera, las prdidas a travs de la entrada deben ser calculadas y usadas en la determinacin del nivel de energa en el inicio del tramo inclinado. Si la pendiente del fondo de la entrada es suave puede asumirse que el flujo crtico ocurre donde la pendiente suave de la entrada cambia a la pendiente fuerte del tramo inclinado. En el caso que la pendiente de la entrada sea suficientemente pronunciada para soportar una velocidad mayor que la velocidad crtica, debera calcularse dicha velocidad y tirante correspondiente, para determinar la gradiente de energa al inicio del tramo inclinado.El tramo inclinadoCon canal abierto, generalmente sigue la superficie original del terreno y se conecta con un disipador de energa en el extremo ms bajo.

Poza DisipadoraO salidas con obstculos (baffled outlets) son usadas como disipadores de energa en este tipo de estructuras.Transicin de salidaEs usada cuando es necesaria para conectar el flujo entre el disipador de energa y el canal aguas abajo. Si es necesario proveer el tirante de aguas abajo (tallwater) al disipador de energa, la superficie de agua en la salida debe ser controlada. Si se construye una transicin de salida de concreto y no hay control del flujo despus en el canal, la transicin puede ser usada para proveer el remanso elevando el piso de la transicin en el sitio de la ua.CRITERIOS DE DISEO: Coeficiente de Rugosidad de Manning

Cuando se calcula la altura de muros en una rpida de concreto, se asume valores de n = 0.014. En el clculo de niveles de energa, valores de n = 0.010.

Transiciones

Las transiciones en una rpida abierta, deben ser diseadas para prevenir la formacin de ondas. Un cambio brusco de seccin, sea convergente o divergente, puede producir ondas que podran causar perturbaciones, puesto que ellas viajan a travs del tramo inclinado y el disipador de energa. Para evitar la formacin de ondas, el mximo ngulo de deflexin es calculado como sigue:

Cotang = 3.375 FDonde F es el nmero de Froude.El ngulo de la superficie de agua con el eje de la transicin de entrada, puede ser aproximadamente 30.- El mximo ngulo de la superficie de agua con el eje en la transicin de salida puede ser aproximadamente 25

Tramo Inclinado

La seccin usual para una rpida abierta es rectangular, pero las caractersticas de flujo de otras formas de seccin, deben ser consideradas donde la supresin de ondas es una importante parte del diseo. La economa y facilidad de construccin son siempre considerados en la eleccin de una seccin. Cuando es necesario incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan uas para mantener la estructura dentro de la cimentacin.

Trayectoria

Cuando el disipador de energa es una poza, un corto tramo pronunciado debe conectar la trayectoria con la poza disipadora. La pendiente de este tramo vara entre 1.5: 1 y 3: 1, con una pendiente de 2: 1 preferentemente. Se requiere de una curva vertical entre el tramo inclinado y el tramo con pendiente pronunciada. Una curva parablica resultara en un valor de K constante en la longitud de la curva y es generalmente usado.

Poza Disipadora

En una poza disipadora el agua fluye desde el tramo corto de pendiente pronunciada a una velocidad mayor que la velocidad crtica. El cambio abrupto en la pendiente, donde la pendiente suave del piso de la poza disipadora se une con el tramo corto de pendiente pronunciada, fuerza el agua hacia un salto hidrulico y la energa es disipada en la turbulencia resultante. Debera estar entre 4.5 y 15, donde el a gua ingresa a la poza disipadora. Estudios especiales o pruebas de modelos se requieren para estructuras con nmero de Froude fuera de este rango. Si el nmero de Froude es menor que aproximadamente 4.5 no ocurrira un salto hidrulico estable. Si el nmero de Froude es mayor que 10, una poza disipadora no sera la mejor alternativa para disipar energa.

Formacin de Ondas

Las ondas en una rpida son objetables, porque ellas pueden sobrepasar los muros de la rpida y causar ondas en el disipador de energa. Una poza disipadora no sera un disipador de energa efectivo con es te tipo de flujo porque no puede formarse un salto hidrulico estable.PROCEDIMIENTOS DE DISEO:1. Seleccionar y disear el tipo de entrada a ser usada.2. Determinar la gradiente de energa en el inicio de la seccin de la rpida.3. Calcular las variables de flujo en la seccin de la rpida.4. Disear la trayectoria y la parte pronunciada de la seccin de la rpida.5. Asumir una elevacin para el piso de la poza disipadora y calcular las caractersticas de flujo aguas arriba del salto hidrulico. Determinar Y2 y el gradiente de energa despus del salto hidrulico.6. Determinar el gradiente de energa en el canal aguas debajo de la estructura y comparar con el gradiente de energa despus del salto hidrulico.7. Puede ser necesario asumir una nueva elevacin del fondo de la poza y recalcular los valores mencionados varias veces, antes de que se obtenga una coincidencia de niveles de energa.8. Revisar para operacin adecuada con capacidades parciales.9. Determinar la longitud de la poza y la altura de muros de la poza.10. Disear los bloques de la rpida y del piso, y el umbral terminal transicin de salida como se requiera.11. Verificar la posibilidad de la produccin de ondas en la estructura.12. Proporcionar proteccin en el canal aguas abajo, si es requerido.

DISEO DE GRADASSon cadas verticales continuas, que se proyectan para salvar desniveles abruptos siendo recomendable no proyectar en este caso caas o gradas con alturas mayores a 0.80 m.Son canales con gradas o escalones donde, a la vez que se conduce el agua, se va disipando la energa cintica del flujo por impacto con los escalones, llegando el agua al pie de la rpida con energa disipada, por lo que no se hace necesaria alguna estructura adicional, o, dado el caso, una estructura pequea.Primero, se debe definir el rgimen preferencial del flujo para el caudal de diseo, en cuanto a si este sera saltante (se caracteriza por una sucesin de chorros en cada libre que chocan en el siguiente escaln, seguidos por un resalto hidrulico parcial o totalmente desarrollado) o rasante (en l, el agua fluye sobre los escalones como una corriente estable rasando sobre ellos y amortigundose por el fluido re circulante atrapado entre los escalones), teniendo en cuenta que la disipacin de la energa, en el rgimen saltante, se produce en cada escaln, al romperse el chorro en el aire, al mezclarse en el escaln o por formacin de resaltos hidrulicos; y en el rgimen rasante, se produce en la formacin de vrtices en las gradas, debido a que las gradas actan como una macro rugosidad en el canal.

CRITERIOS DE DISEO: Estimar el caudal de diseo. Evaluar la geometra del canal (pendiente, altura y ancho). Seleccionar la altura ptima del escaln, para obtener el rgimen de flujo seleccionado. Calcular las caractersticas hidrulicas del flujo. Calcular el contenido de aire disuelto aguas abajo de la estructura. En los regmenes de flujo saltante se debe airear el salto en su cada libre de un escaln a otro. Calcular la altura de las paredes del canal considerando un borde libre, para recoger las posibles salpicaduras o aumentos de caudal no previstos. RelacionadosRpida escalonada con vertedero y pantalla.

DISEO HIDRULICO DE GRADAS

Son canales con gradas o escalones donde, a la vez que se conduce el agua, se va disipando la energa cintica del flujo por impacto con los escalones, llegando el agua al pie de la rpida con energa disipada, por lo que no se hace necesaria alguna estructura adicional, o, dado el caso, una estructura pequea.

Diseo de: Cadas, Rpidas y Gradas

TABLA:

AREA HIDRAULICA:A=by= (2.0) (0.71) =1.42 mPERIMETRO MOJADO:P=b+2y=2.0+2(0.71) =3.42 m.RADIO HIDRAULICO:R= == 0.42 m

1) Es lgico suponer que en la seccin 1 se va a producir un tirante critico Caudal unitario q =Q : Caudal (m3/s) b : Ancho (m) q = = 0.90 m/sxmLuego:

Hallamos el Tirante crtico

Donde:Q : Caudal (m3/s)b : Base (m)g : Gravedad (9.81m/s)= 0.44m2) El anlisis hidrulico consiste en llegar a determinar la longitud necesaria entre grada y grada siendo necesario confeccionar el siguiente cuadro123456789

Gradaa

(m) aK=YcYo

(m)Xo = YoYcY1YcY (m)dYcd

(m)

1

2

3

4

50.5

0.3

0.8

0.5

0.41.136

0.682

1.818

1.136

1.9090.440

0.242

0.194

0.177

0.1931.000

0.550

0.441

0.402

0.4390.55

0.80

0.91

1.09

0.920.196

0.178

0.146

0.153

0.1603.1

3.15

5.0

4.5

5.201.36

1.38

2.20

1.98

2.29

Columna 1: Nmero de gradaColumna 2: Altura de grada Columna 3 : Resulta de dividir la altura de grada entre el tirante crtico que se produce en la primera grada, es decir en el punto 1 y cuyo valor es de 0.44 m. Columna 4: En la grada 1 se tiene:

Aguas arriba: Yc = Yo = 0.44

Aguas abajo: Y1 = tirante de flujo supercrtico y a la vez es el valor Yo aguas arriba de la segunda grada.

En la primera grada se tiene:

0.440.44

Xo = 1

Con este valor y la respectiva altura de grada se entra el grfico de la Fig.

4.22, obtenindose con:

Xo = 1 y K = 1.136 el valor

0.55 Y1 = 0.55x0.440 = 0.242Y1 = 0.242 m

Columna 5: Sera el valor Xo = 1Columna 6: El valor obtenido en la Fig. 4.22

Y1 = 0.55YoColumna 7: Sera el valor:

Y1 = 0.55 x 0.440Y1 = 0.242 mDesde la columna 4 hasta la columna 7, la operacin se repite de la siguiente manera:

En la grada 2: tenemosYo = 0.242

Xo = 0.242 = 0.55y K = 0.682

0.440

Y1 = 0.80Yo

Y1 = 0.80 x 0.242 = 0.194 m.

En la grada 3: Yo = 0.194Xo = 0.194 = 0.441y K = 1.818 0.440

Y1 = 0.91Yo

Y1 = 0.91 x 0.194 = 0.177 m.

En la grada 4: Yo = 0.177Xo = 0.177 = 0.402y K = 1.136

0.440

Y1 = 1.09Yo

Y1 = 1.09 x 0.177 = 0.193 m.

En la grada 5: Yo = 0.193

Xo = 0.193 = 0.439 y K = 1.909

0.440

Y1 = 0.92Yo

Y1 = 0.92 x 0.193 = 0.178 m.

FIG. 4.22 GRADAS DE BAJADA ANT ECEDI DAS Y SEGUI DAS DE FL UJO SUPERCRITICO

FIG. 4.23 DISTANCI A ENT RE GRADAS EN FL UJO SUP ERCRITICOColumna 8 y 9: se obtiene de la Fig. 4.23Grada 1: K = 1.136Xo = 1

Se obtiene:

d = 3.1Yc

d = 3.1 x 0.440

d = 1.36 m.

Grada 2: K = 0.682Xo = 0.55

Se obtiene: d = 3.15Yc

d = 3.15 x 0.440

d = 1.38m.

Grada 3: K = 1.818Xo = 0.44

Se obtiene: d = 5.0Ycd = 5.0 x 0.440

d = 2.20 m.

Grada 4: K = 1.136Xo = 0.40

Se obtiene: d = 4.50Ycd = 4.50 x 0.440

d = 1.98m.

Grada 5: K = 1.909Xo = 0.44

Se obtiene: d = 5.20Yc

d = 5.20 x 0.440

d = 2.29 m.

1) En la Grada 5 la situacin es la siguiente:El tirante conjugado menor es: 0.182.290.190.18

Luego:

A = 0.19 x 2A = 0.38 m2 V= Q/A

V = 4.74 m/s

El tirante conjugado mayor ser:

Y2 = -Y1 + Y1 + 2Y1V1 2 4 g

Ec. 1.12 (Para secciones Rectangulares) - Manual de Diseo Hidraulico de Canales y Obras de Arte

Y = 0.182 + 2

0.18 + 2x0.18x4.744 9.81

Y2 = 0.82 m A = 0.82 x 2=1.64m2 V= Q/A

V2 = 1.10 m/s

Longitud del resaltoLr = 6 (Y2 Y1 )Lr = 3.84 mProfundidad del colchn: Si:b = 2.0 m n = 0.014S = 0.002

Z = 0 (rectangular) Q = 1.8 m3/s

El tirante normal Yn es:

Yn = 0.71 m

Vn = 1.26 m/s

3.842.290.180.19

Como Yn < Y2 es necesario colchn o poza.Si Yn > Y2 m no es necesario colchn o poza, pero por seguridad podra considerarse una profundidad de colchn de unos 0.3 0.25 m, segn criterio del diseador.

CONCLUSIONES

Las rpidas son obras de arte para salvar desniveles bruscos del terreno. Para desniveles mayores de 4 metros se le llama rpidas. Se debe proveer una transicin al comienzo y al final de la rpida a fin de reducir las prdidas de carga. La finalidad de una cada es conducir agua desde una elevacin alta hasta una elevacin baja y disipar la energa generada por esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una cada se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un canal.

BIBLIOGRAFIA

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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

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