Presentación de PowerPoint - cnr.gob.cl de Difusin 2016/Taller Obra... · Elementos de diseño de...

C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O

CRITERIOS DE DISEÑO OBRAS DE RIEGO

EXPOSICIÓN Y SESIÓN PARTICIPATIVA CONSULTORES Y REVISORES CNR

Noviembre, 2014

www.cnr.gob.cl


OBJETIVO Y ESTRUCTURA DEL TALLER

Objetivo: Realizar una actividad de acercamiento entre revisores y

consultores, que permita orientar tanto la presentación como la revisión de

proyectos bajo algunos criterios de diseño relacionados con obras de riego

que han sido seleccionados específicamente para las obras de la ley

18.450.

Estructura:

1a Parte: Sesión expositiva a cargo de un relator externo.

2a Parte: Sesión participativa orientada a la recopilación y revisión de

situaciones particulares de acuerdo a la experiencia de los consultores y

revisores.

Para facilitar el desarrollo de la actividad, se agradece a los participantes

tomar nota de las consultas a realizar, las que serán atendidas solamente en

la 2da parte del taller.

2


CONTENIDO

TALLER 16.11 ASPECTOS HIDRÁULICOS

Parte 1 Obras de conducción

Determinación del caudal de diseño

Canales y entubamientos: Criterios de diseño y cálculo del eje hidráulico

Pausa - Café

Parte 2 Obras de arte

Criterios generales

Elección del periodo de retorno de diseño: Canoas, sifones, bocatomas, embalses

Elementos de diseño de bocatomas y sifones

Parte 3 Embalses

Revancha y Altura del muro

Diseño de la Obra de excedencia

Disipadores y protecciones

Almuerzo

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C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O4

LOS ASPECTOS ESTRUCTURALES Y GEOTÉCNICOS SERÁN

ABORDADOS EN EL TALLER DEL DÍA 30.11 “ASPECTOS

ESTRUCTURALES Y GEOTÉCNICOS”


DOCUMENTOS TÉCNICOS DE REFERENCIA

Específicos:

-Especificaciones técnicas para protectos de Canales – Dirección de Riego 1960

-Instructivos de Obras Civiles CNR. Versión 2016

-Manual de Obras menores de riego CNR-Ciren 1996

-Reglamento DGA Artículo 294 del código de Aguas

Complementarios:

-Manual de carreteras MOP

-Hidráulica aplicada al diseño de obras – H. Mery

-Base de datos de la SOCHID

Algunos artículos destacados:-1973 - CRITERIOS GENERALES PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE EMBALSES DE RIEGO.

-1973 - ALGUNAS CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO DE CAÍDAS DE SECCIÓN TRAPECIAL EN CANALES NO REVESTIDOS

-1977 - USO DE ECUACIONES RACIONALES EN EL CÁLCULO DE LA PÉRDIDA FRICCIONAL EN CANALES REVESTIDOS

-1985 - EJES HIDRÁULICOS EN CANALES NO-PRISMÁTICOS CON ENSANCHES Y ANGONSTAMIENTOS PAULATINOS

-1983 - SOCAVACIÓN AGUAS ABAJO DE OBRAS DE EVACUACIÓN

-1985 - ANÁLISIS DE CANALES DE SECCIONES Y PENDIENTES VARIABLES

-1991/1993 ESTUDIO DE REVESTIMIENTOS ASFÁLTICOS EN PEQUEÑOS CANALES DE REGADÍO

-1991 CONSIDERACIONES SOBRE LA CAPACIDAD DE DISEÑO DE CANALES DE RIEGO. APLICACIÓN AL SISTEMA PALOMA

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PARTE 1 – OBRAS DE CONDUCCIÓN


OBRAS DE CONDUCCIÓN

Corresponden a la base de todo proyecto de riego.

Pueden diferenciarse en:

-Conducciones en superficie libre-> Más comunes en proyectos de riego.

-Conducciones en presión-> Sifones

Dentro de las conducciones en superficie libre, además, pueden diferenciarse:

Conducciones tipo canal abierto

Conducciones abovedadas (Tuberías, Canoas, túneles)

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CANALES - CRITERIOS GENERALES

CAUDAL DE DISEÑO:

Para obtener el caudal de diseño, debe tenerse en consideración la superficie regada, los derechos

de agua del canal, la disponibilidad hidrológica, entre otros.

En los instructivos de la CNR está detallado el procedimiento para el cálculo del caudal de diseño de

canales.

En general, se considera:

-Q con 50% de probabilidad de excedencia, cuando existe estadística de aforos.

-Q máximo histórico del canal

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CRITERIOS GENERALES

Trazados nuevos: Cada proyecto debe cumplir ciertas condiciones que dependen de la

geomorfología del sitio, las características del terreno, aspectos ambientales, propietarios de los

terrenos, accidentes geográficos, riesgos geológicos, etc. Su definición integra la participación de

diversas especialidades de la ingeniería.

Importante: Se debe prever elementos de protección (rejas, bermas) y en caso

de cruzar zonas pobladas: abovedamientos/entubamientos.

Canal Huampaní, Chosica, Lima (Perú)Canal Laja Diguillín

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CRITERIOS GENERALES

Para evitar sobreelevaciones: Se preferirán los trazados rectos y con la menor cantidad de cambios de sección

(pérdidas de carga). Las curvas deben respetar el criterio de Shuckry en que

Rc > 3 l donde Rc: Radio de curvatura, l: Ancho superficial.

Al materializar curvas muy cerradas, se producirán peraltes y sobreelevaciones del pelo de agua que disminuirán la

revancha disponible en régimen permanente.

En ciertos proyectos será necesario proyectar obras especiales como sifones y canoas que permitan que el canal

cruce por quebradas, ríos, depresiones, etc. Estas obras deberán ser de la menor longitud posible pues son de

elevado costo relativo.

Canoa CH Lircay y Puente Canoa Biobio Negrete

Puente

Canoa

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CRITERIOS GENERALES

Importante: Trazados existentes. Uno de los casos más comunes de los proyectos contempla el mejoramiento

total o parcial de canales existentes. En estas situaciones, no siempre es posible seguir las recomendaciones y

prácticas de diseño recomendados, especialmente debido a la presencia de obras de arte que imponen restricciones

al tipo de escurrimiento y pendientes.

A lo largo de la exposición se irán complementado los criterios indicando recomendaciones

específicas relacionadas con los proyectos de mejoramiento.

Algunas soluciones relacionadas con estos casos son:

-Sobreelevaciones y peraltes

-Entubamientos

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Canal Roblería


CRITERIOS ESPECÍFICOS

RUGOSIDAD: Representa la fricción del agua con las paredes del canal. En términos prácticos, se utilizara para

calcular la capacidad de porteo y dimensionar

Sin revestir

En mal

estado

En buen

estado

Revestido

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CRITERIOS ESPECÍFICOS – RUGOSIDAD – FÓRMULA DE MANNING

La fórmula de Manning es la expresión empírica más utilizada para el dimensionamiento de canales. Existen numerosas

referencias que permiten obtener el coeficiente base a utilizar según el tipo de revestimiento.

Descripción Mínimo Medio Máximo

Canal recto.

Limpio y terminado recientemente. 0,016 0,018 0,020

Limpio con uso. 0,018 0,022 0,025

Con grava, sección uniforme y limpio. 0,022 0,025 0,030

Con musgos cortos y pocas malezas. 0,022 0,027 0,033

Canal con curvas.

Sin vegetación 0,023 0,025 0,030

Con musgos y pastos. 0,025 0,030 0,033

Con pastos densos, malezas en canales profundos. 0,030 0,035 0,040

Fondo de tierra y taludes de mampostería de piedra

partida.

0,028 0,030 0,035

Fondo pedregoso y taludes con pastos. 0,025 0,035 0,040

Fondo de piedras rodadas y taludes limpios. 0,030 0,040 0,050

Canales excavados con pala.

Sin vegetación. 0,025 0,028 0,033

Pocos arbustos en los taludes 0,035 0,050 0,060

Canales excavados en roca.

Roca lisa y uniforme. 0,025 0,035 0,040

Roca cortada irregularmente. 0,035 0,040 0,050

Canales sin ningún mantenimiento.

Pastos densos de la altura del escurrimiento 0,050 0,080 0,120

Fondo limpio y taludes con arbustos. 0,040 0,050 0,080

Arbustos densos y nivel alto. 0,080 0,100 0,140

Coeficientes de

rugosidad de Manning

en canales de tierra.

(Según Chow).

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Descripción Mínimo Medio Máximo

Superficie metálica.

Superficie de acero lisa sin pintar. 0,011 0,012 0,014

Superficie de acero pintada. 0,012 0,013 0,017

Superficie corrugada. 0,021 0,025 0,030

Canal de superficie no metálica.

Cemento.

Superficie muy limpia. 0,010 0,011 0,013

Mortero. 0,011 0,013 0,015

Madera.

Cepillada sin tratar. 0,010 0,012 0,014

Cepillada tratada con creosota. 0,011 0,012 0,015

Sin cepillar. 0,011 0,013 0,015

Planchas con listones. 0,012 0,015 0,018

Revestida con papel impermeable. 0,010 0,014 0,017

Superficie de hormigón.

Terminada con llana. 0,011 0,013 0,015

Terminada con lechada. 0,013 0,015 0,016

Con grava en el fondo. 0,015 0,017 0,020

Sin terminar. 0,014 0,017 0,020

Con shotcrete liso. 0,016 0,019 0,023

Con shotcrete ondulado. 0,018 0,022 0,025

Sobre roca excavada pareja. 0,017 0,020 -

Sobre roca excavada irregular. 0,022 0,027 -

CRITERIOS ESPECÍFICOS – RUGOSIDAD EN CANALES REVESTIDOS

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Importante: Los valores usualmente tabulados de los coeficientes obedecen a la naturaleza empírica de

la fórmula, por lo tanto han sido determinados en laboratorios o prototipos en condiciones particulares,

pero lo más importante: en tramos rectos y con un estado del revestimiento en condiciones óptimas (en

general)

Por esto, no permite al proyectista sensibilizar el cálculo ya sea en función del trazado particular del canal, el estado actual

y previsto del revestimiento, la calidad de las terminaciones del revestimiento, la presencia de obstáculos o depositación, etc.

En consecuencia, la rugosidad de un canal “real” (en condiciones usuales de operación y mantenimiento futuro) será

diferente a la rugosidad tabulada en la mayoría de los casos.

Para incorporar esta limitación al diseño, se recomienda considerar para el hormigón una rugosidad n=0,016 como valor

mínimo para efectos de dimensionar el canal.

Mismo procedimiento debe seguirse para otro tipo de revestimiento. (Existen en la literatura especializada herramientas para

cuantificar el aumento de la rugosidad en función de la curvatura del canal, de la aspereza absoluta actual o prevista, etc,

además de diversas formulaciones para calcular el coeficiente de Manning a partir de la aspereza absoluta. (ej. Darcy)

15


Scobey, a principios del siglo XX, realizó una serie de experimentos en diferentes canales de riego

16


Respecto del coeficiente de Manning, el autor indica:

- El coeficiente de Manning varía a lo largo del canal y de la estación/época (Puede disminuir hasta un 75% a fines delverano por el crecimiento de algas/musgo).

- Por ejemplo, un canal de hormigón que el autor investigó en Yakima, Washington fue diseñado con n=0,012. A fines delverano, el canal había agotado su capacidad. El autor concluyó que para las condiciones reales de operación del canal,debería haber sido dimensionado con n=0,017 para contemplar el crecimiento de vegatación hacia mediados del veranoy otros factores. Las velocidades altas que se habrían obtenido al disponer del canal limpio no habrían dañado elrevestimiento.

En consecuencia, el valor de “n” adoptado para el diseño debe considerar todas las influencias posibles que puedan retardarel escurrimiento:

Influencias primarias-Fricción y vegetación

Influencias secundarias:-Angulos y curvas cerradas-Depositación de arenas y gravas-Viento

Concluye:

- El valor que se adopte para el diseño, debe considerar la situación más crítica previsible de la temporada(Variabilidad de caudal a lo largo de la temporada y crecimiento de musgo)

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Otras experiencias

Nota: Esta tabla considera canales y túneles de centrales de generación, cuyas condiciones de operación y

mantenimiento pueden variar respecto de canales de riego.

18


Mejoramiento de canal existente mediante

Revestimiento de hormigón con

moldaje metálico

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Construcción de canal con hormigón

proyectado alisado con platacho

20


Obra de arte en mampostería de piedra

21


Fotografía – Revestimiento con geomembrana

Fotografía – Revestimiento mixto. Radier de

hormigón y taludes en mampostería de piedra

22

012,0n

Presentan una baja vida útil (3 a 5 años)



Cálculo de la rugosidad compuesta

La formulación de Horton y Einstein, supone que la velocidad media de cada parte

del área es igual a la de la sección completa. El coeficiente de rugosidad equivalente es:

n

3/22/3

j

jj

P

Pn (31)

La relación (31) considera que el perímetro mojado de la sección se divide en “ j ”

trazos, siendo "" jn la rugosidad del trazo “ j ”y “ jP ” la longitud del trazo.

El US Army Engineer District Los Angeles, California, propone la siguiente simple

relación para la rugosidad compuesta equivalente:

n

j

jj

A

An (32)

La sección de escurrimiento se divide en “ j ” sub-secciones. A cada área “ jA ”, se

le atribuye un coeficiente de rugosidad “ jn ”. Para sub-dividir el área total se utilizan las

bisectrices que delimitan la influencia de la rugosidad de las paredes.

Pondera en

mayor cantidad

las paredes

Pondera en

mayor cantidad

el fondo

23


En canales muy sinuosos puede ser necesario aumentar el

coeficiente de rugosidad para considerar las pérdidas incluidas

con las friccionales.

Scobey: aumentar el coeficiente de rugosidad de Manning en un

0,001 por cada 20° de curva (ángulo del centro) en 30 [m] de

canal, hasta un máximo de 0,003.

Importante: Trazados existentes.

24Fotografía – Tiger Creek Flume CA



VELOCIDADES ADMISIBLES: Máximas

En términos generales, se recomiendan las siguientes velocidades máximas:

-Hormigón armado 3,0 m/s

-Hormigón corriente 2,5 m/s

-Albañilería de piedra 1,5 m/s

-Suelo cemento: No deben permitirse velocidades

mayores que las admisibles que las del suelo del canal

no revestido.

-Hormigón asfáltico: 1,5 m/s

Revestidos Sin revestir

25


CRITERIO DE LA EX DIRECCIÓN DE RIEGO 1960



VELOCIDADES ADMISIBLES: Máximas – Aguas con alta carga de sedimentos

Importante: La pendiente de fondo está asociada a las

velocidades. Por lo tanto, la capacidad erosiva para caudales

pequeños puede ser tan importante como para caudales

grandes, debido a al distribución de velocidades en la

sección.

27

Fotografía – Erosión en el revestimiento.


En aguas con carga de sedimentos, la velocidad máxima no debería superar los 2,5 m/s.

En aguas limpias:

Tubos de hormigón armado v<3,0 m/s

PRFV v<4,0 m/s

Acero v<5,0 m/s

En ningún caso se debe superar las velocidades indicadas por el fabricante.


VELOCIDADES ADMISIBLES: Máximas – Entubamientos

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VELOCIDADES ADMISIBLES: Mínimas permisibles

Evitar sedimentación y crecimiento de algas

En general v 0,60 a 0,90 m/s (porcentaje de sedimentos pequeño), y una velocidad media no

inferior a 0,76 m/s prevendrá el crecimiento de vegetación que disminuirá seriamente la capacidad

de transporte del canal.

Según Mery:

Cita las experiencias de R. Kennedy quiendeterminó un modelo experimental para esta velocidad:Según F.J. Domínguez beta valdría:

h: Altura del escurrimiento (m)0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 1 2 3 4 5 6

v ad

m (

m/s

)

h (m)

V mínima admisible

β=0.53 β=0.58 β=0.64 β=0.70

β Tipo de sedimento en suspensión

0,53 Légamo muy fino

0,58 Arena muy fina

0,64 Barro arenoso

0,70 Légamo grueso

minv 64,0h

29


En canales con trazados existentes:

-En caso de que el crecimiento de vegetación sea un problema existente, se puede considerar lo siguiente:

En general, al revestir se obtiene un aumento de las velocidades.

En canales rectangulares y trapeciales, a menor ancho basal la velocidad media es mayor.

Se puede contemplar aumentar la pendiente de fondo en tramos críticos. En términos generales, un

canal con una pendiente de 1/1.000 presentará una velocidad mínima adecuada para evitar el

crecimiento de vegetación. Además, al aumentar la velocidad, se disminuye la superficie necesaria de

revestimiento.

Ojo: Se debe tener precaución en flujos subcríticos con el empalme energético. No necesariamente

debe empalmarse fondo con fondo.

Importante: Trazados existentes.

30


Fotografía – Crecimiento de vegetación en el fondo del canal

31



ESTABILIDAD DEL FLUJO (ondulaciones)

La DGA exige normalmente un flujo estable en el cual la relación Ecanal/Ecrítica sea mayor que 1,1. Coincide con las ET

de la ex dirección de riego.

32


En canales con trazados existentes:

-En caso de que la relación ideal Bc/Bn>1,1 no se pueda cumplir (principalmente por la pendiente del canal)

-Se recomienda analizar en detalle el eje hidráulico, para diferentes condiciones de operación. La utilización de un rango

de valores para el coeficiente de rugosidad permitirá identificar valores cercanos a la crisis o incluso supercríticos.

-Se recomienda cuantificar las ondulaciones de la superficie libre en función del número de Froude, y adicionarlo al nivel de

la superficie libre. Sobre el valor obtenido (altura de agua + ondulaciones) se debe entonces calcular la revancha.

-El entubamiento puede ser una solución. De todas maneras, se recomienda realizar un análisis similar para incorporar las

ondulaciones.

Importante: Trazados existentes

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REVANCHA

Resguardo, borde libre o revancha: Existen diversos motivos por los cuales se puede presentar un nivel

extraordinariamente mayor al determinado en el diseño.

Entre ellos se puede destacar:

Diferencias entre la rugosidad de diseño y la rugosidad construida. Deterioro del revestimiento con los años

Mala operación de las compuertas de ingreso al canal

Incorporación de agua no prevista a lo largo del trazado

Obstrucciones parciales de la conducción, por ejemplo, caídas de elementos

Presencia de ondas

Peralte en curvas

Alteración del nivel debido a sismos.

Efecto del viento

Basura

Esta diversidad de causas también origina que no exista una receta o consenso único al momento de

definir la revancha mínima que se considerará en un proyecto.

Sin embargo, se pueden establecer algunas

Recomendaciones y criterios.

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REVANCHA MÍNIMA

-Debe calcularse respecto del nivel de aguas máximo esperable. En ocasiones, dicho nivel puede

depender en mayor medida de la condición de borde que del mismo caudal. Por lo tanto, es recomendable analizar

en detalle las diferentes condiciones hidráulicas que se puedan presentar: porteo, regímenes hidráulicos, operación

de compuertas, etc.

-Para canales pequeños (Q<2,0 m3/s), como revancha mínima se adoptará el 15% de la altura

máxima de agua, con un mínimo de 20 cm y un máximo de 50 cm. (Criterio de la ex dirección de

riego)

-Para canales mayores (Q≥2,0 m3/s), como revancha mínima se adoptará el 20-30% de la altura

máxima de agua, con un mínimo de 30 cm y un máximo de 50 cm (Instructivo CNR)

-La desventaja de las expresiones anteriores radica en que no toma en consideración directa la

velocidad del escurrimiento, por lo tanto canales angostos pero en régimen tranquilo podrían

quedar con revanchas excesivas, o bien, canales anchos pero con velocidades altas con

revanchas insuficientes.

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Ex dirección de riego:



REVANCHA MÍNIMA

-Existen expresiones que incorporan la altura de velocidad, por ejemplo (JYO):

-Scobey (Solo como referencia):

g

vR n

res2

30,02

. [m] (44)

En canales menores en régimen subcrítico, el valor fijo de la ec. (44) puede

reducirse a 0,15 [m]. En esa ecuación nv velocidad media normal en el canal.

36

1 altura de velocidad + 0,25 pies con

un máximo de 2 pies.

Scobey JYO JYO

r (m) r(m) r(m)

0.80 0.11 0.18 0.33

1.00 0.13 0.20 0.35

1.20 0.15 0.22 0.37

1.50 0.19 0.26 0.41

2.00 0.28 0.35 0.50

2.50 0.40 0.47 0.62

3.00 0.54 0.61 0.76

v (m/s)


Además, todas las formulaciones anteriores, ya sea las basadas en un % de la altura o las formuladas según v2/2g

serían consistentes con lo exigido por la DGA en el reglamento del art. 294:

“La revancha a considerar en acueductos se debe determinar con expresiones debidamente

justificadas y ampliamente utilizadas en la práctica”

Se recomienda respetar los valores mínimos aquí indicados (20 cm y 30 cm), y considerar las características del

flujo al definir la revancha.

Recordar que debe calcularse respecto del nivel máximo de aguas esperable, es decir, ninguna situación

operacional debería restar revancha al canal en ningún tramo.



REVANCHA MÍNIMA

-Se permitirá, además, el uso de las recomendaciones del USBR para aquellos canales que

consideren la sección de máxima eficiencia hidráulica.

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REVANCHA FLUJO SUPERCRÍTICO

En la expresión anterior, R (m), v (m/s) y h (m)

Nota: En flujos supercríticos, además es necesario considerar:

-Forma de las transiciones (Existencia de ondas cruzadas)

-Curvaturas verticales (Presiones positivas y despegue de la napa)

-Infiltraciones

-Altas velocidades y cavitación (v>18 m/s)

-Ondas rodantes

3037,060,0 hvR

39


La revancha en estos casos se relaciona con el área del tubo.

Para una sección abovedada, el máximo porteo se logra cuando h≈90% del diámetro.

En general, se recomienda que para el caudal de diseño, se limite la altura hasta un 70% del diámetro del tubo,

obteniéndose una revancha disponible entre el 70% y el 90%. Nunca debe utilizarse el 10% restante, de lo contrario el

flujo entrará en presión lo que significa mayores pérdidas de carga, en general (J a boca llena > J libre)

Qdiseño

0,7D

Revancha

0,7D-0,9D

Disminuición del porteo

Qdiseño

Qmax

Q/Q0

1


REVANCHA MÍNIMA - ENTUBAMIENTOS

40


Como se comentó, en casos en que el radio de curvatura del canal es muy cerrado, ya sea por

corresponder a un trazado existente, o por limitaciones particulares (terreno rocoso), se debe tomar en

consideración la sobreelevación por efecto de la fuerza centrífuga que puede ser considerable.

El cálculo se realiza considerando las recomendaciones del USACE

cRg

lvCh

2h sobre-elevación del nivel en el paramento exterior de la curva y el nivel en el

eje del canal.

l ancho medio de la superficie libre.

cR radio de la curva medido según el eje del canal.

C constante

CRITERIOS ESPECÍFICOS - PERALTE EN LAS CURVAS

41



CÁLCULO DEL EJE HIDRÁULICO DE UN CANAL

Importante: Si el canal se diseña con altura normal, debe procurarse que la condición de borde por aguas

abajo del tramo en cuestión, sea consistente con dicha condición, dentro de cierto margen de precisión. De

lo contrario, se presentarán condiciones hidráulicas diferentes:

Este tipo de perfil o eje hidráulico, puede presentarse

en cualquier tramo en que el canal se vea obstruido,

inclusive en el ingreso de una obra de arte con una

transición mal diseñada.

Posible consecuencia: desborde, pérdida de

revancha.

Este tipo de perfil o eje hidráulico, puede presentarse,

por ejemplo, al proyectar una caída sin una grada de

control apropiada

Posible consecuencia: Aceleración e Inestabilidad del

flujo, erosión en tramos sin revestir o daños al

revestimiento.

El problema radica en que la altura normal no es fácil de conseguir

en la realidad, especialmente si la condición de borde adecuada no está

físicamente asegurada o materializada. Esto es de especial relevancia

en canales con pendientes suaves, en que la línea de energía requiere

longitudes importantes para equilibrarse con la pendiente de fondo.

J<i

J>i

42



CÁLCULO DEL EJE HIDRÁULICO DE UN CANAL

Identificar las zonas mas susceptibles de generar alteraciones del flujo. Si el diseño está basado en altura normal

asegurar que se comporte como tal a lo largo de todo el trazado.

Métodos:

Mediante planilla de cálculo: Recomendado para canales prismáticos con cambios de sección puntuales. Permite

manejar de mejor manera las singularidades y empalmes con elementos existentes y llevar el control en cada paso del

cálculo. Existen diversos métodos para calcularlo (Ver, p.ej., V.T. Chow) y los parámetros geométricos de la mayoría

de los tipos de sección se encuentran ampliamente parametrizados: Rectangular, triangular, trapecial, circular,

abovedado, herradura, etc.

Mediante software (Ejemplo HEC-RAS) – Recomendado solo para canales sin revestir, con secciones variables (no

prismáticos) en los cuales el cálculo mediante planilla es complejo. Es un software pensado para análisis de ríos.

Importante: No se recomienda emplear como condición de borde un nivel por aguas abajo, debido a

la incertidumbre acerca del caudal al que puede corresponder, con excepción que se disponga de una

curva de descarga confiable.

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CÁLCULO DEL EJE HIDRÁULICO, CANAL O CAUCE NATURAL/ARTIFICIAL

En ambos casos, se debe presentar en forma clara y lo más detallada posible:

-Condiciones de borde consideradas. En casos de existir tramos que puedan calcularse por separado, se deberán

indicar las múltiples condiciones de borde posibles.

-Tabla de resultados, que contendrá como mínimo el caudal, la velocidad media de la sección, las alturas de

escurrimiento, los niveles de energía, el coeficiente de rugosidad y el radio hidráulico.

-Perfiles transversales y longitudinales obtenidos de los resultados, que sean consistente con lo indicado en los

planos y lo observado en terreno.

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ESTUDIOS COMPLEMENTARIOS

Se deberán presentar los siguientes estudios cuando corresponde

-Socavación, crecidas, topografía, hidrología.

-Memorias de cálculo de obras hidráulicas

-Permisos según corresponda (DGA, etc)

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RESUMEN PARTE 1

Rugosidad: Es importante considerar que los valores empíricos siempre representan un rango.

Dicho valor puede variar en cada canal de acuerdo a sus características particulares, terminaciones,

estado actual y futuro (mantenimiento). Por ello, se recomienda considerar estos factores de

incertidumbre al adoptar el valor de referencia.

Velocidades mínimas: Evitar crecimiento de vegetación y depositación.

Velocidades máximas: Evitar daños al revestimiento y erosión en tramos no revestidos.

Revancha: Siempre debe calcularse respecto del nivel máximo esperable. No necesariamente

corresponderá a la altura normal.

Calculo del E.H.: Se recomienda analizar en detalle las condiciones de borde en cada tramo de

cálculo, especialmente al utilizar software computacional.

“Usar un coeficiente de Manning y asumir altura normal, sin considerar ni analizar las

condiciones reales de operación, mantención y la calidad de las aguas, puede llevar a diseños

deficientes u operacionalmente inadecuados”

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EJEMPLO CONCEPTUAL: EJE HIDRÁULICO CANAL DE RIEGO CON SINGULARIDADES.

IDENTIFICACIÓN DE CONDICIONES DE BORDE.

Condición de borde física: Grada (Zf,a) tal que aguas arriba exista h similar a hn. Evita que el

flujo se acelere y se pierdan localmente los criterios de diseño

(revancha, estabilidad)

Condición de borde hidráulica:

Zabajo=Zarriba + pérdidas

O.A. (Ej. Sifón)

Captación o

derivación

Condición de borde

hidráulica: Crisis

Subcrítico Supercrítico

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PARTE 2 – OBRAS DE ARTE


DEFINICIÓN

Se entenderá por O.A.:

De conducción

-Caídas

-Alcantarillas

-Desarenadores

-Puentes

-Canoas y Sifones

-Transiciones

De distribución y regulación

-Compuertas

-Marcos partidores

-Válvulas

-Aforadores

Captación

-Bocatomas permanentes

-Bocatomas con barreras fija o móvil

-Canal desripiador

-Compuertas

Mitigación

-Abovedamiento o entubamiento

-Trampas de basuras

-Filtros

-Desvíos

Pozos profundos o someros

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DISEÑO – CRITERIOS GENERALES

Debido a la gran cantidad de O.A. y posibles criterios diferentes, en general:

-Recomendaciones, Ecuaciones y gráficos o ábacos obtenidos de Bibliografía, indicando claramente el título,

autor y año.

-Uso de la ecuación de conservación de energía que considere las condiciones de aguas arriba o abajo,

dependiendo del tipo de escurrimiento

-Manual de carreteras (alcantarillas)

Importante: En la literatura, lo usual es encontrar recomendaciones respecto del dimensionamiento de las

estructuras. Sin embargo, para un diseño completo debe además considerarse la operación, mantenimiento y

la implantación de la estructura en el contexto real del proyecto. Por ello, se deben hacer todos los análisis

relacionados para empalmar energéticamente la obra.

Ejemplo: Una caída de la misma longitud pero incapaz de contener el resalto. El nivel que determina la

altura conjugada viene fijo por aguas abajo

50


CRITERIOS ESPECÍFICOS – CAÍDA VERTICAL EN RÉGIMEN TRANQUILO

(Fr <1 AGUAS ARRIBA)

275,1

1 54,0

a

h

a

h c

810,0

2 66,1

a

h

a

h c

660,0

00,1

a

h

a

h cP

810,0

30,4

a

h

a

l cC

1290,6 hhlR

3

12

g

qhC

51

hn

CAÍDAS MAYORES (TORRENTE AGUAS ARRIBA) SE

VERÁN EN EMBALSES.

GRADA


OBRAS DE ARTE - CRITERIOS ESPECÍFICOS

ELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO PARA EL DISEÑO

Artículo 12: Embalses

Artículo 13:Acueductos (considera además captaciones, derivaciones, obras de aforo, de control de excesos de

caudales, o.a, atraviestos, entregas, descargas etc,)

Artículo 14: Sifones y canoas, independiente de su caudal de diseño. Se diferencia la forma de presentación en

Categorías A (Q≤2,0 m3/s) y Categoría B (Q>2,0 m3/s)

Para obras mayores:

Embalses h>5 m, Bocatomas, canoas y

sifones se deben adoptar las exigencias de

la DGA y someter el proyecto a su

aprobación.

Crecida de diseño: Debe considerar

revancha

Crecida de verificacion: Situacion

excepcional que puede utilizar

completamente la revancha disponible.

52


CRITERIOS ESPECÍFICOS – PERÍODO DE RETORNO

(SIFONES Y CANOAS)

Artículo 14 del reglamento: Sifones y canoas, independiente de su caudal de diseño. Se diferencia la forma de

presentación en Categorías A (Q≤2,0 m3/s) y Categoría B (Q>2,0 m3/s)

Tipo A y B: Párrafo IV, Artículo 49

Diseño TR=100 años: Revancha mínima de 1,0 m por sobre el nivel máximo de aguas

Verificación TR=200 años: Nivel máximo no deberá alcanzar el punto más bajo de la superestructura.

Socavación TR=100 años. Se deberá analizar la socavación general y local (en caso de que existan elementos

dispuestos dentro del cauce). La profundidad mínima de socavación deberá ser multiplicada por un factor de seguridad

de 1,2

53



(SIFONES Y CANOAS)

Artículo 14 del reglamento: Sifones y canoas, independiente de su caudal de diseño. Se diferencia la forma de

presentación en Categorías A (Q≤2,0 m3/s) y Categoría B (Q>2,0 m3/s)

Tipo A y B: Párrafo IV, Artículo 49

Diseño TR=100 años: Revancha mínima de 1,0 m por sobre el nivel máximo de aguas

Verificación TR=200 años: Nivel máximo no deberá alcanzar el punto más bajo de la superestructura.

Fotografía – Sifón el Toro – Canal Melado

Revancha

sobre nivel

máximo

Socavación

(General y

local)

Socavación TR=100 años. Se

deberá analizar la socavación

general y local (en caso de que

existan elementos dispuestos dentro

del cauce). La profundidad mínima de

socavación deberá ser multiplicada

por un factor de seguridad de 1,2

54


Socavación TR=100 años. Se deberá analizar la socavación general y local (en caso de que existan elementos dispuestos

dentro del cauce). La profundidad mínima de socavación deberá ser multiplicada por un factor de seguridad de 1,2


(SIFONES Y CANOAS)

Smáx debe considerar socavación general y local (en caso de elementos apoyados en

el cauce).

55Fotografía – Sifón Cholguán


CRITERIOS ESPECÍFICOS – EX DIRECCIÓN DE RIEGO

(SIFONES Y CANOAS)

56


CRITERIOS ESPECÍFICOS – PERÍODO DE RETORNO (BOCATOMAS)

Las exigencias del reglamento del art. 294 se resumen a continuación:

1. Las Bocatomas caen dentro de las obras de captación relacionadas con acueductos: Párrafo III, artículo 41.

2. Se distinguen los casos con barrera (elementos dispuestos en forma transversal) de los casos sin barrera

3. Respecto de los períodos de retorno, se establece una clasificación relacionada con la altura de la obra, definida como

“el punto más alto de la estructura resistente, sin tener en cuenta los escarpes, dentellones, pantallas de

impermeabilización, rellenos de grietas u otros elementos semejantes”

• Sin barrera/Altura menor o igual a 5,0 m: Diseño TR=100 años, Verificación TR=200 años

• Altura mayor a 5,0 y menor o igual a 15,0 m: Diseño TR=250 años, Verificación TR=500 años

• Altura mayor a 15,0 m: Diseño TR=1.000 años, Verificación TR=10.000 años

4. En caso de existir compuertas como parte de los elementos transversales.

• El mínimo será 2.

• Deben permitir el paso de elementos flotantes

• La crecida de diseño debe considerar el 25% de las compuertas fuera de servicio, con un mínimo de 1,0.

• La crecida de verificación puede considerar todas las compuertas y toda la revancha disponible.

• La revancha mínima será de 1,0 m entre el nivel máximo generado por la crecida de diseño y el punto más bajo

de la estructura.

Nota: No confundir con la clasificación de embalses, que es similar en cuanto a los rangos de altura, pero asocian diferentes TR.

57


BOCATOMAS:

DE SUPERFICIE:

Debe evitarse instalarlas en el lado interior de una curva. El vertedero evacuador de

crecidas debe ser de gran capacidad: Período de retorno 1:100 a 1: 1.000 años.

Restricción D° de agua

58


BARRERA MÓVIL

Q2,QF2

OBRA DE TOMA O OBRA DE CAPTACIÓN

Q1,QF1

59

C N R | C O M I S I Ó N N A C I O N A L D E R I E G O 60

Compuertas móviles, sector río Mapocho.

BOCATOMAS DE SUPERFICIE – ALGUNOS EJEMPLOS


BOCATOMAS DE SUPERFICIE:

Compuerta radial móvil. Se acciona a través de motores ubicados en las

casetas naranjas.


Toma



Aspectos del diseño hidráulico que se deberán verificar:

- Eliminar lo más posible la entrada de sedimentos al canal de aducción

- Disipación de la energía hidráulica al pie de las barreras fijas y en especial de las barreras móviles.

- Protecciones de las obras frente a socavaciones.

- Controlar las filtraciones bajo las obras (evitar el piping).


Barrera Fija

Barrera Móvil

Obra de Toma


64


Posición Óptima:

Experiencias de Haber-Maas


65


:

Canal desripiador operando en la obra de captación.


66


□.- Sistemas de purga de operación discontinua.


67


La determinación del nivel de la poza H y

las dimensiones obra de toma son

iterativas.

Considerar 2 casos:

Barrera en Crecidas, Hmax

Barrera en situación normal, H

Barrera en Crecidas:

1.- Calcular Carga H máxima en Barrera, considerando barrera fija + barrera móvil, con sus correspondientes curvas de descarga.

Este cálculo debe efectuarse con el Q diseño de la barrera: valores usuales desde 1:200 a 1:1.000 años de la serie de caudales naturales del río.

Se verifican períodos de retorno menores (1:100 a 1:500) con una o más compuertas fuera de servicio.

H máx, H.


68


La determinación del nivel de la poza H y las dimensiones obra de toma son

iterativas.

2.- Se adopta un valor de a según cargas de sedimentos admisibles en la barrera.

3.- Se calculan obras de aducción, en proyectos de prefactibilidad se usan

habitualmente condiciones normales, en estudios más avanzados, ejes hidráulicos.

Barrera en situación normal, H:

69


4.- Si la obra de toma empalma con un canal, lo ideal es enlazar energéticamente la poza y el

inicio del canal, para que en este exista altura normal.

5.- A partir del Bernoullí de inicio del canal, se agregan perdidas singulares que correspondan y

se obtiene la energía al final de la grada.

6.- A partir de esa energía se impone energía crítica sobre grada de entrada (umbral). La carga

H resultante será el Bc más las pérdidas de entrada (incluir perd. Reja si corresponde).

=> Se obtiene la carga H


70


¿y como sé que tendré la carga H en la poza?....

…Opero (abro o cierro) las compuertas ¡


71


Verificar (y rediseñar si corresponde):

• Verificar (y diseñar) con una velocidad en la reja entre 0,7 y 1,2 m/s para asegurar su

estabilidad.

• Para obtener la altura de muros y compuertas se considera Zcoron= H + Revancha (min 1,0 m).

En esta revancha deben quedar incluidas las plataformas de operación.

• Pérdidas a considerar: Rejas (Berezinsky), pérdidas entrada, transiciones, ranuras de

compuertas, salida.

• Disipación de la energía hidráulica al pie de la barrera móvil. Disipación de la energía hidráulica

al pie de una barrera vertedero, ya que el caudal se vierte desde un nivel alto en la poza al nivel

inferior en el río de aguas abajo. También debe disiparse la energía hidráulica en las obras de

desripiación.

• La protección de las obras de las socavaciones locales que pueden producirse al pie de la

barrera móvil, barrera fija, en las riberas del río aguas abajo de las obras.

• Controlar las filtraciones bajo las obras y evitar los fenómenos de “piping”.

• Determinación de las subpresiones sobre las obras para el adecuado diseño estructural.


72


Cálculo de socavación umbral de salida:

Bormann- Julien

La fundación del diente, además de proteger contra la socavación, aporta resistencia al flujo para evitar el fenómeno del piping

Smáx.:

73


Piping en barreras:

Debe verificarse no exista tubificación del suelo bajo la estructura

(piping) pues esto podría hacer colapsar la estructura, por fuga de

finos y pérdida de capacidad de soporte:


74


Para verificar esto se usa el método de Lane (Rotura compensada: Lrc)

Lrc = Lv. + 1/3 Lh (si incl 45º L=Lh)

debe verificarse que: Rcc = Lrc / H sea ≥ Rcclim


75


Están compuestas por 3 partes: el sumidero, el desripiador y el

vertedero de rebase y captación de aguas limpias.

III III

BOCATOMAS DE ALTA MONTAÑA

76


Se utilizan para cauces de fuerte pendiente en zonas con arrastre y difícil acceso.

Funcionan con muy baja mantención.

Por su mecanismo de limpieza sólo se pueden implementar en ríos de grandes

pendientes y desniveles.


77



78



79



80

Fotografía – CH El Toro Endesa


REJA COANDA ->ELIMINA EL REQUISITO DE “PENDIENTE FUERTE”

81

Fotografía – Captación CH Dongo, Chiloé


OJO CON LOS SEDIMENTOS

82

Fotografía – Río Barroso, Colombia


Protecciones (Ver parte 3):

Enrocados-> Schoklitsh


83


Elementos de diseño de una barrera móvil:

Protecciones:


84


RESUMEN PARTE 2

Diseño≠Dimensionamiento. El diseño no solo debe considerar el dimensionamiento, sino que

también las condiciones de operación y especialmente la implantación o empalme energético de la

obra.

Los resultados de los análisis hidráulicos serán un input para el diseño estructural.

Período de retorno: En obras que interactúen con cauces naturales, es fundamental identificar el

período de retorno y el elemento al que se debe aplicar para efectos del diseño de la obra. Se

revisaron los principales criterios para estos efectos.

Bocatomas: Se revisaron someramente algunos elementos de diseño de Bocatomas con barrera:

-Obtener la carga de operación

-Obtener la carga máxima

-Elementos de protección y socavación al pie.

85


Importante: En la literatura, lo usual es encontrar recomendaciones respecto del dimensionamiento de

las estructuras. Sin embargo, para un diseño completo debe además considerarse la operación,

mantenimiento y la implantación de la estructura en el contexto real del proyecto. Por ello, se deben

hacer todos los análisis relacionados para empalmar energéticamente la obra.

Ejemplo sencillo: Una transición

Datos:

Q=2,0 m3/s

b=2,0 m

i=0,001

Requiero realizar un cambio de sección, pasar de canal trapecial a canal rectangular para empalmar

con una obra de arte existente.

Si la pendiente de fondo es la misma, y se proyecta una transición desde trapecial 1.5:1.0 (H:V) a

rectangular, la energía específica, o el Bernoulli con respecto al fondo, puede ser diferente.

¿Cuáles son las opciones?

1. Empalmar fondo con fondo

2. Empalmar alturas de aguas

Nota. Debido a que la pendiente es la misma, la pérdida de carga se asumirá despreciable.

86

EJEMPLO


Caso 1: Empalme fondo con fondo

Hn=0,61 m

En=0,68 m (v2/2g=0,7 m)

Hn=0,85 m

En=0,92 m (v2/2g=0,7 m)

RectangularTrapecial

Altura

normal

Altura

impuesta

por aguas

abajo

Consecuencia: En lugar de

altura normal, se presenta

río peraltado. Se disminuye

la revancha disponible, y

además el efecto del peralte

se transmite hacia aguas

arriba hasta que J=i

87

RT

T

R


Caso 2: Empalme de alturas de agua

Hn=0,61 m

En=0,68 m (v2/2g=0,7 m)

Hn=0,85 m

En=0,92 m (v2/2g=0,7 m)


Altura

normal

Consecuencia: Al no existir pérdida de carga,

empalmar las alturas de escurrimiento mediante un

desnivel en la transición es equivalente a empalmar

las energías específicas.

En el caso general, debe además sumarse la pérdida

de carga.

Es decir:

Δz=ΔE +/- λs

Δh=0,85-0,61=0,24 m

88

RT

T

R


En el caso anterior, dado que las alturas de velocidad eran equivalentes, se cumplía que E1=E2-Δhn

En proyectos de canales, es usual obtener que la pendiente económica de un canal rectangular es mayor que la del

caso trapecial. Esto permite dimensionar canales rectangulares menores. En este caso, empalmar las alturas de

agua lleva nuevamente a un peraltamiento del tramo trapecial, al imponer una energía específica mayor que la

normal como condición de borde.

Hn=0,61 m

En=0,68 m (v2/2g=0,7 m)

Hn=0,61 m

En=0,74 m (v2/2g=0,7 m)


Altura

normal

Altura

impuesta

por aguas

abajo

Δh=0,61-0,61=0,0 m

Conclusión: Cada singularidad del canal, si no está empalmada

energéticamente con el tramo siguiente, generará alteraciones del flujo no

deseadas. En casos de existir varias transiciones, estos efectos se pueden

acumular y dejar al canal sin revancha.

En este ejemplo, una transición mal empalmada, puede restar 6 cm de

revancha cualquiera sea el caudal. En este caso, el mínimo es 20 cm, y la

revancha en cierto tramo nunca será mayor que 14 cm.

Debido a que el Bernoulli solo crece hacia aguas arriba, en ciertos casos el

efecto puede sumarse con otras singularidades antes de que se alcance

altura normal.

Para evitar peralte, se debe empalmar En.

Es decir, para imponer una energía

específica equivalente a la energía normal,

el empalme del canal trapecial debe estar

Δ=0,74-0,68=0,06 m más alto.

89

RT

T

R


PARTE 3 –EMBALSES Y OBRAS ANEXAS


CRITERIOS ESPECÍFICOS – PERIODOS DE RETORNO

EMBALSES (Elementos de evacuación)

Clasificación, Art. 12

Categoría A: Pequeños 5<H<15 o 50.000 m3 <V<1.500.000 m3

Categoría B: Medianos 15≤H<30 o 1.500.000 m3 ≤V<60.000.000 m3

Categoría C: Grandes H≥30 V>60.000.000 m3

Crecidas de diseño, Art. 30

Obras de evacuación y desague

Categoría A:

Diseño TR=250 años

Verificación TR=500 años

Para embalses inferiores a la categoría A, que no están regidos por este reglamento, se recomienda adoptar los mismos

criterios asociados a las obras de captación cuando corresponda:

Altura menor o igual a 5,0 m: Diseño TR=100 años, Verificación TR=200 años

Nota: No se incluyen los criterios de diseño para embalses mayores

91


VERTEDERO

En general, se denomina vertedero a un conjunto de obras de evacuacion y desague, que

pueden comprender:

Obras de vertimiento o rebose

Obras de conduccion

Obras de disipacion

Protecciones hidraulicas

Por ello, tambien usualmente se designa como "obra de seguridad"

92


EN EMBALSES ALIMENTADOS POR CANALES

Se debe contar con un

elemento de rebalse

con capacidad para

evacuar la capacidad

máxima del canal

alimentador.

93


Revancha

95


Revancha

Hv

Vertedero lateral

Morning Glory

Controlado con

compuertas

EN EMBALSES ALIMENTADOS POR CAUCES NATURALES

Cota del umbral

96


VERTEDERO

Diseño del vertedero (rebose)

Lo mas usual es utilizar un coeficiente de gasto de referencia y el efecto de contraccion (longitudefectiva)

Ecuacion del vertedero. Forma tradicional:

𝑸 = 𝒎𝑳𝑯 𝟐𝒈𝑯

Coeficientes de referencia:Pared gruesa (crisis) m=0,385Vertedero lateral en canal m=0,35 – 0,37Pared delgada Lateral (en un embalse) m=0,40Pared delgada Frontal m=0,45Morning Glory m=0,46 – 0,49Cresta Ogee m=0,52 y más

Importante: Algunos coficientes de gasto tabulados no son adimensionales, y pueden corresponder aunidades inglesas (ej. Los de los abacos del small dams). Esto pues incorporan en el coeficiente degasto el valor de “2g”

Ejemplo:-Q=CLH3/2 (Fórmula del Small Dams)

3

1

3

2* QCm

3

1 )(3

2

3

2PHgCbQ Q De aquí, si Cq=1 m=0,385

97


VERTEDERO

Concepto de longitud efectiva:

Nota: Debido a que el coeficiente de gasto es un valor empírico, se debe revisar cada valor o expresión

recomendado respecto de la longitud que debe emplearse, ya que algunas expresiones están referidas

al concepto de “longitud efectiva”.

Por ejemplo, para los coeficientes de gasto del small dams, la longitud efectiva se calcula

eape HKKNLL *)*(*2

L = ancho o longitud bruta del vertedero (m)

N = número de vanos

Kp = coeficiente de contracción por machones

Ka = coeficiente de contracción por estribos

He= Energía disponible sobre el umbral del vertedero (m)

98


VERTEDERO MORNING GLORY

El valor de “m” decrece a medida que

H aumenta

Para H/r=0,2

m=0,495

99


REVANCHA

Se diferencia de acuerdo a la altura de muro.

H<1,5 m Se puede adoptar una revancha mínima de 30 cm, deseable 50 – 70 cm.

1,5<H<5,0m Se debe considerar el efecto del oleaje y un Factor de seguridad, con mismos rangos

anteriores.

H>5,0m Se deben considerar las exigencias de la DGA:

Revancha mínima. Se entenderá como la diferencia de elevaciones entre el coronamiento del muro y el nivel de aguas,

generado por la crecida de diseño, en el evacuador de seguridad. Para su determinación se deberá considerar la

sumatoria de los siguientes factores:

1. Efecto del viento sobre el embalse.

2. Altura de la ola causada por el viento, incluido el efecto de ascenso de la ola.

3. Asentamiento por consolidación del muro y/o de su cimentación.

4. Asentamiento dinámico causado por sismo. Para este cálculo, se aceptarán como válidas las recomendaciones

establecidas en la letra a) del artículo 31 del presente Reglamento, relativo al estudio sismológico, considerando

para ello el valor del sismo más desfavorable en cada caso.

El valor mínimo aceptado para la revancha será de 1,0 m, cuando del cálculo se obtengan valores inferiores a esta cifra.

Importante: La revancha indicada debe referirse al nivel maximo asociado a la crecida de diseño, medida en el

vertedero.

100


REVANCHA POR OLEAJE

Usualmente se define como r=1,5hola

Para el cálculo de la altura de la ola existen numerosas fórmulas…¿Cuál usar?

Stevenson (“The construction of Harbors” 1864) – Proviene de un tratado de hidráulica marítima.

Orientado a el caso de fuertes temporales (Valores generalmente más conservadores) – Mínimo Fetch

de las observaciones: 1 milla

Molitor (“Waver pressure on Sea-Walls and Breakwaters” ASCE Transactions 1935)

101


Bureau of Reclamation (1960) – Es la más sencilla de usar, pero la menos

aplicable a embalses pequeños ya que no toma en cuenta el Fetch (No

usarla en embalses pequeños)

Creager (1963) – De las anteriores, sería la más idónea para el caso de un

embalse pequeño

102


-Khatsuria, 2005 - Hydraulic design of spillways and energy dissipators:

Compendio de prácticamente todos los tipos de vertederos y disipadores

existentes, en unidades del SI

-Vischer y Hager, 1998 - Dam Hydraulics: Buen texto de referencia para obras

relacionadas con presas.

-Vertederos tipo Ogge –Además de los textos anteriores, se recomienda también

consultar el texto del Small Dams para los casos con velocidad de aproximación no

despreciable, o el HDC del USACE, para casos en que la velocidad de

aproximación es despreciable. Ojo con las unidades y los coeficientes de gasto.

MAYORES ANTECEDENTES

104


La diferencia de nivel energético impuesta por el muro del embalse debe

ser disipada para evitar erosión y daños a las fundaciones y otras

estructuras.

Para conseguir este efecto, existen diversas soluciones posibles, siendo

las más comunes las del USBR.

En el punto de contacto entre la obra y el lecho natural, se recomienda

disponer de protecciones hidráulicas (enrocados).

DISIPADORES DE ENERGÍA Y PROTECCIONES

105


NOTA: Algunos de los tipos de caída que se verán también pueden usarse como parte de un canal de

riego. Solamente es necesario identificar el número de Froude al pie

106


Cubetas disipadoras de resalto:

1h Altura del torrente en el inicio del resalto.

1v Velocidad del torrente > cv (velocidad critica).

1

11

gh

vF = Nº de Froude del torrente.

2h Altura conjugada.

2v Velocidad del régimen subcrítico.

rL Longitud del resalto.

La altura conjugada, relación de Belanger:

1812

1 2

1

1

2 Fh

h


107

La pérdida de energía del resalto hidráulico:

21

3

12

4

)(

hh

hhPr

Longitud del resalto según Hager (1990):

12)20

(tanh160 1

1

F

ph

Lr

La eficiencia del resalto hidráulico como disipador de energía:

2

1

2

1

32

1

21818

381

FF

Fer

Resultando (s/H. Mery):

F1 er F1 er F1 er F1 er 1 0% 4 39,1% 8 66,4% 15 81,5 2 9,1 5 49,1 10 72,7 20 86,7 3 25,7 6 56,4 12 77,1

Largo de resalto (Hager, 1990)


Cubetas disipadoras de resalto, Tanques del USBR:

Tanque tipo II. Este tanque se utiliza cuando el torrente tiene un N° de Froude F1 mayor de 4,5 y la velocidad del torrente es superior a los 18 [m/s].

La altura del régimen tranquilo a la salida debe ser .2 05,1 conjhh ( .conjh

altura conjugada del torrente.). La longitud necesaria de este tanque es de

.4,4 conjhL .


108



Tanque tipo III. Este tanque es mucho más corto que el anterior para lo cual tiene una corrida de bloques de impacto que originan fuerzas que se suman a la fuerza hidrostática de la altura de aguas abajo.

Este tipo de tanque se utiliza en torrentes con el N° de Froude F1 >4,5, pero la velocidad del torrente debe ser inferior a los 18 [m/s], para evitar la cavitación en los bloques de impacto. La altura de aguas abajo debe ser

igual a la altura conjugada y la longitud del tanque es de .8,2 conjhL

109



Tanque tipo IV. Este tanque se utiliza para disipar la energía de torrentes de baja energía específica. Sus características se muestran en la figura 2.77. Los parámetros característicos deben cumplir las siguientes

recomendaciones( .2 conjhh ):

5,45,2 1 F ; ; .1,6 conjhL

El USBR recomienda que el coronamiento de los muros laterales adopte un

resguardo (revancha) sobre 2h de :

)(1,0 21 hvhresguardo

Otros aspectos generales de los tanques (II, III, IV):

110


Cubetas disipadoras de resalto, Tanques SAF (Saint

Anthony Falls)

Se utiliza para pequeñas estructuras de drenaje, es de tamaño

reducido que los tanques USBR (ver Ven Te Chow):

111


Cubetas disipadoras de

resalto, Tanques SAF

(Saint Anthony Falls,

ver Texto Hidraúlica

De Ven Te Chow)

112


Procedimiento General – Disipadores de Cubeta

1. Determinación de la altura de torrente y todos los parámetros hidráulicos (v, Fr, etc) al piedel rápido (Se debe asumir una cota de ingreso al disipador). Generalmentecorresponderá a un EH Supercrítico, controlado por aguas arriba (C.B.: Crisis al inicio delcambio de pendiente y cálculo hacia aguas abajo, empalme con esquemas de EHaproximados (modelos hidráulicos, prototipos), otras fórmulas (VT Chow, etc)

2. Selección del tipo de disipador según características hidráulicas, espacio disponible,eficiencia de disipación requerida, frecuencia de uso de la obra, calidad del terreno defundación, etc.)

3. Dimensionamiento de los elementos básicos del disipador: Largo de cubeta,características de los dientes y otros elementos accesorios, altura de los muros, etc.

4. Determinación de la cota de implantación del disipador: Balance de Energía entre lascondiciones naturales de aguas abajo (río, estero, otro canal, etc) y las condicionesrequeridas a la salida del disipador (ej. Hconj)

5. Verificación de los parámetros del paso 1, de lo contrario, volver a calcularlos.

6. Determinación de la socavación máxima esperada al pie del disipador. Con ello sepuede obtener la profundidad de los dientes de protección.

7. Determinación de los elementos de protección al pie del disipador en caso de que serequieran: Enrocados, bolones, losas de revestimiento en empalmes con canales norevestidos, etc. En disipadores grandes, se pueden dimensionar enrocados de tamañovariable a lo largo del cauce según resultados de modelación física o computacional.

113


LA PALOMA

114


Protecciones con Enrocados

Pueden ser sueltos

o consolidados


Protecciones con Enrocados

Se especifican por su diámetro, espesor de

Capa y/o su peso crítico.


Protecciones con Enrocados – Fórmulas Experimentales

Fórmula de Isbash

(Hydraulic Design Criteria – USCE)

cos)1(220,1cos)1(286,0:max ss dsgdsgv

Fórmula de C.R. Neill

(1968).

3/1max )()1(2h

ds

gh

VF s

Bloques trabados

S: Peso específico

relativo del

sedimento.

Normalmente 2,65


Protecciones con Enrocados – Fórmulas Experimentales

En Taludes

Lopardo-Estellé:

Válida para:

4/126/1

13,1)1(

sen

sen

d

h

dsg

vF

ss

s

679 sd

h

118


RESUMEN PARTE 3

Obra de excedencias. Debe considerar evacuar la totalidad del caudal máximo en el canal

alimentador, o bien, la crecida asociada al período de retorno correspondiente.

Revancha: Debe considerar los distintos efectos. Es importante recalcar que debe sumarse al nivel

máximo de aguas presente en el vertedero. (Carga hidráulica)

Disipadores y protecciones: Se deben diseñar y proyectar elementos de disipación y protecciones

contra la socavación al pie. Esto para evitar que la erosión del cauce al que se descarga pueda

dañar las estructuras y/o causar daños a terceros.

119


Gracias

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Presentación de PowerPoint - cnr.gob.cl de Difusin 2016/Taller Obra... · Elementos de diseño de...

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