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TEMA: CADAS Y RPIDAS Universidad San PedroDocente: ing. jara remigio florHUARAZ NOVIEMBRE - 2013 Alumnos:Carrin Snchez GILBERConco Valentn EDWINJavier Aguilar blancaPoma castillo KarinaESCUELA: INGENIERIA CIVIL

IntroduccinEl presente trabajo se ha realizado con la finalidad de conocer, el concepto de rpidas y cadas, sus caractersticas principales, tipos, componentes, ventajas, desventajas y como realizar un diseo hidrulico.Las rpidas se usan cuando la diferencia de altura es mayor a 4,5 metros y el agua es transportada una larga distancia y a lo largo de pendientes que pueden ser menos empinadas que las de cadas pero lo suficiente como para mantener la velocidad supercrtica.

El desarrollo de este trabajo de investigacin supone la solucin al problema de cadas abruptas mediante rpidas como elementos de enlace entre dos tramos de canal con diferencia de cotas apreciables en longitudes cortas, en donde no es aplicable la ecuacin de Manning.

JustificacinLa elaboracin del presente trabajo pretende dar a conocer que son rpidas y cadas, sus partes, importancia y su aplicacin. Mtodos para su diseo con informacin terica. ObjetivosObjetivo GeneralBrindar al alumno los conocimientos bsicos, tericos de una rpida y cada Conocer ms sobre el diseo hidrulico de cadas y rpidas.

Objetivo EspecficoAprender que es y para qu sirve una cada y una rpida.Estudiar el funcionamiento de una cada y una rpida hidrulica.Conocer sus diferentes tipos y partes.Realizar clculos para dimensionar hidrulicamente.

RPIDAS

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

Las rpidas son usadas para conducir agua desde una elevacin mayor a una ms baja. La estructura puede consistir de una entrada, un tramo inclinado, un disipador de energa y una transicin de salida.El tramo inclinado puede ser un tubo o una seccin abierta. Las rpidas son similares a las cadas, excepto que ellas transportan el agua sobre distancias ms largas, con pendientes ms suaves.

Finalidad

Se disean para evitar prdidas hidrulicas importantes en los flujos de alta velocidad. El objetivo es reducir la velocidad y pasar el flujo de rgimen supercrtico a subcrtico.

CONSIDERACIONES DE DISEOCoeficiente de Rugosidad de Manning

En el clculo de las caractersticas de flujo en una estructura de este tipo son usados valores conservadores del coeficiente de rugosidad de Manning n. Cuando se calcula la altura de muros en una rpida de concreto, se asume valores de n = 0.014 y en el clculo de niveles de energa valores de n = 0.010.

3. 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 consideradas 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.Para rpidas menores de 9 m (30 pies) de longitud, la friccin en la rpida puede ser despreciable. 2. 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 trazo inclinado y el disipador de energa.

5. Poza disipadora

En una poza disipadora el agua fluye desde el tramo corto de creciente 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 al agua hacia un salto hidrulico y la energa es disipada en la turbulencia resultante. La poza disipadora es dimensionada para contener el salto. Para que una poza disipadora opere adecuadamente, el nmero de Froude debera estar entre 4.5 < F < 15, donde el agua ingresa a la poza disipadora.

4. 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 sera entre 1.5:1 y 3:1, con una pendiente de 2:1 preferentemente. Pendientes ms suaves pueden ser usadas en casos especiales, pero no deben usar pendientes ms suaves que 6:1. Se requiere de una curva vertical entre el tramo inclinado y el tramo con pendiente pronunciada. 7

6. Formacin de OndasLas 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 este tipo de flujo porque no puede formarse un salto hidrulico estable.

Estas ondas generalmente se forman en rpidas, que son ms largas que aproximadamente 60 m (200 pies) y tienen una pendiente de fondo ms suave que 20. La mxima altura de onda que puede esperarse es dos veces el tirante normal para la pendiente, y la capacidad mxima del flujo momentneo inestable y pulstil es dos veces la capacidad normal. Flujo transversal u ondas cruzadas pueden tambin desarrollarse en una rpida.

SECCIN TERICA DE UNA RPIDA DE FLUJO ESTABLE. LA FORMA TRIANGULAR PROVIENE TANTO DE LAS ONDAS CRUZADAS COMO DE FLUJO NO ESTABLE

Estas ondas son causadas por:1. Transiciones abruptas de una seccin del canal a otra.2. Estructuras asimtricas.3. Curvas o ngulos en el alineamiento de la rpida.

Algunas secciones de la rpida son ms probables a sufrir ondas que otras secciones. Secciones poco profundas y anchas particularmente susceptibles a flujo transversal, mientras que secciones profundas y angostas resisten tanto el flujo transversal como el flujo inestable y pulstil. Las secciones de rpida que tericamente pueden prevenir la formacin de ondas han sido desarrolladas de forma triangular que previene tanto las ondas cruzadas como el flujo inestable.

PROCEDIMIENTO 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 da y el gradiente de energa despus del salto hidrulico.6. Determinar el gradiente de energa en el canal despus 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 antes mencionados varias veces, antes de que se obtenga una coincidencia de niveles de energa.8. Revisar por 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 o transicin de salida como se requiera.11. Verificar la posibilidad de la produccin de ondas en la estructura.12. Proporcionar proteccin en el canal despus, si es requerido.

CONSIDERACIONES HIDRULICAS

Se requiere conocer las propiedades hidrulicas y elevaciones de la rasante y de las secciones del canal aguas arriba y aguas debajo de la rpida, as como un perfil del tramo en la localizacin de la estructura.

Generalmente se debe mantener una pendiente mayor que la necesaria para mantener el rgimen crtico, por lo que el tipo de flujo que se establece es el flujo supercrtico.

El canal de cada puede tener de acuerdo a la configuracin del terreno una o varias pendientes y es generalmente de seccin rectangular o trapezoidal.

La trayectoria debe disearse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacos. Si la trayectoria se calcula con el valor de la aceleracin de la gravedad como componente vertical, no habr presin del agua sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentar, limitndose as la capacidad de conduccin del canal, por lo que se acostumbra usar como componente vertical un valor inferior a la aceleracin de la gravedad o incrementar el valor de la velocidad para que la lmina de agua se adhiera al fondo del canal.

La poza de disipacin debe ubicarse en el extremo inferior de la trayectoria con el objetivo de absorber parte de la energa cintica generada en la rpida, mediante la produccin del resalto hidrulico y contener este resalto dentro de la poza.

Con el fin de proteger el canal sobre todo si es en tierra, se puede revestir con mampostera la zona de proteccin.

CAIDASDEFINICINSon 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 (muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas ocasionan), permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo.En La siguiente tabla se dan los valores recomendables para las profundidades (p) y la longitud (L) del colchn amortiguador en funcin del ancho de plantilla (b) y el desnivel (F).

ELEMENTOS DE UNA CADA

En el diseo de una cada, 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.

Cada en s: la cual es de seccin rectangular y puede ser vertical o inclinada.

Seccin de control: es la seccin correspondiente al punto donde se inicia la cada, cercano a este punto se presentan las condiciones crticas.La seccin de control tiene por finalidad, mantener el flujo aguas arriba en rgimen tranquilo, de manera que es en la misma seccin de control donde ocurre el cambio de rgimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad crtica.

Poza o colchn amortiguador: es de seccin rectangular, siendo su funcin la de absorber la energa cintica del agua al pie de la cada.

Elementos de una cada

Finalidad

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.Cadas verticales

Criterios de diseo

a) Se construyen cadas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1m como mximo, slo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores.

b) Se recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000 l/sxm de ancho, siempre se debe construir cadas inclinadas, adems manifiesta que la ejecucin de estas obras debe limitarse a cadas y caudales pequeos, principalmente en canales secundarios construidos en mampostera de piedra donde no se necesita obras de sostenimiento ni drenaje.

c) Cuando el desnivel es 0.30 m y el caudal 300 l/sxm de ancho de canal, no es necesario poza de disipacin.

d) El caudal vertiente en el borde superior de la cada se calcula con la frmula para caudal unitario q.

e) La cada vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado.

f) Por debajo de la lmina vertiente en la cada se produce un depsito de agua de altura lo que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo.

g) Rand (1995), encontr que la geometra del flujo de agua en un salto vertical, puede calcularse con un error inferior al 5% por medio de funciones.

h) Al caer la lmina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cmara indicada, el cual se debe reemplazar para evitar la cavitacin o resonancias sobre toda la estructura.

i) Para facilitar la aireacin se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes:Contraccin lateral completa en cresta vertiente, disponindose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lmina vertiente

CRITERIOS DE DISEO DE UNA CADANumero de cadas.Longitud de transicin de entrada.Ancho del canal en el tramo de la cada.Disear la poza disipadora en funcin de la altura de cada. Borde libre de la cada.Rugosidad en el funcionamiento de la cada.Ventilacin bajo la lmina vertiente.Verificar que la velocidad del flujo de la cada este en el rango de 0.6m/s < v < (1.5-2)m/sTener cuidado el mal funcionamiento hidrulico del chorro de la cada por que puede producir una gran erosin en el muro vertical.

CADAS VERTICALES CON OBSTCULOS PARA EL CHOQUESe ha desarrollado para saltos pequeos, un tipo de cada con obstculos donde choca el agua de la lmina vertiente y se ha obtenido una buena disipacin de energa para una amplia variacin de la profundidad de la lmina aguas abajo a tal punto que puede considerarse independiente del salto.

PROCEDIMIENTO PARA EL DISEO DE UNA CADA SIN OBSTCULODiseo del canal, aguas arriba y aguas abajo de la cada. Utilizar las consideraciones prcticas que existen para el diseo de canales.

2. Clculo del ancho de la cada y el tirante en la seccin de control. En la seccin de control se presentan las condiciones crticas.

ConclusionesDel presente trabajo hemos llegado a la conclusin que un diseo hidrulico de cadas y rpidas, es llevar el agua de un lugar alto a uno bajo y de disipar el exceso de energa por dicha cada o rpida.

Se han realizado trabajos del diseo de rpidas y cadas en concordancia a las normas tcnicas y el RNE, junto a los parmetros de diseo vigentes y la buena prctica de la ingeniera hidrulica que han dado credibilidad y mayores beneficios, que gracias a sus tipos, formas se adecuan al terreno en el cual sern instalados y as podemos optimizar la eficiencia de cadas y rpidas.

RECOMENDACIONES

EJERCICIO

GRACIAS POR SU ATENCION