SIFÓN Y ACUEDUCTO OBRAS de arte -irrigacion.doc

8/16/2019 SIFÓN Y ACUEDUCTO OBRAS de arte -irrigacion.doc

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CAPÍTULO IV: DISEÑO HIDRÁULICO DE OBRAS DE ARTE DE RIEGO

4.06.- Diseño i!"#$%i&o !e Si'o(es.

4.0).- Ge(e"*%i!*!es

Cuando un canal debe cruzar una depresión ya sea una quebrada, río o uncamino, etc., se proyecta un sifón invertido que puede ser de secciona circular,rectangular o cuadrada que trabajara a tubo lleno.

Un sifón consta de un conducto cuya longitud queda determinada por el perfildel terreno y dos transiciones de entrada y de salida, siendo generalmente desección trapezoidal a rectangular en la cual se encuentran anclados los tubos.

En el cruce de un canal con una salida quebrada, el sifón se proyecta paraconducir el menor gasto y lo suficientemente profundo para no ser socavado, enciertas ocasiones debido a sus dimensiones.

Un sifón se constituye en un peligro, principalmente cuando esta cerca decentros poblados, siendo necesario el uso de rejillas pero con la desventaja deque puedan obturarse las aberturas y causar remansos.

Un canal en su trayectoria alcanzará en algunos casos depresiones abruptas ozonas con problemas de estabilidad de suelos, que no podrán ser superados conestructuras elevadas acueductos!, sea por razones t"cnicas como económicas,

por lo que podrá considerarse como variante una estructura que cruce el desnivel por medio de un conducto que se desplace por debajo del accidente topográfico,lo cual dará lugar a la configuración de un sifón invertido.

• Es+$e,* !e $( si'( i(e"/i!o s$e"'i&i*%.

El canal, por medio de los sifones, incorporará estructuras que trabajarán

bajo presión.

#os sifones pueden ser construidos superficiales o enterrados. #asestructuras superficiales se emplazarán sobre el suelo, en trinc$eras, t%neleso galerías, los cuales permiten una mejor accesibilidad. #as estructurasenterradas son más simples y normalmente de menor costo, ya que nocuentan con soportes, sin embargo la desventaja está asociada almantenimiento, por cuanto su accesibilidad resulta más complicada.

El sifón contará además de estructuras de entrada y de salida para lograr condiciones de transición $idráulicamente eficientes, por lo que su dise&odeberá lograr que el flujo se desarrolle en lo posible sin perturbacionessuperficiales, c$oques bruscos contra las paredes y cambios de dirección

pronunciados. #as estructuras de entrada y de salida contarán en amboscasos con rejillas y elementos de cierre rápido, que permitirán el control deflujo y los trabajos de mantenimiento.


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• T"*(si&io(es !e e(/"*!* 1 s*%i!*

El área de la sección transversal de un sifón viene determinado, de acuerdo ala ley de continuidad por el caudal de aducción y la velocidad de flujo. #amagnitud de la velocidad media en el conducto que conforma el sifón, puedevariar entre ' a ( m)s, para velocidades menores a ' m)s, es probable la

presencia de procesos de sedimentación. *in embargo la velocidad de flujoestá asociada tambi"n al tipo de material del conducto+ urita considera lossiguientes valores-

Conductos de fábrica /.0 a /.1 m)s 2ubos de $ormigón /.1 a '.1 m)s

En todos los casos se deberá incorporar elementos que permitan la limpieza periódica de los sedimentos que se acumulen en los sectores bajos aconsecuencia de las reducidas velocidades de flujo que se presenten durantela operación del sistema.

El dise&o $idráulico de un sifón tiene como base el cálculo de las p"rdidas decarga, locales y por fricción en el conducto. Entre las p"rdidas locales seconsiderarán principalmente p"rdidas en la estructura de entrada, en loscambios de dirección o codos y en la estructura de salida. El cálculo se

realizará para cada sección de conducto considerado $asta obtener niveles de


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p"rdidas que permitan por un lado el funcionamiento $idráulicamenteeficientes del sifón y represente el menor costo posible

4.02.- C"i/e"ios !e !iseño:

#as dimensiones del todo se determinan, satisfaciendo los requerimientos decobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencias de la entraday salida.

En aquellos sifones que cruzan caminos principales o de bajo de drenes , serequiere un mínimo de 0.30m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarioso canales de riego sin revestir, es suficiente 0.04 m si el sifón cruza un canalrevestido se considera suficiente 0.50 m de cobertura.

#a pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a '-/ y la pendientemínima del tubo $orizontal debe ser 1 6)oo. *e recomienda transición deconcreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales ensifones con 7 mayor o igual a 548 y para velocidades en el tubo mayores a /m)seg.

Con la finalidad de evitar desbordes de agua arriba del sifón debido a laocurrencia fortuita de caudales mayores al de dise&o, se recomienda aumentar en un109 ó 0.50 m. como má:imo al borde libre del canal en una longitudmínima de /1 m a partir de la estructura.

Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamentecortos con transiciones de tierra, tanto a la entrada como a la salida, se puedeusar una velocidad de / m5 ) seg. en sifones con transiciones de concretoigualmente cortos se puede usar /.1 m)seg., y entre 5 m )seg., a '.1 m)seg., ensifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada.

#as p"rdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo ;Cubierta


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En sifones largos bajo ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya seaque el sifón opere al flujo parcial o a flujo lleno con un coeficiente de fricciónmenor que el sumido en el dise&o, por esta razón se recomienda usar n ?0.00@ cuando se calculan las p"rdidas de energía.

Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireaciónen lugares donde el aire podría acumularse.

Con respeto a las p"rdidas de cargas totales, se recomienda la condición deque "stas sean iguales o menores a 0.50 m.

Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gastomá:imo de la creciente.

*e recomienda los anc$os de corona de la 2abla (.5 en el cruce de sifones oalcantarillas seg%n el tipo de camino.

T*3%* : A(&os !e &o"o(*s se5( e% /io !e &*,i(o

C"$&e &o( C*,i(os !eTio

A(&o !e% C*,i(o e( %* Co"o(* !e%* A%&*(/*"i%%* o Si'(

Cruce *imple Cruce con *obre=nc$o

A/ 5m!

A' (m!

A5 4m!

( m

1.10 m1.@0 m

(.4. m

4.4 [email protected] m

4.0.- C#%&$%o !e% !iseño i!"#$%i&o !e $( Si'(:

7.- C*"*&/e"8s/i&*s De% C*(*% P"i(&i*%:

B 5D400 B 5D04

/@.00 (.00 3.04 4'.00 3.04 (.00 /0.10


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Hi!"#$%i&*s: Geo,e/"8*:

F ? /.10 m5)s G ? 5.50m

H ? 0.3@m b ? 0.@0m

= ? /.4(m' > ? /.'1m

< ? 5.13'm ? /.00

I ? 0.(3/m e ? 0.01m

A ? 0.@1m)s

* ? 0.0001

n ? 0.0/4

9.- T"*,o A Diseñ*":

El tramo a dise&ar y ser calculado empieza de la progresiva B 05 D 4'( $astaB 05 D 00. la longitud de tramo será de 4.00m

PASO 7:

DIE;SIO;AIE;TO DE LA SECCI


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#2 ?(.00 m.

PASO ?:

DETERI;ACIO; DEL PU;TO DE I;ICIO

- Bm. 5D4/@

- Bm. 5D04• Me la topografía del terreno optamos por un N ? '10

PASO 4 :

CÁLCULO DE LA COTA E; >7@

Mel plano topográfico del Bm 5 D400 tenemos la cota '54.31 m.s.n.m

#uego-

Cota en /! ? '54.31 K0.0001J/@ ? '54.3(/ m.s.n.m

PASO :

COTA DE =O;DO E; >9@

/.1$A ? /.1 ( A'M A'C ) , /.1 ( '.0' K 0.@1' ) ? 0.'

'g 'J3.@/

t$e ? # ? 0.@1 ? 0.35

Cos '10 Cos '10

CO2= '! ? '5.3'@ K 0.' K0.35 ? '54.// m.s.n.m.

PASO 6:

0.3@

'54.3(/

'5.3'@

/.1 $v

>2E

'16


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COTA E; >?@

> ? #J*en '10

> ? /0J*en '10 ? (.'5 m.

CO2= EP 5! ? CO2= '! > ? '54.// K (.'5 ? '54.(@/ m.s.n.m

PASO ):

COTA E; >4@

CO2= (! ? CO2= 5! K 0.001J#

# ?4/m.

CO2= (! ? '5'.(@/ K 0.001J4/ ? '5'.// m.s.n.m.

PASO 2:

COTA DE =O;DO E; >@

> ? /0J*en '10 ? (.'5 m.

CO2= 1! ? CO2= (! D > ? '5'.//D(.'5 ? '54.(0/ m.s.n.m

PASO :

DETERI;ACI


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= la entrada- 3./0 ? './1

(.'5

'./1 - / es mas plano que '-/ O

= la salida- IDE;

PASO 77:

CARGA HIDRÁULICA DISPO;IBLE

= la entrada- Cota 1!D 2irante- '54.3(/D0.3@ ? '5.3'@ m.s.n.m.

= la salida- Cota 4!D 2irante- '54.@5/D 0.3@ ? '5.@/@ m.s.n.m

C=IR= MS*


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M? C=IR= MS*


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=#2UI= ME *UEIREPCS= ? 0.@3 D cota / K cota '!! >tE

? 0.@3 D '54.3(/ K '54.//! K 0.35 ? 0./3

=#2UI= MS*tE ? 0.35 ? 0./14 ⇒ no cumple 4 4

PASO 7

#OPRS2UM ME


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Lt = 4. m+t,ms +!

LT = 5.00 m

α)' ? arctg '.(/.'/3'!)'J10 ? @6 10Zα)' ? @6 10Z

i. PSAE# ME #= CO2= EP /*eg%n la fiura del Bm 5 D400 al punto / $ay /.0 m

Cota / ? '54.31 0.0001J/ ? '54.3( msnm

ii. CO2= ME TOPMO EP '

/.1$v ? /.1 ( V22 – V12)/2g/.1$v ? /.1 ( 1.22 – 0.52)/19.6 $v ? 0.0 m

>d ? M)cos '06>d ? /.'/3')cos '06>d ? /.'3

#uego-

Cota ' ? '5.3' 0.0 /.'3Cota ' ? '54.14 msnm

iii. CO2= ME TOPMO EP 5> ? '54.14 K '5(.'/ 0.3/.'/3'! ?(.(mCota 5 ? cota ' K>Cota 5 ? '54.14 (.( ? '5'.03 msnm

iv. CO2= ME TOPMO EP (Cota ( ? cota 5 K # J0.001Cota ( ? '5'.03 [email protected] ? '5/.@0 msnm


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v. CO2= ME TOPMO EP 1α ?'06sen '06 ? $)/($ ? (.@cota 1 ? '5/.@0 K (.@ ? '54.1@ msnm

vi. CY#CU#O ME# A=#OI < EP #= *=#SM=


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i:. CY#CU#O ME #=* C=IR=* MS*


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#os materiales de construcción de los acueductos dependerán de las condicionesde estabilidad, definida normalmente por las dimensiones del canal y la longituddel acueducto, así como del análisis económico de las variantes consideradas.

El acueducto servirá entonces para vencer alg%n accidente topográfico y acortar la longitud del canal en el tramo considerado. Este puentecanal servirá asímismo para el paso de peatones, por lo que se deberá prever en la estructuraestas formas de utilización. Eventualmente se dispondrá para el uso peatonal unacubierta superior o veredas laterales.

Es+$e,*s $( *&$e!$&/o.- Es importante considerar tambi"n las necesidades demantenimiento del acueducto, incorporando obras de limpieza y evacuación,como compuertas, que permitan aislar y desviar las aguas en una secciónanterior al puente, principalmente en situaciones de emergencia.


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4.79.- C"i/e"ios !e !iseño:

/. Estas obras constan de transición de entrada y transición de salida, siendosiempre rectangular la sección de la canoa.

'. #a energía de la canoa debe ser en lo posible igual a la energía del canal, paralo cual se trata de dar velocidad en la canoa igual a la del canal, despreciándoselas p"rdidas de carga en este caso, normalmente suele dársele a las transiciones,ángulos de /'650Z.

5. #a pendiente en la sección de la canoa, debe ajustarse lo más posible a la pendiente del canal a fin de evitar cambios en la rasante de fondo del mismo.

(. Pormalmente se aconseja dise&ar considerando un tirante en la canoa igual aldel canal, si el caso lo permite.

1. #a condición de flujo en la canoa debe ser subcrítico.

4.7?.- Des*""o%%o !e "o3%e,*s *%i&*!osC*%&$%o !e% !iseño i!"#$%i&o !e $( *&$e!$&/o:

7.-C*"*&/e"8s/i&*s !e% &*(*% "i(&i*%:

Hi!"#$%i&*s: Geo,/"i&*s:

F ? /.10 m5

)s G ? 5.50mH ? 0.3@m b ? 0.@0m

= ? /.4(m' > ? /.'1m

< ? 5.13'm ? /.00

I ? 0.(3/m e ? 0.01m

A ? 0.@1m)s

* ? 0.0001

n ? 0.0/4


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9.- T"*,o A Diseñ*":

El tramo a dise&ar y ser calculado empieza de la progresiva B 05 D 4'( $astaB 05 D 00. la longitud de tramo será de 4.00m.

?.- C#%&$%o De% A&$e!$&/o:?.7.- C#%&$%o !e %* se&&i( !e% '%$o e( e% *&$e!$&/o:

A ? /.00m)s+ F ? /.10m5)s

= ? F ) A = ? /.10 ) /.00 ? /.10m'

= ? bJy b asumido! ? /.'0m ? 1 F 7.9,

?.9.- C#%&$%o !e% /io !e '%$o e( e% *&$e!$&/o-

Caudal unitario q !- q ? F ) b

q ? /.10 )/.'0 ? /.'1m5)s)m

2irante critico Hc! Hc ? 5 q')g

Hc ? 5 /.'1' ) 3.@ ? 0.1(m

Aelocidad critica Ac! A ? F ) =c + =c ? bJHc

A ? /.10 ) 0.41 ? '.5/m)s

si Hc Q Hn y Ac An tipo de '%$o s$3&"8/i&o

?.?.- C#%&$%o De L* Lo(i/$! De T"*(si&i( -#t ? 2/ K 2'! ) 'tg /'6 5/Z

2/ ? '.m + 2' ? /.'0m

#t ? '. K /.'0! ) 'tg /'6 5/Z ? 5.1(m L/ F 4.00,

Pueva progresiva B!


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?..- A(#%isis Hi!"#$%i&o

*eg%n Gernoulli

?.6.- B*%*(&e De E(e"8* E(/"e 7 9

E/ ? E' D perdidas de carga

E/ ? Cf/ D y/ D A/')'g

E/ ? '[email protected]/ D 0.3@ D 0.@1')/3.4 E/ ? '53.15


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?.2.- Co/* !e %* %*(/i%%* e( ?:

Cf5 ? Cf' K *J#

Cf5 ? '5@.(/ K 0.00/5J4

C'? F 9?2.?77

?..- B*%*(&e !e e(e"8* e(/"e 9 1 ?:

E' ? E5 D perdidas por fricción

E' ? '53.1'/

E5 ? Cf5 D y5 D A5')'g

E5 ? '[email protected]// D y5 D A5')'g

pf ? 0.00/5J4 ? 0.03@@

'53.1'/ ? '[email protected]// D y5 D A5')'g D 0.03@@

/.///' ? y5 D A5')'g

Iesolviendo por tanteo

=5 ? /.'1m'

A5 ? /.'0m)s

? F 7.0?2,

E F 9?.97

?.70.- B*%*(&e !e e(e"8* e(/"e ? 4:

E5 ? E( D perdidas por transición de salida

E5 ? '53.1'/

E( ? Cf( D y( D A(')'g

Cf( ? E( y( A(')'g

? '53.1'/ K 0.054 K 0.3@

C'4 F 9?2.42


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4.74.- S*%/os !e *$*: C*8!*s 1 "#i!*s

#as caídas y rápidas son estructuras que se usan para unir dos tramos de canalque están a diferente nivel topográfico. *e denomina caída inclinada cuando lacaída en el gradiente de energía en una estructura no es mayor de (.10m. Cuandola caída en el gradiente de energía que tiene que ser disipada por la estructura esmayor de (.10m la estructura se denomina rápida. #as rápidas pueden tener secciones rectangulares o trapezoidales de acuerdo con las condiciones delterreno a lo largo de su localización. #as caídas y rápidas son estructurasdisipadoras de energía que se construyen en lugares donde la topografía lo e:ige.

A.- C*8!*s

Usadas para regular la velocidad del agua, bajando bruscamente al nivel dela plantilla del canal. Me acuerdo con la magnitud de la estructura, la caída seconstruye de concreto reforzado, bloques de concreto, mampostería y

madera resistente a la putrefacción con altura mayor de (m.

A.7.- Ge(e"*7i!*!es.

*on obras proyectadas en canales o zanjas, para salvar desniveles bruscos en la rasante de fondo, Rómez Pavarro, $ace unadiferenciación de estas obras y conviene en llamar las caídas cuandolos desniveles son iguales o menores a ( m., estas a su vez pueden ser verticales o inclinadas.


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construidos en mampostería de piedra donde no se necesita i obrasde sostenimiento ni drenaje.

5. Cuando el desnivel es V- 0.50 m y el caudal V 500 #)seg.: m deanc$o de canal, no es necesario poza de disipación.

(. El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula conla formula para caudal unitario ]q]-

q ?/.(@ > 5)'

*iendo el caudal total+

F ? 9 B 9 L?9

?

G ? anc$o de caída

1. #a caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de aguaque vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado.

4.


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amplia variación de la profundidad de la lámina aguas a bajo, a tal punto que puede considerarse independiente del salto.

A.?.- C*8!*s I(&%i(*!*s.

A.?.7.- Ge(e"*%i!*!esEstas estructuras se proyectan en tramos cortos de canal con pendientesfuertes, siendo la velocidad del flujo en la] caída siempre mayor quela del propio canal, causando serios+ da&os por erosión si no se poneun revestimiento apropiado+ mediante el análisis $idráulico se verificanlos fenómenos del flujo, que a su vez serán el fundamento para ladeterminación de la clase de revestimiento y de su e:tensión.

Una caída inclinada se divide desde arriba $acia abajo en las siguientes

partes-

2ransición de entrada con sección de control

Caída propiamente dic$a

Colc$ón

2ransición de salida.

En algunos casos la caída propiamente dic$a y el colc$ón, pueden ser

de sección rectangular o trapezoidal, la selección depende de lascondiciones locales y en todo caso del criterio del dise&ador.

• Se&&i( !e Co(/"o%

#a sección de control tiene por finalidad, mantener el flujo aguas arribaen r"gimen tranquilo, de manera que es en la misma sección de controldonde ocurre el cambio de r"gimen y el agua alcanza la profundidad yvelocidad crítica.

#a sección de control consiste en una variación de la sección del canalen el punto donde, se inicia la caída o en una rampa en contra

pendiente, de manera que la energía en el canal aguas arriba sea igual ala energía en el punto donde se inicia la caída.

A.?.9.- C"i/e"ios !e Diseño e( C*8!*s I(&%i(*!*s: Se&&i("e&/*($%*"

/. #a rampa inclinada en sentido longitudinal de la caída en sí serecomienda en un valor de /.1-/ a '-/, su inclinación no debe ser menor a la del ángulo de reposo del material confinado.


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'. El anc$o de la caída G es igual a+

G ? F)q

Monde-

q ? .// >')5

F ?valor conocido ?F ? ' ^G 'g >5)'

5^ ? 0.1@ valor promedio aceptado en este caso!

Tinalmente el valor G, debe ser tal que, al pie de la caída el P%mero deTroude nos permita seleccionar la poza de disipación que más se ajuste

a nuestro criterio.

5. Es muy importante tener en cuenta la supresión, por lo que serecomienda seguir las indicaciones para calcular el n%mero delloradores.

(. Estructuralmente la caída estará dispuesta con las precauciones delcaso, para evitar su falla por deslizamiento.

B.- R#i!*s

Ge(e"*%i!*!es:#as rápidas son estructuras que sirven para conectar dos tramos de un canal,cuyo desnivel es bastante grande en una longitud relativamente corta.*ólo un estudio económico comparativo ayudará a decidir en la utilizaciónde una rápida o una serie de caídas escalonadas, conocidas tambi"n comogradas.

De'i(i&i(

*on canales abiertos, pavimentados o revestidos, en los que el agua corre congran velocidad.


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*ección de control, es la sección correspondiente al punto donde comienzala pendiente fuerte de la rápida.

Canal de la rápida, es la sección comprendida entre la sección de control yel principio de la trayectoria, puede tener de acuerdo a la configuración del

terreno una o varias pendientes, pudiendo ser de sección trapezoidal orectangular, es necesario poner atención en el aumento del volumen de lacorriente por acción del aire incorporado cuando las velocidades $alladase:ceden /0 m)seg.

2rayectoria, es una curva parabólica vertical, que une la pendiente %ltimade la rápida con el plano inclinado del principio del colc$ón amortiguador,de tal manera que debe dise&arse de modo que la corriente de agua

permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacíos.*i la trayectoria se calcula con el valor de la aceleración de la gravedadcomo componente vertical, no $abrá presión de agua sobre el fondo y el

espacio ocupado por el aire aumentará, limitándose así la capacidad delcanal.


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'. #a estructura trabajada aun teniendo gran variación en el gasto y este se puede determinar con bastante precisión pues cuando el medidor trabaja condescarga libre de error es menor de 59 y cuando trabaja a$ogado el error es de19.

5. Po se produce el problema de avenamiento en la estructura ni aguas arriba deella conservando siempre su misma presión.

(. *u conservación es casi nula y su fácil lectura permite un control a nivel deusuario y sectorista de riego, sin mayor e:periencia.

1. >idráulicamente funciona bien por su baja perdida de carga con relación aotros tipos de medidores.

4.7).- =$(&io(*,ie(/o Hi!"#$%i&o

El medidor a,la descarga libre puede acontecer de ' maneras-

0 Si( s*%/o i!"#$%i&o: este caso se presenta cuando el tirante aguasabajo del medidor es muy peque&o en relación al nivel de la cresta delmedidor y físicamente se manifiesta con una circulación libre del agua enel medidor, sin producir ninguna turbulencia o cambio brusco del 2irantede agua./' Co( s*%/o i!"#$%i&o: este caso se presenta, cuando el tiranteaguas abajo del medidor es suficientemente grande con respecto al nivelde la cresta y por lo tanto el agua trata de recuperar el nivel de aguasabajo, lo cual se $ace bruscamente, produci"ndose el salto $idráulico,siempre y cuando el salto $idráulico se produzca fuera de la garganta el

escurrimiento será libre.4.7).9. Des&*"* s$,e"i!*.

Cuando el caudal aguas debajo de la estructura obstaculizaba la descarga por la garganta, se tiene escurrimiento sumergido, y en este caso la carga>b difiere poco de la carga >a siendo el caudal función de dos cargas->a y >b + es decir , cuando la mira en ;b8 marca una altura de agua >b!se dice que el medidor funciona con cierto grado de sumergencia.


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CO;CLUSIO;ES

• #os sifones son muy %tiles en el caso de e:istir depresiones abruptas o zonascon suelos inestables, puesto que por diferentes razones un acueducto nosería muy recomendable, mientras que el sifón podrá atravesar el accidente

topográfico por debajo de "ste.

• Es casi un $ec$o que si el sifón trabaja a velocidades menores de ' m)s se provocarán sedimentaciones.

• #os acueductos a dise&ar deberán tener la función de servir como puentes para el tránsito e peatones, $ec$o que se deberá prever en su dise&o.

• #os saltos de agua se utilizarán para salvar desniveles bruscos de la razantede fondo que girarán en torno a los (m.

• El aforador

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