CAIDA VERTICAL

I. INTRODUCCION

Cuando el terreno natural por el cual debe pasar un canal tiene una

pendiente muy fuerte, para evitar velocidades excesivas deberán

proyectarse tramos de canal con pendiente suave ligados por

estructuras llamadas CAIDAS.

Las caídas son utilizadas ampliamente como estructuras de disipación

en irrigación, abastecimiento de agua y alcantarillado y son también es

necesario en presas, barrajes y vertederos.

Las caídas cuando los desniveles son iguales o menores a 4 m., estas a

su vez pueden ser verticales o inclinadas. Cabe recalcar que en este

caso para los desniveles mayores a 4 metros, la estructura toma el

nombre de RAPIDA.

Aparte de costo, que, evidentemente, será un factor importante a la

hora de diseñar, es necesario considerar los factores tales como:

• Facilidad de construcción y la disponibilidad de materiales

• Rendimiento en sistemas llevando sedimento, los desechos y malas

hierbas

• Capacidad de realizar otras funciones tales como puente

II. FUNDAMENTO TEORICO

A. DEFINICION

Son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario salvar desniveles 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.

La finalidad de una caída es conducir agua desde una elevación alta hasta una elevación baja y disipar la energía generada por esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una caída, se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un canal.

B. ELEMENTOS

Una caída vertical está compuesta por:

TRANSICIÓN A LA ENTRADA

Une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control.

SECCIÓN DE CONTROL

Es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones críticas.

CAÍDA EN SI

La cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada.

POZA O COLCHÓN AMORTIGUADOR

Es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída.

TRANSICIÓN DE SALIDA,

Une la poza de disipación con el canal aguas abajo.

C. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO PARA UNA CAIDA VERTICAL - SIN OBSTACULO

1. DISEÑO DEL CANAL, AGUAS ARRIBA Y AGUAS ABAJO DE LA CAÍDA.

Utilizar las consideraciones prácticas que existen para el diseño de canales.

2. CÁLCULO DEL ANCHO DE LA CAÍDA Y EL TIRANTE EN LA SECCIÓN DE CONTROL

En la sección de control se presentan las condiciones críticas. Para una sección rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes:

yc=23Emin

yc=3√ q2g =3√ Q2b2g

b=❑√ 27Q2

8 E3min g

Se puede asumir que Emin=En (energía específica en el canal), para inicio de los cálculos y realizar la verificación.

También se puede suponer un ancho en la sección de control de la caída, calcular el tirante crítico y por la ecuación de la energía calcular el tirante al inicio de la transición.

Existen fórmulas empíricas para el cálculo del ancho de la rápida, las cuales son:

De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse:

b=0.765Q25

Otra fórmula empírica:

b=18.78 √Q10.11+Q

Por lo general el ancho de solera con esta última fórmula, resulta de mayor magnitud que con la fórmula de Dadenkov.

3. DISEÑO DE LA TRANSICIÓN DE ENTRADA

Para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es:

L=T 1−T 22 tan 22.5 °

Donde:

TI = espejo de agua en el canal.

T2 = b = ancho de solera en la caída.

4. CÁLCULO DE LA TRANSICIÓN DE SALIDA

Se realiza de la misma forma que la transición de entrada.

5. DIMENSIONES DE LA CAÍDA

5.1 Caídas pequeñas

De acuerdo con los diseños realizados por el SENARA, en canales

con caudales menores o iguales que 100 l.p.s (Q≤0.1m3/ s), se

tiene:

FIG. No 1.0

DIMENSIONAMIENTO DE UNA CAÍDA PEQUEÑA

Donde:

h=0.60m

L=43h

5.2 Caídas verticales sin obstáculos

El proceso de cálculo para caídas verticales sin obstáculos es

como sigue:

Calcular el número de caída utilizando la siguiente

relación:

D=( ych3)= q2

g h3

Donde:

D=numerode caida

yc=tirante critico de la seccionde controlh=desnivel q=caudal unitario

Calcular los parámetros de la caída vertical, los cuales se muestran en la figura 2.0 Estos parámetros, según Rand (1955), se calculan con un error inferior al 5 %, con las siguientes ecuaciones:

Ld=4.30h D0.27

y1=0.54 h D0.425

y2=1.66h D0.27

y p=hD0.22

y p es la altura que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo

FIG. No 2.0

CAÍDA VERTICAL SIN OBSTÁCULOS

Calcular la longitud del resalto, se puede calcular con la fórmula de Sieñchin:

L=5 ( y2− y1)

Calcular la longitud total del colchón, la cual será:

Lt=(Ld+L )

Debe evitarse que en la cámara de aire se produzca vacío, porque esto produce una succión que puede destruir la estructura por cavitación, para evitar esto se puede hacer agujeros en las paredes laterales o incrementar en la poza 10 ó 20 cm a ambos lados.

Para las filtraciones que se produce en la pared vertical se recomienda hacer lloraderos (drenes de desagüe).

5.3 Caídas verticales con obstáculos

Cuando la energía cinética es muy grande se construyen dados que ayudan a disipar la energía en una longitud más pequeña de la poza de disipación.

Según el U. S. BUREAU OF RECLAMATION, las relaciones de los parámetros de una caída vertical con obstáculos (Fig. No. 3.0), son:

FIG. No 3.0

CARACTERÍSTICAS DE UNA CAÍDA VERTICAL CON OBSTÁCULOS.

Longitud mínima del colchón:

L≥ (Ld+2.55 yc )

L = longitud mínima del colchón.

Ld = longitud de la caída.

yc = tirante crítico en la sección de control.

Ubicación de los obstáculos:

Lob≥ (Ld+0.8 yc )

Profundidad mínima de la capa de agua:

y2=2.15 yc

Altura óptima de los obstáculos:

hob. obs=0.8 yc

Ancho de los obstáculos:

aob=0.4 y c

Espaciamiento entre los obstáculos:

eob=0.4 yc

Altura óptima del obstáculo final:

hob. obs. final=0.4 yc

La relación:

Ld /∆h

Está influenciada por el grado de sumersión, su valor se calcula con el nomograma de la figura 4.0

Figura 4.0

CARACTERÍSTICAS DE UNA CAÍDA VERTICAL CON OBSTÁCULOS.

D. CRITERIOS DE DISEÑO

1. Se construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1 m como máximo, solo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores.

2. Para caudales unitarios mayores a 300 l/seg. X m de ancho, siempre se debe construir caídas inclinadas, además manifiesta que la ejecución de estas obras debe limitarse a caídas y caudales pequeños, principalmente en canales secundarios construidos en mampostería de piedra donde no se necesita ni obras de sostenimiento ni drenaje.

3. Cuando el desnivel es ≤ 0.30m y el caudal ≤ 300 l/seg. X m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.

4. El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la fórmula para caudal unitario “q”:

q=1.48H 3 /2

Siendo el caudal total:

Q=23μB√2g H 3 /2

Donde:

µ = 0.50

B = ancho de caída

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

6. Por debajo de la lámina de vertiente en la caída se produce un depósito de agua de altura YP que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo.

7. La geometría del flujo de agua en un salto vertical, puede calcularse con un error inferior al 5% por medio de las siguientes funciones:

Ld∆ Z

=4.30 x D0.27

Y P

∆ Z=1.00 x D0.22

Y 1∆ Z

=0.54 x D1.425

Y 2∆ Z

=1.66 x D0.27

LJ=6.9(Y 2−Y 1)

Donde:

D= q2

g∆ Z3

Se le conoce como numero de salto:

cosθ= 1.06

√∆ ZYc + 32

III. EJERCICIOS APLICATIVOS