Manual de Caidas

5/20/2018 Manual de Caidas

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F A C T U L T A D E I N G E N I E R I A A G R I C O L A

MANUAL DE CAIDAS

VERTICALES E

INCLINADASCriterios Hidrulicos y Estructurales

Ing Carlos E. Arteta Valderrama

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO


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TABLA DE CONTENIDO1. INTRODUCCION ........................................................................................................................... 0

2. CONCEPTO Y FINALIDAD ............................................................................................................. 0

3. DISEO DE CAIDAS VERTICALES .................................................................................................. 1

3.1. Elementos de la cada.......................................................................................................... 1

3.1.1. Caractersticas de la cada vertical .............................................................................. 2

3.1.2. Criterios de diseo de una cada ................................................................................. 2

3.2. Cada Vertical Tipo SAF sin obstculos ................................................................................ 3

3.2.1. Consideraciones de diseo .......................................................................................... 3

3.2.2. Procedimiento de diseo ............................................................................................ 3

3.3. Cada Vertical Tipo SAF con obstculos ............................................................................... 4

3.3.1. Consideraciones aplicativas ........................................................................................ 5

3.3.2. Procedimiento de diseo ............................................................................................ 5

4. DISEO DE CAIDAS INCLINADAS ................................................................................................. 6

4.1. Consideraciones de diseo cada inclinada ......................................................................... 7

4.1.1. Tramo inclinado ........................................................................................................... 7

4.1.2. Poza de disipacin ....................................................................................................... 7

5. EJEMPLOS Y APLICACIONES ....................................................................................................... 10

Ejemplo 1. .................................................................................................................................. 10

Ejemplo 2. .................................................................................................................................. 13


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A la razn de mi vida, mi hijo Eduardo quin es fuente de mi inspiracin, gracias por tucomprensin an cuan pequeo valoras mi esfuerzo ya que muchas horas estoy ausente ydedico horas en mi labor profesional.

Al ser que me dio la vida, Elba.

Carlos Eduardo


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El agua es tan noble para quin se acerca a ella con humildad y

deseo sincero de conocer su comportamiento, como traicionera para el

incauto que, con poca experiencia y visin estrecha, quiere conocerla

Enzo Levi


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MANUALDECAIDAS

1.

INTRODUCCION

La literatura referente a las obras de disipacin es vasta y dispersa en un sin nmero dedocumentos, por lo que es necesario disponer de un documento que agrupe toda estainformacin, que es lo que pretende este documento para que el ingeniero disponga de unmanual como el que pretende desarrollar el presente trabajo sujeta a mejoras.

Las estructuras de disipacin de energa, desarrolladas en el presente manual consideran losprincipales parmetros y condiciones de diseo, especialmente desarrollados conestructuras que actualmente se disean y se utilizan con fines de riego, agua,hidroelctricos y otros desarrollados en nuestra regin, presentadas de una manera fcil yaplicabilidad del contenido.

El presente manual pretende orientar tcnicamente a las personas y futuros ingenieros

agrcolas, cuya objetivo profesional creemos es mejorar la eficiencia de los proyectos deriego en nuestra regin en especial.

Los aspectos tratados en este Manual de Diseo para Cadas, se basan en gran parte laprctica y experiencia adquirida profesionalmente en el Programa Regional de Riego yDrenaje, y otras instituciones que me brindaron la oportunidad de desempearmeprofesionalmente.

2. CONCEPTO Y FINALIDAD

Son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario efectuar cambios bruscosen 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 elempuje que estas ocasionan), permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramode abajo.

La finalidad de estructura hidrulica es conducir agua desde una elevacin alta hasta unaelevacin baja y disipar la energa generada por esta diferencia de niveles. La diferencia denivel en forma de una cada, se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente deun canal.

Las cadas funcionan bien cuando la relacin entre el tramo horizontal y el vertical es mayorde 5 a 1. Cuando las condiciones del terreno no permiten disear el escaln con estarelacin entonces se puede bajar la relacin hasta 3 a 1, pero debern incluirse pantallas

que reciban el chorro de agua y no permitan que se dispare, como se muestra en la figura.


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El objetivo de esta estructura es fundamentalmente la de desviar el flujo de un canal de

mayor capacidad a un canal ms pequeo, que es alimentado en su seccin inicial, por obrasde toma que estn provistas de compuertas y sus mecanismos de izaje que se alojarn enlos puentes de maniobra.

Esta estructura por lo general consta de las siguientes partes: de una entrada, de unconducto para conducir el agua y cuando sea necesario de una transicin de salida.

3. DISEO DE CAIDAS VERTICALES

3.1.

Elementos de la cada

En el diseo de una cada, se pueden distinguir los siguientes elementos:

1.0Transicin de entrada: une por medio de un estrechamiento progresivo la seccin delcanal superior con la seccin de control.

2.0

Cada en s: la cual es de seccin rectangular y puede ser vertical o inclinada.3.0

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 rgimentranquilo, de manera que es en la misma seccin de control donde ocurre el cambio dergimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad crtica.

La seccin de control consiste en una variacin de la seccin del canal en el punto donde seinicia la cada o una rampa en contra pendiente, de manera que la energa en el canal aguasarriba sea igual a la energa en el punto donde se inicia la cada.


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4.0

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

5.0Transicin de salida: une la poza de disipacin con el canal aguas abajo.

3.1.1. Caractersticas de la cada vertical

El problema radica en controlar o evitar la cavitacin o resonancias sobre toda laestructura, producido por extraccin de are de la cmara al caer la lmina vertientede agua.

Se propone la siguiente solucin para facilitar la aireacin Agujeros de ventilacin, cuya capacidad de suministro de aire en m3/sm, de ancho

de la cada

Donde:

qa : Suministro de aire por metro de ancho de cresta

Y : Tirante normal aguas arriba de la cada

qw : Mxima descarga unitaria sobre la cada

3.1.2. Criterios de diseo de una cada

Numero de cadas.

Longitud e 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.


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Verificar que la velocidad del flujo de la cada este en el rango de 0.6m/s < v 4,5 y Ve4,5 y Ve>15.00 m/s.

IV. Verificacin de los niveles de energa

Se tiene que asegurar que el resalto hidrulico sea contenido en la poza de disipacin, para

esto se tiene que verificar los niveles de energa H2 del resalto hidrulico correspondiente altirante y2, el mismo que ser menor o igual al nivel de energa H 3, es decir en el canal aguasabajo de la cada inclinada, de no conseguir se profundizar la poza de disipacin hastaconseguir la condicin.

,

,

V.

Borde libre de la poza de disipacin

( ),

5.

EJEMPLOS Y APLICACIONES

Ejemplo 1.

Se tiene un canal de seccin trapezoidal con las siguientes caractersticas hidrulicas y geomtricasaguas arriba:

Q : 3.00 m/sBc : 2.00 m


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S : 0.0002N : 0.025

Z : 2EA : 46.50 msnmEc : 45.50 msnm

Solucin:

i.

Caractersticas hidrulicas del canal

ii.

Ancho de la cada

2.1 haciendo uso de la ecuacin 1, donde se obtiene B = 2.48, el valor asumido es de B: 2.50 m.

2.2 Para calcular la altura de la cada Hc (z ), debe conocerse la elevacin de B, que es el pisode la poza de disipacin, tomando en primera instancia la elevacin de EC que es el canalaguas abajo del canal, el mismo que se verificar mediante un balance de energas

2.3 El caudal unitario es q = 3.00 / 2.50 = 1.20 m3/s - m

2.4 Tirante crtico Yc = 0.53 m

2.5 Nmero de la cada D:

iii.

Caractersticas de la poza de disipacin:

Canal antes de la cada Canal despus de la cada Secc in 3)

Q : 3 m3/ s Q : 3 m

3/ s

B : 2 m B : 2 m

S : 0.0002 S : 0.0002

n : 0.025 n : 0.025

z : 2 z : 2

yne 1.3363 m yns 1.34 m

A 6.244 m A 6.244 m

P 7.976 m P 7.976 m

f(yn) 0.00000 f(yn) 0.00010

T 7.3450 m T 7.3450 m

V 0 0.48 m/s V 0 0.4805 m/s

F 0.17 F 0.1664

hcanal 1.600 m hcanal 1.350 m

hvi = 0.0117 hvn= 0.0118 m/s

EA= 1.3480 m E3= 1.3480 m

BL 0.26 m Altura de caida Hc 1.00 m BL m

Elev C 45.50 msnm

Tirante ingreso Tirante salida


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iv. Verificacin de los niveles de energa:

Para asegurar que el resalto hidrulico est contenido dentro de la poza de disipacin, se verificarsi el nivel de energa H2del resalto hidrulico (flujo sub crtico), es menor o igual al nivel de energaH3, o sea en el canal aguas abajo de la cada.

H2 H3

EB+ y2+ hvn2 = EC+ y3+ hvn3

Reemplazando se tiene que 46.56 46.86

v.

Longitud de la seccin antes de la cada Li = 3.5*yc = 1.85 mvi.

Comprobacin si el chorro cae en la poza de disipacin:

Considerando altura de disipacin

P = 0.40

Hc = 0.40+1.00 = 1.40 m

L = 2*1.22 = 2.44

P = 2.44 / 6 =0.41, que es el valor aproximado al tomado

Se tiene un canal de seccin transversal cuyas caractersticas hidrulicas son:

Canal de ingreso

Q : 2.00 m3/s Q : 2.00 m3/sBc : 1.00 m B : 1.00 mS : 0.001 S : 0.0007N : 0.015 n : 0.015Z : 1 Z : 1EA : 96.50 msnm Ec : 95.50 msnm

i) Longitud al pie de caida hasta el punto de impacto Ld= 2.55 m

ii) Altura del deposito de agua yP= 0.65 m

iii) Resalto tirante conjugado menor y1= 0.24 m

V1= 5.02 m/s

F1= 3.28

tirante conjugado mayor y2= 0.99 m

V2= 1.21 m/s

F2= 0.3894225

iv) longitud cubierta por el resalto hidrulico LJ= 5.18 m

v) Altura del umbral terminal n = 0.16 m

vi) Longitud total de la poza LTOTAL= 7.73 m


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Yn : 0.85 yn : 0.935 m

Ejemplo 2.

Diseo de cada vertical sin obstculos

Solucin:

q= 1.48^3/2

q=1.33 m3/s-m

B = 1.50

Yc = 0.56 m

D = 0.18

Ld = 2.7 m

Yp = 0.69

Y1 = 0.26 mY2 = 1.05 m

Lj = 5.5 m

Lt = 8.2

Resalte o grada 0.935/6 = 0.16 es decir 0.20

Longitud antes de la cada

3.5*yc = 1.96 = 2.00 m

Ejemplo 3.

Se desea trazar un canal de conduccin cuya capacidad mxima es de 1.62 m3/s, de seccintrapezoidal con caractersticas geomtricas e hidrulicas siguientes:

Z : 1

B : 1.0 m

H : 0.75 m

S : 0.007

Yn : 0.60 m

Bl : 0.15 m

El canal necesita salvar un desnivel de 1.40 m

Cota EA: 101.40 msnm

Cota EB: 100.00 msnm

Solucin:

1)

Clculo de las caractersticas hidrulicas y geomtricas del canal,


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Tirante crtico

El tirante crtico se producir a una distancia aproximada a 3 - 4 veces el Yc aguas arriba de la

cresta, pero conservadoramente y para fines prcticos podemos utilizar el Yc del canal, sin quehaya diferencia significativa entre los valores, para el clculo de L1.

Entonces Yc = 0.53 m, en el canal

2) Ancho de la cada B

, donde:

H es el tirante de ingreso,= 0.55 y despejando B y reemplazando valores se tiene:

DISEO HIDRAULICO DE CANAL ES

Datos : Calculos

Q = 1.620 m/s Ynormal = 0.601 m

B = 1.00 m Area = 0.963 m

Z = 1.0000 Perimetro = 2.701 m

n = 0.0250 f(yn) = -0.00010

S 0.0070

Resultados:

Tirante 0.601 m

rea hidrulica 0.963

Permetro mojado 2.701 m

Radio Hidrulico 0.357 m

Espejo de Agua 2.203 m

Velocidad 1.683

El Nmero de Froude 0.813 ,siendo el flujo : subcrtico

Energa especfica 0.746 m-Kg/Kg

Borde libre 0.149 m

Altura de canal 0.750 m

Altura de canal asumido 0.750 m

Tirante

DISEO HIDR ULICO DE C N LES T IR NTE CRITICO TR PEZ OID L

Datos : Calculos

Q = 1.620 m/s YCRITICO 0.535 m

B = 1.00 m Area 0.821 m

Z = 1.0000 Espejo 2.070 m

n = 0.0250 f(yn) -0.00009

S 0.0070

Resultados:

Tirante 0.535 m

rea hidrulica 0.821

Permetro mojado 2.070 m

Radio Hidrulico 0.397 m

Espejo de Agua 2.070 m

Velocidad 1.973

El Nmero de Froude 1.000 ,siendo el flujo : subcrtico

Energa especfica 0.733 m-Kg/Kg

hv1 = 0.198 m

Tirante critico


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,Aumentando un 10%, se tiene 2.36, por motivos constructivos se tomar B = 2.40 m

3) El tirante crtico es: 0.54 m4) Tirante mnimo para controlar el salto hidrulico Y3

Y3= 2.15*YC= 2.15 * 0.54 = 1.16 m

5)

Clculo de la cota de fondo ED

Cota EC= Cota EB+ Y4= 100.00 + 0.60 = 100.60 msnm

Cota ED= Cota ECY3= 100.601.16 = 99.440 msnm

Desnivel al piso del canal P = Cota EBCota ED= 100.0099.440 = 0.56 m

6) Clculo de la Altura de la cada

z = Cota EAED= 101.4099.44 = 1.96 m,

Nmero de la cada D

Si q = 0.675 m3/s - m

Y = (101.40+0.60)-(100.00+0.60) = 1.40 m, entonces Y/Y = 2.33

7)

Longitud entre la cada del chorro y el obstculo L2

L2= 0.8*Yc = 0.8*0.54 = 0.43 m

8)

Longitud entre el obstculo y el empalme del canal L3

L3= 1.75*Yc = 1.75 *0.54 = 0.95m

9) Longitud total de la poza de disipacin LT

LT= Ld + L2 + L3 = 2.13 + 0.43 + 0.95 = 3.51 m

10)

Tirante de salida Y4

Y4= 0.60 m


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