UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO MANUAL DE CAIDAS VERTICALES E INCLINADAS Criterios Hidráulicos y Estructurale Estructuraless Ing Carlos E. Arteta Ar teta Valderrama FACTULTA DE INGENIERIA AGRICOLA TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCION INTRODUCCI ON ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... .................. 0 2. CONCEPTO Y FINALIDAD ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ..................... .... 0 3. DISEÑO DE CAIDAS VERTICALES VERTICALE S ................................. ................ .................................. ................................... .................................... .............................. ............ 1 3.1. 3.1.1. 3.1.1 . Características Caracterí sticas de la caída vertical ................................. ................ ................................... ................................... ........................... .......... 2 3.1.2. 3.1.2 . Criterios de diseño de una caída ................................. ................ ................................... ................................... .............................. ............. 2 3.2. Consideraciones Considera ciones de diseño .................................. ................ ................................... ................................... .................................... ..................... ... 3 3.2.2. 3.2.2 . Procedimiento Procedimi ento de diseño ................................. ............... ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 3 Caída Vertical Tipo SAF con obstáculos obstáculo s.................................. ................. ................................... ................................... ........................... .......... 4 3.3.1. 3.3.1 . Consideraciones Considera ciones aplicativas aplicativ as ................................... ................. ................................... .................................. ................................... .................... 5 3.3.2. 3.3.2 . Procedimiento Procedimi ento de diseño ................................. ............... ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 5 DISEÑO DE CAIDAS INCLINADAS ................................... ................. ................................... ................................... .................................... ........................... ......... 6 4.1. 5. Caída Vertical Tipo SAF sin obstáculos obstác ulos ................................... .................. ................................... ................................... ........................... .......... 3 3.2.1. 3.2.1 . 3.3. 4. Elementos Elemento s de la caída........................... caída......... ................................... ................................... ................................... .................................. ........................... .......... 1 Consideraciones Considera ciones de diseño caída inclinada .................................. ................. ................................... ................................... ..................... .... 7 4.1.1. 4.1.1 . Tramo inclinado ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ..................... .... 7 4.1.2. 4.1.2 . Poza de disipación ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................. ............... 7 EJEMPLOS EJEMPLO S Y APLICACIONES APLICACI ONES.................................. ................. ................................... ................................... ................................... .................................. ................ 10 Ejemplo 1. .................................................................................................................................. 10 Ejemplo 2. .................................................................................................................................. 13 A la razón de mi vida, mi hijo Eduardo quién es fuente de mi inspiración, gracias por tu comprensión aún cuan pequeño valoras mi esfuerzo ya que muchas horas estoy ausente y dedico horas en mi labor profesional. Al ser que me dio la vida, Elba. Carlos Eduardo El agua es tan noble para quién se acerca a ella con humildad y deseo sincero de conocer su comportamiento, como traicionera para el incauto que, con poca experiencia y visión estrecha, quiere conocerla Enzo Levi MANUAL DE CAIDAS 1. INTRODUCCION La literatura referente a las obras de disipación es vasta y dispersa en un sin número de documentos, por lo que es necesario disponer de un documento que agrupe toda esta información, que es lo que pretende este documento para que el ingeniero disponga de un manual como el que pretende desarrollar el presente trabajo sujeta a mejoras. Las estructuras de disipación de energía, desarrolladas en el presente manual consideran los principales parámetros y condiciones de diseño, especialmente desarrollados con estructuras que actualmente se diseñan y se utilizan con fines de riego, agua, hidroeléctricos y otros desarrollados en nuestra región, presentadas de una manera fácil y aplicabilidad del contenido. El presente manual pretende orientar técnicamente a las personas y futuros ingenieros agrícolas, cuya objetivo profesional creemos es mejorar la eficiencia de los proyectos de riego en nuestra región en especial. Los aspectos tratados en este Manual de Diseño para Caídas, se basan en gran parte la práctica y experiencia adquirida profesionalmente en el Programa Regional de Riego y Drenaje, y otras instituciones que me brindaron la oportunidad de desempeñarme profesionalmente. 2. CONCEPTO Y FINALIDAD Son 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. La finalidad de estructura hidráulica 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. Las caídas funcionan bien cuando la relación entre el tramo horizontal y el vertical es mayor de 5 a 1. Cuando las condiciones del terreno no permiten diseñar el escalón con esta relación entonces se puede bajar la relación hasta 3 a 1, pero deberán incluirse pantallas que reciban el chorro de agua y no permitan que se dispare, como se muestra en la figura. El objetivo de esta estructura es fundamentalmente la de desviar el flujo de un canal de mayor capacidad a un canal más pequeño, que es alimentado en su sección inicial, por obras de toma que están provistas de compuertas y sus mecanismos de izaje que se alojarán en los puentes de maniobra. Esta estructura por lo general consta de las siguientes partes: de una entrada, de un conducto para conducir el agua y cuando sea necesario de una transición de salida. 3. DISEÑO DE CAIDAS VERTICALES 3.1. Elementos de la caída En el diseño de una caída, se pueden distinguir los siguientes elementos: 1.0 Transición de entrada: une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. 2.0 Caída en sí: la cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada. 3.0 Sección de control: es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones críticas. La sección de control tiene por finalidad, mantener el flujo aguas arriba en régimen tranquilo, de manera que es en la misma sección de control donde ocurre el cambio de régimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad crítica. La sección de control consiste en una variación de la sección del canal en el punto donde se inicia la caída o una rampa en contra pendiente, de manera que la energía en el canal aguas arriba sea igual a la energía en el punto donde se inicia la caída. 4.0 Poza o colchón amortiguador: es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída. 5.0 Transición de salida: une la poza de disipación con el canal aguas abajo. 3.1.1. Características de la caída vertical El problema radica en controlar o evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura, producido por extracción de aíre de la cámara al caer la lámina vertiente de agua. Se propone la siguiente solución para facilitar la aireación Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/s – m, de ancho de la caída Donde: 3.1.2. qa Y qw : : : Suministro de aire por metro de ancho de cresta Tirante normal aguas arriba de la caída Máxima descarga unitaria sobre la caída Criterios de diseño de una caída Numero de caídas. Longitud e transición de entrada. Ancho del canal en el tramo de la caída. Diseñar la poza disipadora en función de la altura de caída. Borde libre de la caída. Rugosidad en el funcionamiento de la caída. Ventilación bajo la lámina vertiente. Verificar que la velocidad del flujo de la caída este en el rango de 0.6m/s < v < (1.5 – 2) m/s. Tener cuidado el mal funcionamiento hidráulico del chorro de la caída por que puede producir una gran erosión en el muro vertical. 3.2. Caída Vertical Tipo SAF sin obstáculos El tipo de caída vertical a exponer es el desarrollado en el Laboratorio de Hidráulica de Saint Anthony Fall (SAF), Servicio de Investigación Agrícola de la Universidad de Minesota; sustentado en la bibliografía correspondiente, se ha limitado su uso a alturas hasta 1.00 m. como máximo. 3.2.1. Consideraciones de diseño 3.2.2. Procedimiento de diseño 1. Cálculo del ancho de la caída ⁄ Ecuación N° 1 Ecuación N° 2 Donde H es la altura de la energía total en el canal aguas arriba de la caída 2. Diseño de la transición a la entrada 3. Ecuación N° 3 Dimensiones de la caída, Cálculo de los Elementos Hidráulicos y Geométricos de la Poza Disipadora Número de Caída D Ecuación N° 4 Si z : i. Altura de la caída o desnivel Longitud al pie de caída hasta el punto de impacto (Ld) ii. Ecuación N° 5 Altura del depósito de agua (Y P) iii. Ecuación N° 6 Profundidad inicial del resalto hidráulico iv. Ecuación N° 7 Profundidad final del resalto hidráulico v. Ecuación N° 8 Longitud cubierta por el resalto hidráulico ( ) vi. Ecuación N° 9 Altura del umbral n 4. Ecuación N° 10 Verificación de los niveles de energía Ecuación N° 11 Ecuación N° 12 H2 ≤H3 5. Borde libre de la poza de disipación ( ) 6. Ecuación N° 13 Ventilación bajo la lámina vertiente Consiste en determinar el máximo Ø de los agujeros de ventilación, mediante la siguiente relación: Donde: 3.3. qa : Caudal unitario de la caída qw : Suministro de aire por metro de ancho de cresta y : Tirante normal aguas arriba de la caída m del canal yp : Altura de la depósito de agua Caída Vertical Tipo SAF con obstáculos Este tipo de caída vertical también ha sido desarrollado en el Laboratorio de Hidráulica de Saint Anthony Fall (SAF), Servicio de Investigación Agrícola de la Universidad de Minesota; este tipo de caída se mejor a las fluctuaciones considerables del nivel del agua en el canal de salida 3.3.1. Consideraciones aplicativas 1. Aplicables a alturas comprendidas entre 1.0 (ho/Yc) a 15 (ho/Yc), y a anchuras de cresta W superiores a 1.5 Yc, Donde ho es la distancia vertical entre la cresta y el piso de la poza de disipación 2. La condición del flujo de agua tanto en el ingreso como en la salida debe ser subcrítica; lográndose unir intervalos o uniones de tramos de canal con pendiente suave con una de gran pendiente, de manera que no se desarrollen flujos supercríticos. 3. El uso de la transición entre el canal de ingreso y el ancho de la caída en la cresta si este es diferente al primero. 4. La estructura es efectiva para caídas que no excedan los 5 m, y si es que existe suficiente tirante en el canal de salida 5. La sumergencia máxima permisible (s), es decir, la altura del agua del canal de salida por encima de la cresta de la caída, no debe exceder a 0.7*Yc. 6. Para flujos cercanos al estado crítico, es conveniente prever un sardinel transversal que sobre salga del fondo del canal, con la finalidad de producir una contracción de fondo de chorro vertiente, de modo que se mejoren las condiciones de aireación en la parte inferior del mismo El calculo del vertedero, es partiendo del cálculo del Ancho del mismo. 3.3.2. 1º Procedimiento de diseño Calcular el ancho de la cresta haciendo uso de la ecuación de Weisbach ⁄ Ecuación N° 14 Q : Caudal (m3/s) : 0.55 H : Carga de agua por encima de la cresta del vertedero y aguas arriba de la misma (m) W : Ancho de la cresta vertedora (m) Obtenido el valor de W, aumentar el 10%, si existieran contracciones lateral0es 2º 3º Calcular el Yc Calcular el tirante mínimo sobre el piso de la poza de disipación controlará el salto hidráulico 4º 5º Ecuación N° 15 Calcular el tirante de agua y4, del canal de salida Determinar la cota de piso de la poza, si la cota A y B son datos conocidos en base a la información topográfica Ecuación N° 16 Ecuación N° 17 Siendo el desnivel del piso de la poza con relación al piso del canal de salida será: 6º Ecuación N° 18 Determinar la altura total de la caída (ho) Ecuación N° 19 Calcular el valor de (ho /Yc) 7º Calcular h2, según: Ecuación N° 20 Y luego el valor de h2/yc 8º Calculo de L1, a partir del Gráfico N° 1, nótese que los valores relativos de h2/yc representan la condición de que el nivel del agua en la poza esta por debajo de la cresta y por lo tanto no hay sumergencia; los valores positivos representan la condición de que el nivel de agua en la poza sobrepasa la cresta es decir hay sumergencia, el mismo que no debe ser superior a 0.7*yc 9º Calculo de L2 10º Calculo de L3 11º 14º 4. Ecuación N° 24 Ecuación N° 25 Ecuación N° 26 Considerar el uso de él o los sardineles transversales longitudinales, los cuales deben pasar a través de los bloques y no entre estos, debiendo ser construidos con fines estructurales en caso de anchos considerables y no produciendo beneficio ni perjuicio desde el punto de vista hidráulico Calcular la altura del borde libre (b) por encima del nivel de agua del canal de salida 15º Ecuación N° 23 Cálculo de los bloques y sardinel transversal 13º Ecuación N° 22 Largo total de la poza Lt 12º Ecuación N° 21 Ecuación N° 27 Proveer muro de ala a 45° con respecto a la longitudinal DISEÑO DE CAIDAS INCLINADAS Se consideran las siguientes limitaciones: La pendiente del tramo inclinado será mayor a 1 :3, preferentemente Z = 1.5, La longitud del tramo inclinado como máximo 13.5 m La altura máxima de 4.5 m Los elementos principales son La transición aguas arriba, La entrada El tramo inclinado La poza de disipación La salida La transición aguas abajo la salida 4.1. Consideraciones de diseño caída inclinada 4.1.1. Tramo inclinado Preferentemente se propone de sección rectangular, de ancho igual al de sección de entrada, y poza de disipación, la altura de las paredes laterales se puede calcular en base al tirante crítico en la entrada con un borde libre de 0.30 para caudales menores de 3.00 m3/s. La pendiente máxima del tramo puede ser de 1:1.5 y mínima de 1:3, pero por lo general se de 1:2. 4.1.2. Poza de disipación Se controlará mediante el análisis de resalto hidráulico, el mismo que será contenido dentro de la poza, a continuación se resume el procedimiento de cálculo para la determinación de las características hidráulicas de este fenómeno hidráulico. Se analizaran dos procedimientos, para la determinación de los tirantes conjugados; el primero1 basado en la relación entre las pérdidas de energía, el tirante crítico y los tirantes conjugados, antes y después del resalto, el mismo que solamente es aplicable a una altura de 4.5 m.; el segundo mediante un balance de energía. 1 Ver publicación Desing of Small Canal Structures HA Hvn H yne CA HC Hv2 Hv3 Hv 1 y3 y2 y1 Transición de entrada I. Caída inclinada CB Longitud de poza de disipación CC P Rampa Transición de salida Determinación de los tirantes conjugados a partir de: Donde: H : Diferencia entre los niveles de energía antes y después de la caída (m) HA : Nivel de energía en el canal de ingreso a la caída (m) HC : Nivel de energía aguas arriba de la poza de disipación, (m) Si: , , , Obtenidos H y YC, se puede hacer uso de la Tabla 1, y obtener los valores de los tirantes conjugados. Tabla I : Relación de Pérdida de Energía, Tirante Crítico y Tirantes antes y después del Salto, para Resaltos Hidráulicos en Canales Rectangulares respecto a un Plano de Referencia H/dc 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc 0 1.00 1.000 2.07 0.680 2.48 0.614 2.81 0.572 3.09 0.541 3.35 0.516 3.60 0.494 3.82 0.477 4.04 0.461 4.24 0.448 1 4.44 0.436 4.64 0.425 4.82 0.415 5.00 0.405 5.18 0.397 5.36 0.389 5.53 0.381 5.69 0.375 5.86 0.368 6.02 0.362 2 6.18 0.356 6.33 0.351 6.49 0.345 6.64 0.340 6.79 0.336 6.94 0.331 7.09 0.327 7.23 0.323 7.38 0.319 7.52 0.315 3 7.66 0.311 7.80 0.308 7.94 0.304 8.07 0.301 8.21 0.298 8.34 0.295 8.48 0.292 8.61 0.289 8.74 0.286 8.87 0.284 4 9.00 0.281 9.13 0.278 9.26 0.276 9.39 0.274 9.51 0.271 9.64 0.269 9.76 0.267 9.89 0.265 10.01 0.263 10.13 0.261 5 10.25 0.259 10.38 0.257 10.50 0.255 10.62 0.253 10.73 0.251 10.85 0.250 10.97 0.248 11.09 0.246 11.21 0.244 11.32 0.243 6 11.44 0.241 11.55 0.240 11.67 0.238 11.78 0.237 11.90 0.235 12.01 0.234 12.12 0.233 12.24 0.231 12.35 0.230 12.46 0.228 7 12.57 0.227 12.68 0.226 12.79 0.225 12.90 0.223 13.01 0.222 13.12 0.221 13.23 0.220 13.31 0.219 13.45 0.218 13.56 0.216 8 13.66 0.215 13.77 0.214 13.88 0.213 13.98 0.212 14.09 0.211 14.19 0.210 14.30 0.209 14.41 0.208 14.51 0.207 14.61 0.206 9 14.72 0.205 14.82 0.204 14.93 0.203 15.03 0.202 15.13 0.202 15.23 0.201 15.34 0.200 15.44 0.199 15.54 0.198 15.64 0.197 10 15.74 0.197 15.84 0.196 15.95 0.195 16.05 0.194 16.15 0.193 16.25 0.193 16.35 0.192 16.45 0.191 16.54 0.191 16.64 0.190 11 16.74 0.189 16.84 0.188 16.94 0.187 17.04 0.187 17.13 0.186 17.23 0.185 17.33 0.185 17.43 0.184 17.52 0.183 17.62 0.183 12 17.72 0.182 17.81 0.181 17.91 0.181 18.01 0.180 18.10 0.180 18.20 0.179 18.29 0.178 18.39 0.178 18.48 0.177 18.58 0.176 13 18.67 0.176 18.77 0.175 18.80 0.175 18.95 0.174 19.05 0.174 19.14 0.173 19.24 0.173 19.33 0.172 19.42 0.171 19.52 0.171 14 19.61 0.170 19.70 0.170 19.79 0.169 19.89 0.169 19.98 0.168 20.07 0.168 20.16 0.167 20.25 0.167 20.34 0.166 20.44 0.166 15 20.53 0.165 20.62 0.165 20.71 0.164 20.80 0.164 20.89 0.164 20.98 0.163 21.07 0.163 21.16 0.162 21.25 0.162 21.34 0.161 16 21.43 0.161 21.52 0.160 21.61 0.160 21.70 0.160 21.79 0.159 21.88 0.159 21.97 0.158 22.05 0.158 22.14 0.157 22.23 0.157 17 22.32 0.157 22.41 0.156 22.50 0.156 22.58 0.155 22.67 0.155 22.76 0.155 22.85 0.154 22.93 0.154 23.02 0.154 23.11 0.153 18 23.19 0.153 23.28 0.152 23.37 0.152 23.45 0.152 23.54 0.151 23.63 0.151 23.71 0.151 23.80 0.150 23.89 0.150 23.97 0.150 19 24.06 0.149 24.14 0.149 24.23 0.148 24.31 0.148 24.40 0.148 24.49 0.147 24.57 0.147 24.66 0.147 24.74 0.146 24.83 0.146 20 24.91 0.146 24.99 0.145 25.08 0.145 25.16 0.145 25.25 0.145 25.33 0.144 25.42 0.144 25.50 0.144 25.58 0.143 25.67 0.143 21 25.75 0.143 25.83 0.142 25.92 0.142 26.00 0.142 26.08 0.141 26.17 0.141 26.25 0.141 26.33 0.141 26.42 0.140 26.50 0.140 22 26.58 0.140 26.66 0.139 26.75 0.139 26.83 0.139 26.91 0.139 26.99 0.138 27.08 0.138 27.16 0.138 27.24 0.138 27.32 0.137 23 27.40 0.137 27.48 0.137 27.57 0.136 27.65 0.136 27.73 0.136 27.81 0.136 27.89 0.135 27.97 0.135 28.05 0.135 28.13 0.135 24 28.22 0.134 28.30 0.134 28.38 0.134 28.46 0.134 28.54 0.133 28.62 0.133 28.70 0.133 28.78 0.133 28.86 0.132 28.94 0.132 25 29.02 0.132 29.10 0.132 29.18 0.131 29.26 0.131 29.34 0.131 29.42 0.131 29.50 0.131 29.58 0.130 29.66 0.130 29.74 0.130 26 29.82 0.130 29.89 0.129 29.97 0.129 30.05 0.129 30.13 0.129 30.21 0.128 30.29 0.128 30.37 0.128 30.45 0.128 30.52 0.128 27 30.60 0.127 30.68 0.127 30.76 0.127 30.84 0.127 30.92 0.127 31.00 0.126 31.07 0.126 31.15 0.126 32.23 0.126 31.31 0.126 28 31.38 0.125 31.46 0.125 31.54 0.125 31.62 0.125 31.69 0.125 31.77 0.124 31.85 0.124 31.93 0.124 32.00 0.124 32.08 0.124 29 32.16 0.123 32.23 0.123 32.31 0.123 32.39 0.123 32.46 0.123 32.54 0.122 32.62 0.122 32.69 0.122 32.77 0.122 32.85 0.122 30 32.92 0.121 33.00 0.121 33.08 0.121 33.15 0.121 33.23 0.121 33.31 0.121 33.38 0.120 33.46 0.120 33.53 0.120 33.61 0.120 31 33.68 0.120 33.76 0.119 33.84 0.119 33.91 0.119 33.99 0.119 34.06 0.119 34.14 0.119 34.21 0.118 34.29 0.118 34.36 0.118 32 34.44 0.118 34.51 0.118 34.59 0.118 34.66 0.117 34.74 0.117 34.81 0.117 34.89 0.117 34.96 0.117 35.04 0.117 35.11 0.116 33 35.19 0.116 35.26 0.116 35.34 0.116 36.41 0.116 35.49 0.116 35.56 0.115 35.63 0.115 35.71 0.115 35.78 0.115 35.86 0.115 34 35.93 0.115 36.00 0.115 36.08 0.114 36.15 0.114 36.23 0.114 36.30 0.114 36.37 0.114 36.45 0.114 36.52 0.113 36.59 0.113 35 36.67 0.113 36.74 0.113 36.81 0.113 36.89 0.113 36.96 0.112 37.03 0.112 37.11 0.112 37.18 0.112 37.25 0.112 37.33 0.112 36 37.40 0.112 37.47 0.112 37.55 0.111 37.62 0.111 37.69 0.111 37.76 0.111 37.84 0.111 37.91 0.111 37.98 0.111 38.05 0.110 37 38.13 0.110 38.20 0.110 38.27 0.110 38.34 0.110 38.42 0.110 38.49 0.110 38.56 0.109 38.63 0.109 38.70 0.109 38.78 0.109 H/dc 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 38 38.85 0.109 38.92 0.109 38.99 0.109 39.06 0.109 39.14 0.108 39.21 0.108 39 39.56 0.108 39.64 0.107 39.71 0.107 39.78 0.107 39.85 0.107 39.92 40 40.28 0.106 40.35 0.106 40.42 0.106 40.49 0.106 40.56 0.106 40.63 II. d1/dc d2/d1 0.7 0.8 d1/dc d2/d1 0.9 d1/dc d2/d1 d1/dc d2/d1 39.28 0.108 39.35 0.108 39.42 0.108 39.49 0.108 0.107 39.99 0.107 10.06 0.107 40.14 0.107 40.21 0.106 0.106 40.70 0.106 40.77 0.105 40.84 0.105 40.91 0.105 Número de Froude Se calcula mediante las siguientes ecuaciones √ Es necesario mencionar que la disipación de la energía hidráulica en la poza es mejor si F está comprendido entre 4.5 a 15, el número de Froude se puede aumentar si también se incrementa el ancho de la poza y con esto el del tramo inclinado. III. Selección del tipo de la poza de disipación POZA TIPO I : La poza posee bloques al pie del canal de descarga (ingreso), aplicable para F entre 2,5 y 4,5. POZA TIPO II : La poza posee además de los bloques de descarga, bloques amortiguadores en la poza, F>4,5 y Ve<15.00 m/s. POZA TIPO III : La poza posee además de los bloques del TIPO I, el umbral de salida dentado, F>4,5 y Ve>15.00 m/s. IV. Verificación de los niveles de energía Se tiene que asegurar que el resalto hidráulico sea contenido en la poza de disipación, para esto se tiene que verificar los niveles de energía H 2 del resalto hidráulico correspondiente al tirante y2, el mismo que será menor o igual al nivel de energía H 3, es decir en el canal aguas abajo de la caída inclinada, de no conseguir se profundizará la poza de disipación hasta conseguir la condición. , , V. Borde libre de la poza de disipación ( ) , 5. EJEMPLOS Y APLICACIONES Ejemplo 1. Se tiene un canal de sección trapezoidal con las siguientes características hidráulicas y geométricas aguas arriba: Q Bc : : 3.00 m/s 2.00 m d1/dc S N Z EA Ec : : : : : 0.0002 0.025 2 46.50 msnm 45.50 msnm Solución: i. Características hidráulicas del canal 3 Q : 3 m /s B : 2 m S : 0.0002 n: z : yne Tirante ingreso Tirante salida 3 Q : 3 m /s B : 2 m S : 0.0002 0.025 n: 0.025 2 z : 2 yns 1.34 m 1.3363 m A 6.244 m² A 6.244 m² P 7.976 m P 7.976 m f(yn) T 0.00000 f(yn) 7.3450 m 0.00010 T 7.3450 m V0 0.48 m/s V0 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 ii. 0.26 m Altura de caida Hc 1.00 m BL Ancho de la caída 2.1 haciendo uso de la ecuación 1, donde se obtiene B = 2.48, el valor asumido es de B: 2.50 m. 2.2 Para calcular la altura de la caída Hc (z ), debe conocerse la elevación de B, que es el piso de la poza de disipación, tomando en primera instancia la elevación de EC que es el canal aguas abajo del canal, el mismo que se verificará mediante un balance de energías 2.3 El caudal unitario es q = 3.00 / 2.50 = 1.20 m3/s - m 2.4 Tirante crítico Yc = 0.53 m 2.5 Número de la caída D: iii. m Características de la poza de disipación: i) Longitud al pie d e caida hasta el punto de imp acto Ld = 2.55 m ii) Altura del dep osito de agua yP = 0.65 m iii) Resalto y1 = 0.24 m V1 = 5.02 m/s F1 = 3.28 y2 = 0.99 m V2 = 1.21 m/s F2 = 0.3894225 iv) longit ud cubierta por el resalto hidráulico LJ = 5.18 m v) Altura del umbral terminal n= 0.16 m vi) Longitud total de la poza LTOTAL = 7.73 m tirante conjugado menor tirante conjugado mayor iv. Verificación de los niveles de energía: Para asegurar que el resalto hidráulico esté contenido dentro de la poza de disipación, se verificará si el nivel de energía H2 del resalto hidráulico (flujo sub crítico), es menor o igual al nivel de energía H3, o sea en el canal aguas abajo de la caída. H2 ≤ H3 EB + y2 + hvn2 ≤ = EC + y3 + hvn3 Reemplazando se tiene que 46.56 ≤ 46.86 v. vi. Longitud de la sección antes de la caída Li = 3.5*yc = 1.85 m Comprobación si el chorro cae en la poza de disipación: Considerando altura de disipación 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 sección transversal cuyas características hidráulicas son: Canal de ingreso Q Bc S N Z EA : : : : : : 2.00 m3/s 1.00 m 0.001 0.015 1 96.50 msnm Q B S n Z Ec : : : : : : 2.00 m3/s 1.00 m 0.0007 0.015 1 95.50 msnm Yn : 0.85 yn : 0.935 m Ejemplo 2. Diseño de caída vertical sin obstáculos Solución: 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 m Y2 = 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 caída 3.5*yc = 1.96 = 2.00 m Ejemplo 3. Se desea trazar un canal de conducción cuya capacidad máxima es de 1.62 m3/s, de sección trapezoidal con características geométricas e hidráulicas 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 Solución: 1) Cálculo de las características hidráulicas y geométricas del canal, D I S E ÑO H ID R A U L I C O D E C A N A L E S Datos : Calculos Q= B= Z= n= S Ynormal = Area = Perimetro = f(yn) = 1.620 m³/s Tirante 1.00 m 1.0000 0.0250 0.601 m 0.963 m² 2.701 m -0.00010 0.0070 Resultados: Tirante Área hidráulica Perímetro mojado Radio Hidráulico Espejo de Agua Velocidad El Número de Froude Energía específica Borde libre Altura de canal Altura de canal asumido 0.601 m 0.963 2.701 m 0.357 m 2.203 m 1.683 0.813 ,siendo el flujo : subcrítico 0.746 m-Kg/Kg 0.149 m 0.750 m 0.750 m Tirante crítico Q= YCRITICO 1.620 m³/s Tirante critico Area B= 1.00 m Z= 1.0000 Espejo n= 0.0250 f(yn) S 0.0070 0.535 m 0.821 m² 2.070 m -0.00009 Resultados: Tirante Área hidráulica Perímetro mojado Radio Hidráulico Espejo de Agua Velocidad El Número de Froude Energía específica hv1 = 0.535 m 0.821 2.070 m 0.397 m 2.070 m 1.973 1.000 ,siendo el flujo : subcrítico 0.733 m-Kg/Kg 0.198 m El tirante crítico se producirá a una distancia aproximada a 3 - 4 veces el Yc aguas arriba de la cresta, pero conservadoramente y para fines prácticos podemos utilizar el Yc del canal, sin que haya diferencia significativa entre los valores, para el cálculo de L1. Entonces Yc = 0.53 m, en el canal 2) Ancho de la caída B ⁄, donde: H es el tirante de ingreso, = 0.55 y despejando B y reemplazando valores se tiene: ⁄ √ , Aumentando un 10%, se tiene 2.36, por motivos constructivos se tomará B = 2.40 m 3) 4) El tirante crítico es: 0.54 m Tirante mínimo para controlar el salto hidráulico Y 3 Y3 = 2.15*YC = 2.15 * 0.54 = 1.16 m 5) Cálculo de la cota de fondo ED Cota EC = Cota EB + Y4 = 100.00 + 0.60 = 100.60 msnm Cota ED = Cota EC – Y3 = 100.60 – 1.16 = 99.440 msnm Desnivel al piso del canal P = Cota EB – Cota ED = 100.00 – 99.440 = 0.56 m 6) Cálculo de la Altura de la caída z = Cota EA – ED = 101.40 – 99.44 = 1.96 m, Número de la caída D Si q = 0.675 m3/s - m Y = (101.40+0.60)-(100.00+0.60) = 1.40 m, entonces 7) Longitud entre la caída del chorro y el obstáculo L2 L2 = 0.8*Yc = 0.8*0.54 = 0.43 m 8) Longitud entre el obstáculo y el empalme del canal L 3 L3 = 1.75*Yc = 1.75 *0.54 = 0.95m 9) Longitud total de la poza de disipación LT LT = Ld + L2 + L3 = 2.13 + 0.43 + 0.95 = 3.51 m 10) Tirante de salida Y 4 Y4 = 0.60 m Y/Y = 2.33
