Cap 6-4 Sifon y Aliviadero Lateral UPC
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Cap 6
Estructuras Hidráulicas en Canales
S. Santos H.
6.7 Sifones Invertidos
Son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para conducir el agua en el
cruce de un canal con una depresión topográfica en la que está ubicado un río, un camino,
una vía de ferrocarril, un dren u otro canal.
Fig 6.7.1 Gradiente Hidráulico en Sifón
Criterios de Diseño
Si el flujo contiene alta cantidad de sedimentos, el sifón requiere de un desarenador aguas
arriba con el conducto de limpia que sirva a la vez de canal lateral en el caso de que se
tenga que cerrar el sifón por medio de una compuerta para poder hacer reparaciones o
mantenimiento.
Fig 6.7.2 Componentes de Sifón
Pueden utilizarse tubos de concreto armado o de asbesto cemento. Los primeros son
aceptables hasta presiones del orden de 45 m de columna de agua. Para presiones
mayores, se requeriría conductos de acero.
En la parte más baja del conducto se coloca un registro de limpieza que permita evacuar el
agua que se queda almacenada en el conducto cuando se para el sifón por mantenimiento o
reparación.
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Las transiciones pueden ser de tierra o de concreto; pero, se requerirá transiciones de
concreto en los siguientes casos:
• Sifones situados bajo quebradas, vías férreas o carreteras de primer orden
• Cuando el diámetro del tubo requerido sea mayor a 36 pulgadas.
• Cuando la velocidad en el tubo exceda 1 m/s
Para asimilar cualquier efecto de remanso que pudiera producirse antes de la entrada al
tubo, se requiere incrementar el margen libre del canal en los 15 m previos a la entrada al
sifón.
Las velocidades de flujo en el sifón normalmente fluctúan entre 1.5 m/s < V< 3m/s, con el
fin de prevenir la sedimentación y bloqueo del sifón. Para establecer el diámetro del sifón,
se recomienda tomar en cuenta las siguientes pautas:
• V no mayor a 1m/s en sifones cortos con transiciones de tierra
• V no mayor a 1.5 m/s en sifones cortos con transiciones de concreto
• V no mayor a 3 m/s en sifones largos con transiciones de concreto
El sifón trabaja a presión, por lo tanto debe estar ahogado a
la entrada y a la salida.
, 10% ≤ ahogamiento < 50%
A la entrada el borde superior del sifón debe estar ahogado
con un mínimo de 0.15m. ó de 1.5hv (perdida de carga a la
entrada). Esto minimiza la posible reducción en capacidad
del sifón por ingreso de aire. Se debe colocar rejas a la
entrada para evitar que ingresen materiales flotantes ó por
accidente personas ó animales. Se debe limpiar
periódicamente las rejas para evitar perdida de carga.
Fig 6.7.3 Ingreso a Sifón
Sifón Chaman - Canal Talambo Zaña, P.E Gallito Ciego
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Pérdidas de carga en el Sifón
El sifón funciona por diferencia de energía, la cual debe absorber todas las pérdidas en el sifón (HT).
Tentsal HEE
Por lo general se debe verificar que la pérdida total calculada, se incremente en 10% por razones de
seguridad:
ΔE ≥ 1.1HT
Como las singularidades causan efectos hacia aguas arriba se empieza el cálculo desde aguas bajo ó sea
desde el tirante normal del canal de salida. En el ejemplo sería de la siguiente forma:
T
T
Hzg
vyz
g
vy
HEE
1
2
116
2
6
6
16
22
Las pérdidas de carga HT , en el sifón es la sumatoria de:
h 6-5: pérdidas por transición de entrada
h 5-4: por cambio de sección (Borda-Carnot)
h 5: por rejilla (USBR)
h m: en órganos de control: codos, válvula de limpieza,.. hm = K hvp
h 3-2: por cambio de sección
h 2-1: por transición de salida
h f: por fricción
Perdidas de carga por transiciones de entrada y salida
Se tomara en cuenta los siguientes coeficientes:
Tabla 6.7.1- Coeficientes para Transición en Sifones
Transición Entrada
Ci
Salida
Co
De concreto 0.4 0.7
De tierra 0.5 1.0
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Perdidas de carga por rejillas
Las pérdidas de carga en las rejillas se deben a que estas producen perdidas por:
obstrucción, contracción de la entrada y resistencias producidas por el rozamiento del
agua. La fórmula de CREAGER nos da un buen criterio para evaluarla.
g
n
ingn
g
n
g
n
t
n
tre
eVV
a
a
a
aK
g
VKh
22
45.045.12
Kt: coeficiente de pérdida en la rejilla
an: área neta a través de la rejilla
ag: área bruta de las rejillas y sus soportes
Vn: velocidad a través del área de la rejilla
Ving: velocidad de ingreso
en: espacio neto a través de la rejilla
eg: espacio bruto de las rejillas y sus soportes
Perdidas de carga por entrada al conducto
Vs: velocidad en el conducto del sifón
Ke: coeficiente que depende de la forma de entrada al conducto
Tabla 6.7.2- Coeficientes a la entrada del conducto
Forma de entrada Ke
Compuerta en pared delgada- contracción suprimida
en los lados y en el fondo
1.0
Entrada con arista en ángulo recto 0.5
Entrada con arista ligeramente redondeada 0.23
Entrada con arista completamente redondeada 0.10
Entrada abocinada circular 0.0004
Perdidas por fricción en el conducto
g
V
D
Lfh
óLR
VnLSh
f
h
ef
2
2
2
32
L: longitud total del conducto Rh = D/4
Perdidas por cambio de dirección o codos
g
VKh s
ee2
2
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∆: ángulo de deflexión
kc: coeficiente para codos comunes =0.25
Perdidas de carga por salida del conducto
g
VVh cs
s2
22
Vs: velocidad en el conducto del sifón
Vc: velocidad aproximada en la caja
En forma práctica: hs = 2he
Tabla 6.7.3
Ejemplo para Selección de Diámetro de tuberías Transición
de tierra
Vmáx = 1.06m/s
Transición de
concreto
Vmáx = 1.52m/s Tuberías
Caudal (m
3/s)
Caudal (m
3/s)
Diámetro (pulg)
Diámetro (cm)
Area (m
2 )
0-0.076 0 – 0.110 12 30.48 0.073
0.077 - 0.112 0.111- 0.173 15 38.10 0.114
0.123 - 0.176 0.174 – 0.249 18 45.72 0.164
0.177 - 0.238 0.250 – 0.340 21 53.34 0.223
0.239 - 0.311 0.341 - 0.445 24 60.96 0.292
0.312 - 0.393 0.446 - 0.564 27 68.58 0.369
0.394 - 0.487 0.565 – 0.694 30 76.20 0.456
0.488 - 0.589 0.695 - 0.841 33 83.82 0.552
0.590 - 0.699 0.842 – 1.000 36 91.44 0.656
0.700 - 0.821 1.001 - 1.175 39 99.06 0.771
0.822 - 0.954 1.176 - 1.362 42 106.68 0.894
0.955 - 1.096 1.363 - 1.563 45 114.30 1.026
1.097- 1.246 1.564 – 1.778 48 121.92 1.167
1.247-1.407 1 .779 – 2.008 51 129.54 1.318
1.408- 1.578 2.009 - 2.251 54 137.16 1.478
1.579 -1.756 2.252 - 2.509 57 144.78 1.646
1.757-1.946 2.510- 2.781 60 152.40 1.824
1.947- 2.146 63 160.02 2.011
2.147- 2.356 66 167.64 2.207
2.357 - 2.574 69 178.26 2.412
2.575 - 2.803 72 182.88 2.626
Fuente: Diseño de Estructuras Hidráulicas- M. Villón
6.8 Vertedero Lateral ó Aliviadero de Demasías
g
Vkchc
290
2
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Es una estructura hidráulica de protección, que se ubica en uno de los lados del canal y
cuya función es el de verter fuera de la estructura de conducción cualquier exceso de agua
que resulte del ingreso de agua por avenidas ó mala operación de las compuertas de
regulación.
Fig 6.8.1 Aliviadero Lateral de Demasías
Hidráulica
Cuando el caudal aumenta o disminuye en la dirección del movimiento, se produce un Flujo
Espacialmente Variado (FEV), debido a que se producen modificaciones en la cantidad de
movimiento y su energía. Produciéndose corrientes transversales, flujo en espiral y un
mezclado turbulento, los cuales dificultan el cálculo.
El caudal que fluye sobre el vertedero lateral es un Flujo Espacialmente Variado, debido a
que al inicio del vertedero va a ingresar un caudal mayor que el que se obtiene al final del
vertedero.
Fig 6.8.2 Flujo sobre Aliviadero Lateral de Demasías
Para el cálculo se asume que la carga de energía a lo largo del vertedero lateral es
determinada por la carga de energía en el canal aguas abajo del vertedero lateral y puede
ser asumido como constante. Así las pérdidas de carga por fricción pueden despreciarse.
1. La suma de las energías en cualquier sección a lo largo de la cresta vertedora es
constante.
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cteg
VyEEEo
2
2
1
2. El perfil de la lámina vertiente sobre el vertedero sigue una ley lineal, esto no induce
error considerable.
3. El coeficiente de gasto a lo largo del vertedero es constante y se acepta que su valor es el
promedio de considerar su variación según las cargas extremas.
Dimensionamiento
La longitud el aliviadero de demasías se puede aproximar con la fórmula de Forcheimer
para vertederos rectangulares, aplicando el factor de corrección K por efecto del flujo
lateral:
323
2ghKLQ
si gCd 23
2 , entonces:
23
hKLdCQ
Q: caudal en exceso m3/s
: coeficiente del vertedero según la forma de la cresta
K: coeficiente para vertedero lateral K=0.95
h: carga hidráulica ó tirante de agua sobre la cresta del vertedero m
L: longitud del aliviadero de demasías m Cd: Coeficientes de Descarga de Vertederos (Ver Tabla Coeficientes de Vertedero
Rectangular)