Diseño de Tomas Partidores

03/08/2013

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CURSO:

IRRIGACIONESDOCENTE:

ING° CARLOS LUNA LOAYZA

FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

CURSO:

IRRIGACIONES

DISEÑO DE OBRAS DE ARTE EN IRRIGACIONES

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2.0 OBRAS DE ARTE EN IRRIGACIONES2.3 ESTRUCTURAS DE CONTROL DE FLUJO

ESTRUCTURAS DE DISTRIBUCIÓN DEL CAUDALSon estructuras de control hidráulico. Su función es la depresentar un obstáculo al libre flujo del agua, con elconsiguiente represamiento aguas arriba de la estructura,y el aumento de la velocidad aguas abajo.

Entre las principales estructuras tenemos:- Tomas Laterales- Partidores- Compuertas- Cano Compuerta

CURSO:

IRRIGACIONES

DISEÑO DE TOMAS LATERALES

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a.- Tomas laterales1. ConceptoLas tomas laterales son estructuras hidráulicas que permiten derivar ocaptar determinado caudal desde un canal madre. Una toma lateralconsiste en una ventana de ingreso y un conducto corto que descargaal aire libre o hacia una posa disipadora.

Estas obras pueden servir también para medir la cantidad de agua quecircula por ellas. Para obtener una medición exacta del caudal aderivar, éstas tomas se diseñan dobles, es decir, se utilizan dosbaterías de compuerta; la primera denominada compuerta de orificioy la segunda compuerta de torna y entre ellas un espacio que actúacorno cámara de regulación.


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a.- Tomas laterales2. Consideraciones hidráulicas• Las tomas laterales en una red de riego, en especial son colocados

en los canales secundarios o terciarios.• Las tomas se instalan normales al canal alimentador, lo que facilita

la construcción de la estructura.• Generalmente se utilizan compuertas cuadradas las que se acoplan

a una tubería. Las dimensiones de las compuertas, son iguales aldiámetro de la tubería y ésta tendrá una longitud variabledependiendo del caso específico.

• Cuando la toma tenga que atravesar una carretera o cualquier otraestructura, se puede fijar una longitud de 5 m para permitir unsobre ancho de la berma del canal en el sitio de toma por razonesde operación.

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a.- Tomas laterales2. Consideraciones hidráulicas• Determinar la longitud de un vertedero lateral para que derive un

caudal determinado es un problema que se encuentrafrecuentemente en el diseño de alcantarillados y de canales engeneral.

• La aplicación de las ecuaciones fundamentales de la Mecánica delos fluídos presenta algunas dificultades en el desarrollo analítico,debido a que se trata de un Flujo Espacialmente Variado, por lo cualdebe apelarse a la experimentación para obtener fórmulassemiempíricas confiables. Algunas de estas fórmulas, sin embargo,difieren en su forma y en sus resultados por las restricciones que seimponen en los cálculos a la aplicación de las ecuaciones deEnergía y de Cambio en Cantidad de Movimiento.


a.- Tomas laterales2. Consideraciones hidráulicas• En este aspecto existen dos criterios diferentes; uno considera que

la energía específica en el canal a lo largo del vertedero esaproximadamente constante mientras que el otro descarta lahipótesis de Energía Específica constante y utiliza la ecuación deCambio en Cantidad de Movimiento para determinar la variaciónde la Energía Específica.

• Este último criterio es teóricamente más ajustado a la realidad queel primero, pero su aplicación práctica resulta dispendiosa. Enalgunos casos particulares, como cuando se trabaja en canalesprismáticos de poca pendiente con régimen tranquilo, los doscriterios producen resultados similares y por esta razón se prefiereutilizar el criterio de la Energía Específica constante como unaaproximación razonable bajo ciertas condiciones que se analizanmás adelante.

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a.- Tomas laterales2. Consideraciones hidráulicas• En la Figura No. 1 se observa la diferencia en la representación

esquemática de los dos criterios.


a.- Tomas laterales3.- Formulas• L = Longitud del vertedero.• Q1 = Caudal en el canal aguas arriba del vertedero.• Q2 = Caudal en el canal aguas abajo del vertedero, luego de que se ha

derivado un caudal Qv.• P = Altura de la cresta del vertedero por encima del fondo del canal.• b = Ancho del canal.• Y1 = Profundidad del agua en el canal aguas arriba del vertedero.• Y2 = Profundidad del agua en el canal aguas abajo del vertedero.• So = Pendiente longitudinal del canal.• n = Rugosidad de Manning en el canal.• Cv = Coeficiente de descarga del vertedero. = 2.2• i = Pendiente longitudinal del agua a lo largo del vertedero.• e = Coeficiente de pérdidas por cambio de dirección y por choque del agua

contra las paredes del vertedero.• E = Energía específica a lo largo del vertedero

E = Y + V2 / 2g

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a.- Tomas laterales3.- Formulas• Di Marchi ,• Mediante un procedimiento analítico integró la ecuación general

del flujo espacialmente variado y obtuvo la siguiente expresión:

X = ( b (2g)½ / Cv ) { [ (2E-3P) / (E-P) ] [ (E-Y) / (Y-P)]½ -3arcsen[ (E-Y) / (Y-P)]½} + C

• La longitud del vertedero es L = X2 - X1, donde X1 y X2 son lasabscisas correspondientes a las profundidades Y1 y Y2respectivamente.

• Cuando el flujo es subcrítico la profundidad Y2 ( Figura No. 1 ) esconocida y es igual a la profundidad normal de flujo del canal deaguas abajo. X2 se fija arbitrariamente. Conocidos Y2, X2 se calculala constante de integración C.


a.- Tomas laterales3.- Formulas• Para calcular Y1 y X1 se aplica la fórmula de Di Marchi, por medio

de aproximaciones sucesivas, hasta cuando se satisface la Ecuacióndel Caudal:

• En el problema son conocidos Qv, Cv, P, X2, Y2, E y C. Sonincógnitas X1, Y1, y hay dos ecuaciones, la de Di Marchi y la delCaudal. El proceso de integración de la ecuación del caudal esdispendioso, por lo cual se recomienda utilizar una ecuaciónaproximada. Salamanca, 1970, recomienda la siguiente expresión:

Qv = L ( 2 Zm )3/2 / 1.27

Donde Zm = { ( Y1 - P ) + ( Y2 - P ) } / 2 , y L = X2 - X1

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a.- Tomas laterales3.- Formulas• La ecuación se aplica en sistema métrico y utiliza un coeficiente Cv

= 2.2 para el vertedero. En la práctica el coeficiente es menor porefecto del cambio de dirección del flujo que vierte y de su choquecontra las paredes del vertedero. El coeficiente corregido toma laforma:

Cv = 2.2 ( 1 - k Q2 / Q1 )

• donde k es un factor que se determina experimentalmente. Envertederos pequeños k es del orden de 0.15.

• La ecuación del caudal con la corrección del coeficiente resulta:Qv = L ( 1 - k Q2 / Q1 ) ( 2 Zm )3/2 / 1.27


a.- Tomas laterales3. Formulas• La ecuación se aplica en sistema métrico y utiliza un coeficiente Cv

= 2.2 para el vertedero. En la práctica el coeficiente es menor porefecto del cambio de dirección del flujo que vierte y de su choquecontra las paredes del vertedero. El coeficiente corregido toma laforma:

• Cv = 2.2 ( 1 - k Q2 / Q1 )

• donde k es un factor que se determina experimentalmente. Envertederos pequeños k es del orden de 0.15.

• La ecuación del caudal con la corrección del coeficiente resulta:

• Qv = L ( 1 - k Q2 / Q1 ) ( 2 Zm )3/2 / 1.27

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a.- Tomas lateralesEJEMPLO DE DISEÑO

Diseñar un vertedero lateral para derivar un caudal de 500 lpsen un canal rectangular de concreto liso que tiene un ancho de 2m y una pendiente longitudinal del 0.1 %. El caudal de entradaal canal es de 3.0 m3/s.

Variables conocidas:Q1 = 3.0 m3/sQv = 0.5 m3/s.b = 2.oo m.So = 0.001n = 0.014 ( Concreto liso ).


a.- Tomas lateralesEJEMPLO DE DISEÑOValores calculados:

Q2 = 2.5 m3/s.Y2 = 0.91 m ( Profundidad normal )V2 = 1.38 m/s.Fr2 = 0.462 ( Flujo subcrítico )E = 1.01 m ( igual a Y2 + V22/2g )

Valores de diseño:P = 0.60 mZ2 = 0.31 m.

Cv = 1.925 ( Utilizando la corrección con k = 0.15. Factor de corrección= 0.88)X2 = 10 m ( Valor arbitrario )C = 16.8442 ( de la fórmula de Di Marchi para X2, Y2, E, P ). En laaplicación de la fórmula los ángulos deben expresarse en Radianes.

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a.- Tomas lateralesEJEMPLO DE DISEÑOAproximaciones sucesivas:

Primera aproximación: Y1 = 0.85 m.X1 = 6.13 m ( de la fórmula de Di Marchi para C, Y1, E, P )L = 10 - 6.13 = 3.87 m.

2Zm = 0.31 + 0.25 = 0.56 m

Ecuación del caudal: 0.500 = L ( 0.875 ) ( 0.56 )3/2 / 1.27L = 1.73 m.

Como los valores de L no coinciden entonces se asigna otro valor a Y1 ( mayorque 0.85 m ) y se repite el procedimiento.

Resultados:Qv = 0.50 m3/s L = 1.60 m Y1 = 0.882 mY2 = 0.910 m

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DISEÑO DE PARTIDORES

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b.- Partidores de caudalSon estructuras que permiten distribuir el gasto en una canalización generalmenteen 02 módulos.

Los partidores pueden ser permanentes ó móviles. En el último caso los partidoresse construyen de elementos metálicos móviles y en los primeros pueden ser deconcreto ó albañilería. (Presenta un flujo subcrítico), se diseña los partidores comorectangulares.

Criterios de diseño- Flujo en el canal subcrítico.- Flujo permanente.- Calcular b1 y b2.- Ancho de cada canal es proporcional al caudal.

Q = (by) V = (b1 y1) V1 + (b2 y2) V2Aplicación:

Si Q1 = 30% Q1 = (b1 y1) V1Q2 = 70% Q2 = (b2 y2) V2


b.- Partidores de caudal

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