Cap.6
Estructuras Hidrulicas en Canales
S. Santos H.
VI. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS EN CANALES
DE CONDUCCION
6.1 Clasificacin Las estructuras que se pueden requerir en los canales de conduccin se clasifican de
acuerdo a su funcin:
Obras de conduccin
Son obras destinadas a transportar el agua desde una fuente hasta el sitio donde se
produce el aprovechamiento de la misma. El canal en s es una obra de conduccin
y las estructuras que se requieren para salvar desniveles y seguir conduciendo el
agua.
Cadas, Rpidas, Cruce de Va, Sifn Invertido, Flume.
Obras de regulacin y de medicin Aforo:
Obras de regulacin, son obras destinadas a regular el caudal o el nivel del agua en
un canal.
Regulacin de Caudales: Partidores o repartidores, Vertederos, Compuertas
Regulacin de Niveles: Barrajes, Vertederos, Compuertas
Obras de Medicin de caudales:
Vertederos: rectangular / triangular / trapezoidal
Aforadores de profundidad crtica: Aforador tipo Parshall, Venturi, Crump
Obras de proteccin
Las obras de proteccin tienen por finalidad proteger al canal de efectos externos o
internos.
Obras de Proteccin frente a efectos internos:
Transiciones, Pozas de Disipacin Vertedero lateral o Aliviadero de demasas
Obras de Proteccin frente a efectos externos:
Canal techado Alcantarilla
6.2 Transiciones
Cuando se requiere realizar un cambio de seccin en un canal es necesario intercalar
una estructura en la cual el cambio se realice en forma gradual, a fin de:
Reducir perdida de energa
Minimizar erosin en canales
Eliminar ondas transversales y otras turbulencias
Suministrar seguridad para la estructura y el curso de agua
Si el cambio en profundidades es muy rpido se produce FRV en forma de ondas
estacionarias.
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Tipos de Transicin La forma de transicin puede variar desde muros en
lnea recta normales al flujo de agua hasta muy
elaboradas estructuras curvas, los muros en lnea
recta son ptimos para estructuras pequeas.
Las estructuras de transicin de un canal trapezoidal
a uno rectangular pueden agruparse en tres tipos:
a. Transicin con curvatura simple b. Transicin de forma cua c. Transiciones con doble curvatura.
Fig 6.2.1 Tipos de Transicion
Fig 6.2.2 Transicion de entrada a desarenador
Diseo de Transicin entre canal y canaleta o tnel
Longitud de Transicin
tg
TTL
2
21
: de acuerdo al U. S. Bureau of Reclamation (USBR), se recomienda que el ngulo mximo, no exceda los 12.5.
T1,T2 : anchos de superficie de agua mayor y menor respectivamente
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Para disminuir las perdidas conviene no realizar cambios de direccin bruscos y se
procura redondear las esquinas.
Prdidas de energa
Las prdidas que se producen en una transicin se debe a la friccin y al cambio de
velocidad, la primera es pequea y la segunda es una funcin de la diferencia entre las
cargas de velocidad.
Transiciones de entrada
V1 < V2
Cada en la superficie del agua: y
Prdida por convergencia: hp= Ci hv
Transiciones de salida
V1 > V2
Levantamiento en la superficie del agua: y
Prdida por divergencia: hp= Co hv
Los valores medios de diseo para los coeficientes Ci y Co, se dan en la Tabla 6.1
Tabla 6.2.1 Coeficientes de entrada y salida en transiciones
Tipo de Transicin C
i
C
o
En curva 0.10 0.20
En cuadrante de crculo 0.15 0.25
En lnea recta 0.30 0.50
Extremos cuadrados 0.30+ 0.75 Fuente: Hidrulica de Canales de Ven Te Chow
T2 T1
y
T1 T2
y
Ci Co
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Las transiciones se
pueden ubicar en:
Entrada y salida entre
canales de diferentes
secciones
Entrada y salida entre
canal y tnel
Entrada y salida entre
canal y sifn invertido
Fig 6.3
Transiciones de
entrada y salida
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6.3 Cadas y Rpidas
Los cadas rpidas en el trazo de canales, son necesarios cuando la pendiente del
terreno es ms pronunciado que la mxima permisible, o hay desniveles naturales en el
terreno. El uso de estas estructuras se debe considerar con cuidado ya que se pierde
bastante energa.
Las cadas son usadas normalmente en desniveles desde 1m hasta 4.5m. Pueden ser cadas
verticales cadas inclinadas (Figs. 6.3.1 y 6.3.2), la energa se disipa en pozas
amortiguadoras.
Fig. 6.3.1 Cada Vertical
Fig. 6.3.2 Cada Inclinada
Las rpidas son usadas en desniveles mayores de 4.5m y cuando el desnivel se efecta en
una distancia larga, la disipacin de energa se lleva a cabo en la parte inclinada y en la
poza amortiguadora. Se puede usar una serie de cadas o una sola rpida la decisin se
toma luego de un estudio econmico de las alternativas.
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6.3.1 Rpidas
Las rpidas (chutes) son usadas para
conducir agua desde una elevacin mayor
a una ms baja, cuando el desnivel se
efecta en una distancia larga.
Partes de una Rpida Transicin de entrada
Seccin de Control
Canal de la rpida
Trayectoria
Poza de amortiguacin
Transicin de salida
Zona de proteccin
Consideraciones de Diseo:
Coeficiente de rugosidad de Manning
Se asumen valores conservadores: para
calcular altura de muros en una rpida de
concreto n = 0.014 y para el clculo de
niveles de energa n = 0.010 Fig. 6.3.3 Rpida con formacin de ondas
Transiciones
La parte de la entrada de la estructura transiciona el flujo desde el canal aguas arriba de
la estructura hacia el tramo inclinado.
Se disea esta estructura para prevenir la formacin de ondas. Un cambio brusco de
seccin sea convergente divergente, puede producir ondas que podran causar
perturbaciones, puesto que ellas viajan a travs del tramo inclinado y el disipador de
energa, el mximo ngulo de deflexin de la superficie de agua en la transicin de
entrada puede ser aproximadamente 30.
Seccin de Control Seccin en el punto donde se inicia la rpida y se regula por dos razones:
Prevenir descenso del nivel del agua y por ende prevenir el incremento de erosin aguas arriba de la seccin de control.
Para mantener el nivel del agua, aguas arriba de la seccin de control durante flujos bajos.
La seccin de control puede ser: una seccin donde se produzca flujo crtico, un vertedero
de cresta ancha sin contraccin , un vertedero de cresta aguda sin contraccin.
El ancho de la seccin de control es usualmente la misma que la del colchn disipador.
La entrada usada deber ser simtrica respecto al eje de la rpida, permitir el paso de la capacidad total del canal aguas arriba hacia la rpida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuacin de las aguas del canal cuando la operacin de la rpida sea suspendida.
Si las prdidas de carga a travs de la entrada son pequeas se pueden despreciar. De otra manera, las prdidas a travs de la entrada deberan ser calculadas y usadas en la determinacin del nivel de energa en el inicio del tramo inclinado.
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Tramo Inclinado Canal de la Rpida El tramo inclinado es la seccin comprendida entre la seccin de control y el principio de la trayectoria, puede ser un tubo o una seccin abierta. De acuerdo a la configuracin del terreno puede tener una o varias pendientes. La seccin usual para una rpida abierta es rectangular, cuando sea necesario incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan dentellones para mantener la estructura dentro de la cimentacin. Para calcular los tirantes en los diferentes tramos de la rpida, se puede usar el Mtodo de Tramos Fijos u otros mtodos que permitan determinar el perfil de flujo. Para rpidas menores de 9m de longitud, la friccin en la rpida puede ser despreciable. La altura de los muros en el tramo inclinado de seccin abierta ser igual al mximo tirante calculado en la seccin, ms un borde libre, a 0.4 veces el tirante critico en el tramo inclinado, ms el borde libre cualquiera que sea mayor. El borde libre mnimo recomendado para tramos inclinados de rpidas en canales abiertos (hasta 2.8 m
3/s) es
0.30m. El tirante y el borde libre son medidos perpendicularmente al piso del tramo inclinado. En velocidades mayores que 9 m/seg, el agua puede incrementar su volumen, debido al aire incorporado que est siendo conducido. El borde libre recomendado para los muros resultar de suficiente altura para contener este volumen adicional.
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Fig. 6.3.4 Perfil Longitudinal de una Rpida
Cap 7- Obras de Conduccin
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Fig 6.3.5 Rpida con poza disipadora
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6.3.2 Cadas Partes de una Cada Transicin de entrada
Seccin de Control
Cada
Poza de amortiguacin
Transicin de salida
Fig. 6.3.6 Cada Vertical
Cada Vertical sin Obstculos
La napa de cada libre aireada en un vertedero de cada recta invertir su curvatura y
girar suavemente dentro de un flujo supercrtico sobre la losa. Consecuentemente se puede
formar un salto aguas abajo.
Basado sobre sus propios datos experimentales y los de Moore, Bakhmeteff y Feodoroff, Rand encontr que la geometra del flujo en vertederos de cada recta, se pueden describir
como funciones del nmero de cada (D), el cual se define como:
Ec 6.1
yc: tirante critico
h: altura de la cada.
Las funciones son: Ecs 6.2
O.37d D 4.30 =h
L 0.22 p D 1.00 y
h
O.4251 D 0.54 y
h
0.272 1.66D h
y
3
c
h
y
D
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Ld: longitud de la cada, distancia desde el muro de cada a la profundidad yl
yp: profundidad del estanque bajo la napa yl: tirante conjugado menor del resalto
y2: tirante conjugado mayor del resalto
Fig. 6.3.7 Cada Vertical La posicin de la profundidad y1 se puede determinar aproximadamente por la lnea recta ABC que une al punto A sobre la losa en la posicin de y1, el punto B sobre el eje de la napa a la altura de la profundidad del estanque, y el punto C sobre el eje de la napa en la cresta de la cada. El hecho de que estos tres puntos caigan en una lnea recta, fue tambin verificado por experimentos.
Para evitar que en la cmara de aire se produzca vaco (succin), se hacen agujeros en las paredes laterales o se incrementa el ancho a ambos lados.
Para controlar las filtraciones en la pared vertical se disean drenes (lloraderos).
yp
B y2
Yc
Q
y1
Ld L
h
A
C
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