SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE“AÑO DEL DIÁLOGO Y LA RECONCILIACIÓN NACIONAL” UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA ACADEMICO - PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL “DISEÑO DE CAÍDA VERTICAL” ASIGNATURA: SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE DOCENTE: ING. NARVAEZ ARANDA, Ricardo A. EQUIPO DE TRABAJO: ANDONAYRE ZAVALETA, Víctor J. MIÑANO BRICEÑO, Giancarlos J. MIÑANO VALDIVIA, Kevin W. VÍLCHEZ DEZA, Carlos E. CICLO: VIII TRUJILLO – PERÚ 2018 ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 1 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN: ................................................................................................. 3 2. DEFINICIÓN DE CAIDA VERTICAL: .............................................................. 4 3. PARTES DE UNA CAÍDA VERTICAL: ............................................................. 5 4. TIPOS DE CAIDA VERTICAL: ........................................................................... 5 5. DISEÑO DE UNA CAÍDA VERTICAL: .............................................................. 6 A. Criterios de Diseño de una Caída Vertical sin Obstáculos de Choque: ............. 6 B. Criterios de Diseño de una Caída Vertical con Obstáculos de Choque: ............ 9 C. Criterios de Diseño de Gradas: ........................................................................ 10 6. EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE CRITERIOS DE DISEÑO DE UNA CAÍDA VERTICAL: .................................................................................................... 10 A. Criterios de Diseño de una Caída Vertical sin Obstáculos de Choque: ........... 10 B. Criterios de Diseño de una Caída Vertical con Obstáculos de Choque: ..... Error! Bookmark not defined. C. Criterios de Diseño de Gradas: ........................................................................ 18 7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS: ............................................................... 24 ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 2 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE “DISEÑO DE CAÍDAS VERTICALES” 1. INTRODUCCIÓN: Los diferentes tipos de caídas que pueden ser usados son verticales, con dados disipadores, rectangulares, inclinados y en tuberías. Las caídas con dados disipadores pueden ser usadas para casi cualquier disminución en la elevación de la superficie del agua donde la distancia horizontal para realizar la caída es relativamente corta. Las mismas son particularmente adaptables para la situación donde la elevación de la superficie del agua aguas abajo puede variar por causa tales como degradación o superficies del agua no controladas. Las caídas rectangulares inclinadas y las caídas en tubería son usadas cuando la diferencia de altura está en el orden de 90 cm. a 4,5 m en una distancia relativamente corta. La decisión de usar una caída rectangular inclinada o en tubería se basa en un análisis económico. Usualmente las tuberías serán seleccionadas para flujos más pequeños en tanto que las caídas rectangulares inclinadas son seleccionadas para flujos más grandes. Si la caída atraviesa otro canal o carretera es probable que sea más económico usar tuberías. Las rápidas usualmente son usadas cuando la diferencia de altura es mayor a 4,5 metros y el agua es transportada una larga distancia y a lo largo de pendientes que pueden ser menos empinadas que las de caídas, pero lo suficiente como para mantener la velocidad supercrítica. La decisión de usar una rápida o una serie de caídas estará basada en un estudio hidráulico y económico de ambas alternativas. “Las Caídas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario salvar desniveles bruscos en la rasante del canal; permite unir dos tramos (Uno superior y otro inferior) de un canal por medio de un plano vertical permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo, disipando la energía generada por esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una caída se introduce cuando es necesario reducir la pendiente de una canal. “ Las Caídas pueden ser de una grada o de varias gradas. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 3 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE 2. DEFINICIÓN DE CAIDA VERTICAL: Las caídas son estructuras que sirven para transportar el agua de un nivel superior a otro nivel inferior y que al hacerlo se disipe la energía que se genera. Existen de varios tipos y estos dependen de la altura y del caudal del agua que se transporta. Existen instituciones como el USBR que han clasificado los tipos de caídas según los disipadores de energía que presenta de las cuales podemos mencionar por ejemplo el USBR BASIN TIPO I, TIPO II, TIPOIII, etc. Las caídas son utilizadas ampliamente como estructuras de disipación en irrigación, abastecimiento de agua y alcantarillado y son también necesarios en presas, barrajes y vertederos. Aparte de costo, que, evidentemente, será un factor importante a la hora de diseñar, es necesario considerar los factores tales como: Facilidad de construcción y la disponibilidad de materiales. Rendimiento en sistemas llevando sedimento, los desechos y malas hierbas. Capacidad de realizar otras funciones tales como puente. Conocer los diversos tipos de caídas y sus características Conocer los criterios de diseño de las caídas. La caída hidráulica es una situación que se da frecuentemente en canales, cuando se produce un cambio en la profundidad del flujo desde un nivel alto a un nivel bajo. Las caídas verticales son utilizadas cuando se desea decrecer la elevación en un rango de 3 a 15 pies (1 a 4.5 m) a una distancia relativamente corta. Esto con la finalidad de dispar la energía, y también reducir el poder erosivo del flujo Como consecuencia se verifica una profunda depresión en la superficie libre del agua en el canal. Este fenómeno es consecuencia, generalmente, de un incremento brusco en la pendiente del canal, o en ensanchamiento rápido de la sección transversal del mismo. En la región de transición entre un estado del flujo y el siguiente aparece normalmente una curva en la superficie del agua con la concavidad hacia abajo y luego presenta un punto de inflexión y pasa a tener su concavidad hacia arriba. El punto de inflexión se encuentra aproximadamente en correspondencia de la profundidad crítica, en el cual la energía específica es la mínima, y el flujo pasa de una situación de flujo suscritico a supe crítico. Como caso especial de la caída hidráulica se da la caída libre. Esta situación se da cuando el fondo del canal tiene una discontinuidad, presenta un salto. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 4 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE 3. PARTES DE UNA CAÍDA VERTICAL: 2.1. Transición de Entrada: Une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. 2.2. Sección de Control: Es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se representa las condiciones críticas. 2.3. Caída: La cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada. 2.4. Poza o colchón amortiguador: Es de sección rectangular siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída. 2.5. Transición de Salida: une la poza de disipación con el canal aguas abajo. Fig. 01: Elementos de una Caída Vertical. Localización de la Sección de Control De la Figura 01 se tiene: d1+ hv1+ ∆1= dc + hvc + he Donde: d1= tirante normal en el canal superior, m. hv1= carga de velocidad en el canal superior, m. ∆1= desnivel entre el sitio donde comienza el abatimiento y la sección de control, cuyo valor se desprecia por pequeño, m. hvc = carga de velocidad en la sección de control, m. dc = tirante crítico, m. he = suma de las perdidas ocurridas entre las dos secciones, m. 4. TIPOS DE CAIDA VERTICAL: Según el Manual de Diseño del ANA (Autoridad Nacional del Agua) tenemos los siguientes tipo: Caídas Verticales sin Obstáculos para el Choque. Caídas Verticales con Obstáculos para el Choque. Gradas. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 5 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE 5. DISEÑO DE UNA CAÍDA VERTICAL: A. Criterios de Diseño de una Caída Vertical sin Obstáculos de Choque: 5.1. Se construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1.00 m como máximo, sólo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores. 5.2. SINAMOS, recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000 l/s x m de ancho, siempre se debe construir caídas inclinadas, además manifiesta que la ejecución de estas obras debe limitarse a caídas y caudales pequeños, principalmente en canales secundarios construidos en mampostería de piedra donde no se necesita ni obras de sostenimiento ni drenaje. 5.3. Cuando el desnivel es ≤ 0.30 m y el caudal ≤300 l/s/m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación. 5.4. La caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la fórmula para caudal unitario “q”. 3 q 1.48 H 2 Siendo el caudal total: 3 2 (Fórmula de Weisbach) Q .B 2 g H 2 3 Donde: = 0.50 B = Ancho de la caída 5.5. La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado. 5.6. Por debajo de la lámina vertiente en la caída se produce un depósito de agua de altura yp que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo. 5.7. Rand (1955) citado por ILRI (5) Pag. 209, encontró que la geometría del flujo de agua en un salto vertical puede calcularse con un error inferior al 5% por medio de las siguientes funciones: Ld 4.30 xDc 0.27 Z ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 6 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE Yp 1.00 xDc 0.22 Z Y1 0.54 xDc 0.425 Z Y2 1.66 xDc 0.27 Z Donde: Dc = Número de salto (o de caída), adimensional q2 Dc g.Z 3 o q = Gasto unitario, en m3/s/m. o g = Aceleración de la gravedad, en m/s. o Z = Altura de caída del salto, en m. o Ld = Longitud del foso al pie de la caída, en m. o Yp = Tirante al pie de la estructura, en m. o Y1 = Conjugado menor en la base de la caída. o Y2 = Profundidad del remanso, en m. El ángulo de caída del chorro es: 1.06 Cos Z 2 Yc 2 La longitud del foso de disipación Lc es función de la trayectoria del chorro y de la longitud del resalto hidráulico libre: L fd 6.9( y 2 Y1 ) Lc Ld L fd Así: Fig. 02: Características de una Caída Vertical. 5.8. Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara indicada en la Figura 02, el cual se debe reemplazar para evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 7 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE 5.9. Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes: Contracción lateral completa en cresta vertiente, disponiéndose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lámina vertiente. Fig. 02: Contracción Vertical de una Caída Vertical. Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/s/m de ancho de cresta de la caída, es igual a: qw qa 0.1 1.5 Yp Y Donde: qa = suministro de aire por metro de ancho de cresta y = tirante normal aguas arriba de la caída qw = Máxima descarga unitaria sobre la caída P a fL Va 2 Ke Kb Kex g w D 2g Donde: (P/ρg) = Baja presión permisible debajo de la lámina vertiente, en metros de columna de agua. (Se puede suponer un valor de 0.04 m de columna de agua). Ke = Coeficiente de perdida de entrada (Usar Ke= 0.5) L V2 hf f D 2g L = Longitud de la tubería de ventilación, m. D = Diámetro del agujero de ventilación, m Kb = Coeficiente de perdida por curvatura (Usar Kb=1.1) Kex = Coeficiente de pérdida por salida (Usar Kex=1.0) Va = Velocidad media del flujo de aire a través de la tubería de ventilación. ρa/ρw = Aproximadamente 1/830 para aire a 20ºC f = Coeficiente de fricción en la ecuación de Darcy-Weisbach. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 8 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE B. Criterios de Diseño de una Caída Vertical con Obstáculos de Choque: El Bureau of Reclamation, ha desarrollado para saltos pequeños, un tipo de caída con obstáculos donde choca el agua de la lámina vertiente y se ha obtenido una buena disipación de energía para una amplia variación de la profundidad de la lámina agua abajo, a tal punto que puede considerarse independiente del salto. Fig. 03: Caída Vertical con Obstáculos de Choque Anchura y espaciamiento de los obstáculos = 0.4 Yc Longitud mínima de la cubeta = Ld + 2.55 Yc 0.27 𝑞2 𝑄 Ld = 4.30 D H D = 𝑔ℎ3 𝑞= 𝐵 Con contracciones laterales Q = C L H3/2 C = Según Tabla 01 Tabla 01: Cálculo de C para Contracciones Laterales en Caídas Verticales con Obstáculos de Choque Sin contracciones laterales 2 3 1 ℎ 𝑄 = 𝐵ℎ2 (0.605 + + 0.08 √2𝑔 3 1050ℎ − 3 𝑝 Donde: B = Ancho de la caída. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 9 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE Q = Caudal en vertedero o caudal de la caída. P = El mínimo valor de P, será la diferencia de energías aguas arriba de la cresta y en la cresta donde se produce Yc. h = Carga sobre cresta. Se calcula primeramente B, puesto que “Q” es el caudal en el canal y por lo tanto es ya conocido. La anchura y espaciamiento entre los obstáculos será aproximadamente 0.4 Yc. C. Criterios de Diseño de Gradas: Son caídas verticales continuas, que se proyectan para salvar desniveles abruptos siendo recomendable no proyectar en este caso caídas o gradas con alturas mayores a 0.80 m. En la siguiente sección se evaluará la metodología de diseño de esta estructura. 6. EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE CRITERIOS DE DISEÑO DE UNA CAÍDA VERTICAL: Criterios de Diseño de una Caída Vertical sin Obstáculos de Choque: Ejemplo N°1 Datos: Desnivel = Δz = 1 m Características del canal aguas arriba y aguas abajo Q = 2 m3/s Q = 2 m3/s S = 1 o/oo S = 0.7 o/oo n = 0.015 n = 0.015 Z = 1 (Talud) Z = 1 (talud) b = 1.0 m b = 1.0 m Y = 0.85 m Y = 0.935 m A = 1.57 m2 A = 1.81 m2 V = 1.27 m/s V = 1.1 m/s H = 0.85 + 0.082 = 0.932m H = 0.997 m Solución: a) Ancho de la caída: q = 1.48 H3/2 ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 10 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE q = 1.33 m3/s x m 𝑄 2 B= = 𝑞 1.33 B = 1.50 m b) Transición de entrada: 𝑇1 − 𝑇2 LTe = 2𝑡𝑔𝛼/2 T1 = b + 22Y = 1,9 + 2 x 1 x 0.85 T1 = 2.70 m T2= 1.5 m α/2= 25º LTe = 1.30 ≈ 2.0 m c) Dimensiones de la caída: 𝑄 2 B= = 𝑞 1.5 3 q = 1.33 m /a x m Y2 = 1.05 m Yc= 0.56 m Lj = 5.5 m D = 0.18 m Long. del estanque = 8.2 m Ld = 2.8 m resalte = 0.935 ÷ 6 = 0.16 ≈ 0.20 m Yp = 0.69 m Y1= 0.26 m d) Longitud del tramo de canal rectangular (inmediatamente aguas arriba de la caída): L = 3.5 Yc L = 1.96 ≈ 2.0 m e) Ventilación bajo la lámina vertiente: Consiste en calcular el diámetro de los agujeros de ventilación: 𝑞𝑤 qa = 0.1 1.5 𝑌𝑝 ( ) 𝑌 1.33 qa = 0.1 0.69 1.5 ( ) 0.85 ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 11 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE 3 qa = 0.18 m /s x m qa = qa x B = 0.18 x 1.5 3 Qa = 0.27 m /s Asumiendo una longitud de tubería igual a 2 m y un valor f = 0.02 para tuberías de fierro, se tiene: 𝜌 𝜌𝑎 𝑓𝐿 𝑉𝑎 2 = (𝐾𝑒 + + 𝐾𝑏 + 𝐾𝑒𝑥) 𝜌𝑔 𝜌𝑤 𝐷 2𝑔 1 𝑄𝑎 = 𝜋𝐷 2 𝑉𝑎 4 0.344 𝑉𝑎 = 𝐷2 𝑉𝑎2 0.006 = 2𝑔 𝐷4 Reemplazando valores en la ecuación: 𝜌 𝜌𝑎 𝑓𝐿 𝑉𝑎 2 = (𝐾𝑒 + + 𝐾𝑏 + 𝐾𝑒𝑥) 𝜌𝑔 𝜌𝑤 𝐷 2𝑔 Tenemos: 0.02 ∗ 2.0 1 (0.5 + 𝐷 + 1.1 + 1.0) 0.006 2.04 = 830 𝐷4 0.04 (2.6 + 𝐷 ) 5533.3 = 𝐷4 Resolviendo por tanteos, resulta: D = 0.151 m 1 𝐴= 𝜋𝐷2 4 A = 0.018 m2 Esta área equivale aproximadamente el área de 3 tubos, 2 de 4” (0.10m) y 1 de 2” (0.05 m), estos tubos se colocarán de manera de conecten la cámara de aire de la caída con el espacio exterior. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 12 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE Ejemplo N° 2. Diseño de caída vertical del Canal Chaquin (Valle de Viru-1er tramo). A. Descripción de la Arquitectura hidráulica del Canal Chaquín El canal “Chaquín” se inicia desde una toma lateral del “canal madre” del proyecto CHAVIMOCHIC que proviene de la Cámara de Carga, como se muestra en la Fig. 4. Figura 4: Primer tramo del canal “Chaquín”. En este primer tramo se ha construido (3) Caídas verticales de sección rectangular, ubicadas en el canal para salvar desniveles topográficos, disipando adecuadamente la energía potencial, se han considerado desniveles de 0.50 m hasta 1.00 m. siendo ésta y su poza disipadora de sección rectangular, los cuales prevén la disipación de la energía a través de un resalto hidráulico, complementándose con las transiciones de entrada y salida de 2.50 m. Las dimensiones de la arquitectura hidráulica de las caídas verticales, las vistas de planta y cortes se muestran en las figuras 5 y 6. Figura 5: Vista de la arquitectura hidráulica y planta de la caídas verticales. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 13 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE Figura 6: Vista de corte típica de la arquitectura hidráulica de la caída vertical. B. Datos: Características del canal aguas arriba y aguas abajo: Datos del canal aguas arriba Datos del canal aguas abajo Q= 1.39 m3/seg Q= 1.39 m3/seg b= 0.9 m b= 0.85 m S= 0.0006 S= 0.002 n= 0.015 n= 0.015 Z= 1 Z= 1 h = Δz = 0.9 m h = Δz = 0.9 m C. Solucion 1) Parametros Aguas Arriba y Aguas Abajo: PARAMETROS HIDRAULICOS AGUAS PARAMETROS HIDRAULICOS AGUAS ARRIBA ABAJO Yno 0.839 0.83890013 Yn3 0.630 0.62957396 = = bo = 0.900 m b3 = 0.850 m Ao = 1.459 m2 A3 = 0.932 m2 Po = 3.273 m P3 = 2.631 m To = 2.578 m T3 = 2.109 m V3 = 1.492 m/s Vo = 0.953 m/s F3 = 0.717 sub critico Fo = 0.404 sub critico 2) Calculo del ancho de la caída y el tirante de la sección de control. 1.1. Calculo de la Energia Aguas Arriba y Aguas Abajo ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 14 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE 𝑽𝟐 𝑯 = 𝒀 + 𝟐𝒈 Ho = 0.8852 m. H3 = 0.7431 m. 𝟑 𝒒 = 𝟏. 𝟒𝟖𝑯𝟐 𝒎𝟑 𝒒 = 𝟏. 𝟐𝟑𝟐𝟔 /𝒎 𝒔𝒆𝒈 1.2.Ancho de la caída 𝑸 𝑩= B = 1.15m. 𝒒 3) CALCULO DE LAS TRANSICIONES: TRANSICION DE ENTRADA: 𝑻𝟏 − 𝑩 𝑳𝑻𝒔 = 𝜶 𝟐𝑻𝒈 (𝟐 ) α = 25° B= ancho de la Caida LTR = 2.163 m. Asumir Proceso constructivo 2.20m. T3= ancho de la base 4) DIMENCIONAMIENTO DE LA CAIDA: 𝑸 𝑩= q = 1.23 m. 𝒒 𝟑 𝒒𝟐 𝒀𝒄 = √ 𝒈 Yc = 0.537 m. Asumir Proceso Constructivo. 𝒒𝟐 𝑫 = 𝒈𝒉𝟑 D= 0.212 𝟒. 𝟏. Longitud del Pie de la Caida al Inicio del Salto: 𝑳𝑫 ∆𝒁 = 𝟒. 𝟑𝟎𝑫𝟎.𝟐𝟕 LD = 2.55 m. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 15 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE 4.2. Longitud Rectangular Arriba de la Caida 𝐿𝑟𝑒𝑐𝑡. = 3.5 𝑌𝑐 Lrec. = 1.89 m. =Asumir Proc Constructivo 1.89m. 4.3. Altura del Agua pegada al pie de la Caida. 𝑌𝑝 = 1𝐷0.22 Yp = 0.640 m. = Asumir Proceso constructivo 0.65 m. ∆𝑍 4.4. PROFUNDIDAD SECUENTE MENOR 𝑌1 = 0.54𝐷0.425 Y1 = 0.252 m. = Asumir Proc constructivo 0.26m. ∆𝑍 4.5. PROFUNDIDAD SECUENTE MAYOR (TIRANTE CONJUGADA) 𝑌2 = 1.66𝐷0.27 Y2 = 0.983 m.=asumir proc constructivo 0.99 m. ∆𝑍 4.6. Longitud De Salto Hidraulico 𝐿𝑠 = 6.9 (𝑌2 − 𝑌1 ) Ls = 5.037 m. = Asumir Proc. Constructivo 5.04 m. 4.7. LONGITUD DE LA POZA DE DISIPACION 𝐿𝑇 = 𝐿𝑠 + 𝐿𝐷 LT=7.590 m. = Asumir proc. Constructivo 7.60 m. 𝟒. 𝟖. 𝐷𝑎𝑡𝑜𝑠 𝐴𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑔𝑢𝑎𝑑𝑜𝑟 Y2/6= 0.165m. =0.20 m. Ancho(0.5Yc)= 0.27 = 0.30 m. 0.5 Y2 =0.495 = 0.50m. 4.9. Profundidad de Pozo : 𝒀𝟐 𝑪= C = 0.165 m. =asumir en proc const. = 0.50 m. 𝟔 𝟒. 𝟏𝟎. 𝐵𝑜𝑟𝑑𝑒 𝐿𝑖𝑏𝑟𝑒 ∶ 𝐵. 𝐿 = 0.85𝑌𝐶 B.L. = 0.459 m. = Asumir = 0.50m. 5) VENTILACION BAJO LA LAMINA VERTIENTE: Calculo del Diametro de los Agujeros de Ventilacion: 𝑞𝑎=0.1 𝑞𝑤 qa = 0.1807 m3/seg x m 𝑌𝑝 1.5 ( ) 𝑌𝑛 ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 16 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE 𝑄𝑎 = 𝑞𝑎 𝐵 Qa = 0.2078 m3/seg Según la formula: 𝑃 𝜌𝑎 𝐿 𝑉𝑎 2 = (𝐾𝑒 + 𝑓 + 𝐾𝑏 + 𝐾𝑒𝑥 ) 𝛿 𝜌𝑤 𝐷 2𝑔 Considerando: L= 1 m f= 0.02 tuberia de acero 𝑃 = 𝛿 0.04 m 𝑝𝑎 = 𝑝𝑤 0.0012 para aire 20c° Ke = 0.5 Kb = 1 Kex = 1 1 𝑄𝑎 = 4 𝜋𝐷2 𝑉𝑎 Va = 0.264610874 1/D2 𝑉𝑎2 = 0.003568 1/D4 2𝑔 Diametro del agujero sera : D= 0.1298 m. 1 Determinamos el área : 𝐴 = 4 𝜋𝐷2 A = 0.01323 m2. TUBERIA UTILIZADA DIAMETRO AREA (m2) 1" 0.00050671 1.5" 0.00114249 2" 0.00202683 3" 0.00456038 4" 0.00810734 6" 0.01824151 8" 0.03242935 10" 0.05067087 12" 0.07296605 AREA = 2 (4”) + 0 (15”) = 0.016214677 m2 ok!!! ESTA AREA EQUIVALE APROXIMADAMENTE A TUBOS DE 4" y 0 TUBO DE 1.5" ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 17 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE Estos tubos se colocarán De manera que conecten la cámara de aire de la caída con el espacio exterior. CARACTERISTICAS DE LA CAIDA VERTICAL – Canal Chaquin. Criterios de Diseño de Gradas: Datos: Proyectar un desnivel en forma de gradas siendo éstas de 0.5, 0.30, 0.8, 0.5 y la 3 última de 0.40 m en un canal de 2.00 m de anchura, cuyo gasto es de 1.4 m /s, de tal manera que entre grada y otra se asegure la formación perfecta del flujo supercrítico que sigue a cada grada, el canal aguas arriba y aguas abajo tiene pendiente 1º/oo y es de tierra. Fig. 04: Diagrama de Gradas ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 18 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE Es lógico suponer que en la sección 1 se va a producir un tirante crítico cuyo valor es: 𝑄 1.4 =𝑏= 2 3 = 0.7 m /s x m Luego: Yc = 0.368 m El análisis hidráulico consiste en llegar a determinar la longitud necesaria para grada y grada siendo necesario confeccionar el siguiente cuadro: - Columna 1: Número de grada. - Columna 2: Altura de grada. - Columna 3: Resulta de dividir la altura de grada entre el tirante crítico que se produce en la primera grada, es decir en el punto 1 y cuyo valor es de 0.368 m. - Columna 4: En la grada 1: se tiene: Agua arriba: Yc = Yo = 0.368 Aguas abajo: Y1= tirante de flujo supercrítico y a la vez es el valor Yo aguas arriba de la segunda grada. En la primera grada se tiene: 𝑌0 0.368 𝑋0 = = =1 𝑌𝐶 0.368 Con este valor y la respectiva altura de grada se entra el gráfico de la Fig. 05, obteniéndose con: Xo = 1 y K = 1.359 el valor 𝑌1 = 0.53 ∴ 𝑌1 = 0.53 𝑥 0.369 = 0.196 𝑌0 Y1= 0.196 m ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 19 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE - Columna 5: Sería el valor Xo = 1 - Columna 6: El valor obtenido en la Fig. 05 𝑌1 = 0.53 𝑌0 - Columna 7: Sería el valor: Y1 = 0.53 x 0.369 Y1= 0.196 m Desde la columna 4 hasta la columna 7, la operación se repite de la siguiente manera: En la grada 2: tenemos: Yo = 0.196 Xo = 0.196 / 0.368 = 0.533 y K = 0.815 𝑌1 = 0.91 𝑌0 𝑌1 = 0.178 𝑚 En la grada 3: tenemos: Yo = 0.178 Xo = 0.178 / 0.368 = 0.484 y K = 2.174 𝑌1 = 0.02 𝑌0 𝑌1 = 0.146 𝑚 En la grada 4: tenemos: Yo = 0.146 Xo = 0.146 / 0.368 = 0.397 y K = 1.359 𝑌1 = 1.05 𝑌0 𝑌1 = 0.153 𝑚 En la grada 5: tenemos: Yo = 0.153 Xo = 0.153 / 0.368 = 0.416 y K = 1.087 𝑌1 = 1.05 𝑌0 𝑌1 = 0.16 𝑚 ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 20 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE Fig. 05: Gradas de Bajadas Antecedidas y Seguidas de Flujo Supercrítico Fig. 06: Distancia entre Gradas en Flujo Supercrítico ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 21 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE - Columna 8 y 9: se obtiene de la Fig. 06 Grada 1: K = 1.359 Xo = 1.0 Se obtiene: d / Yc = 3.3 d = 3.3 x 0.368 d = 1.21 m Grada 2: K = 0.815 Xo = 0.533 Se obtiene: d / Yc = 3.4 d = 3.4 x 0.368 d = 1.25 m Grada 3: K = 2.174 Xo = 0.484 Se obtiene: d / Yc = 5.3 d = 5.3 x 0.368 d = 1.95 m Grada 4: K = 1.359 Xo = 0.397 Se obtiene: d / Yc = 4.8 d = 4.8 x 0.368 d = 1.77 m Grada 4: K = 1.087 Xo = 0.416 ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 22 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE Se obtiene: d / Yc = 4.2 d = 4.2 x 0.368 d = 1.55 m Fig. 07: Esquema N° 01 En la grada 5 la situación es la siguiente: - El tirante conjugado menor es: 0.16 Luego: A = 0.15 x 2 2 A = 0.50 m V = 4.67 m/s - El tirante conjugado mayor será: 0.16 0.162 2𝑥0.16𝑥4.622 𝑌2 = − + √ + 2 4 9.81 Y2 = 0.77 m V2 = 0.91 m/s - Longitud del resalto: Lr = 6 (Y2 – Y1) Lr = 4.50 m - Profundidad del Colchón: Si: b = 2.0 m n = 0.025 S = 0.001 Z = 0 (rectangular) 3 Q = 1.4 m /s ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 23 SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE El tirante normal Yn es: Yn = 0.91 m Vn = 0.77 m/s La situación final sería: Fig. 08: Esquema N° 02 Como Yn > Y2 en 0.19 m no es necesario colchón o poza, pero por seguridad podría considerarse una profundidad de colchón de unos 0.3 ó 0.25 m, según criterio del diseñador. 7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS: [1] Dirección de Estudios de Proyectos Hidráulicos Multisectoriales – ANA (Autoridad Nacional del Agua). MANUAL: CRITERIOS DE DISEÑOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HIDRICO – PDF. Consultado el 07/01/2018 y obtenido de: http://www.ana.gob.pe/media/389716/manual-dise%C3%B1os-1.pdf. [2] Civilgeeks.com. OBRAS HIDRAULICAS I – PDF. Consultado el 07/01/2018 y obtenido de: https://civilgeeks.com/2012/08/23/descargar-libro-de-obras-hidraulicas-i/. [3] UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO , TESIS: “EVALUACIÓN DE FENOMENOS HIDRAULICOS EN EL CANAL CHAQUIN DEL SISTEMA DE RIEGO DEL VALLE DE VIRU PRIMER TRAMO”– PDF. Consultado el 07/01/2018 y obtenido de: http://repositorio.upao.edu.pe/bitstream/upaorep/1142/1/ESPIR_JAN_FEN%C3%9 3MENOS_HIDR%C3%81ULICOS_CHAQU%C3%8DN.pdf ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL - UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 24