Diseño Hidráulico de Disipadores de Energía Para Alcantarillas y Canales

DISEÑO DE DISIPADOR DE ENERGÍAEn muchas circunstancias, los vertidos de las alcantarillas y canales pueden causar problemas de erosión. Para mitigar esta erosión, descargue energía puede disiparse antes de la liberación de aguas abajo. El objetivo de esta circular es proporcionar procedimientos de diseño para los diseños disipador de energía para aplicaciones de carretera. Los primeros seis capítulos de esta circular ofrece información general que se utiliza para apoyar los capítulos restantes de diseño. Capítulo 1 (este capítulo) discute el marco de análisis global que se recomienda y proporciona una matriz de disipadores disponibles y sus limitaciones. Capítulo 2 ofrece una visión general de los riesgos de erosión que existen en ambas entradas y salidas. Capítulo 3 proporciona un enfoque más preciso para el análisis de velocidad de salida que se encuentra en HDS 5. En el capítulo 4 se describen los procedimientos para el cálculo de la profundidad y la velocidad a través de las transiciones. El capítulo 5 proporciona los procedimientos de diseño para calcular el tamaño de los agujeros de erosión en los puntos de la alcantarilla. Capítulo 6 proporciona una visión general de los saltos hidráulicos, que son una parte integral de muchos disipadores. Para algunos sitios, la disipación de energía apropiado se puede lograr mediante el diseño de una transición de flujo (Capítulo 4), anticipando un foso de erosión aceptable (Capítulo 5), y / o permitiendo un salto hidráulico dado suficiente aguas abajo (capítulo 6). Sin embargo, en muchos otros sitios pueden requerir diseños disipador más involucrados. Estos se agrupan de la siguiente manera: Disipadores Internos (Capítulo 7) • Stilling Cuencas (capítulo 8) • Streambed Nivel Disipadores (Capítulo 9) • Riprap Cuencas y Delantales (Capítulo 10) • estructuras de caída (Capítulo 11) • Stilling Wells (Capítulo 12) Diseñadores de primera vez deben familiarizarse con el procedimiento de diseño de disipador de energía se recomienda que se trata en este capítulo. La mayor parte de la información presentada se ha tomado de la literatura y adaptado.1.Los diseños incluidos se detallan en la Tabla 1. disipador de energía y diseños de protección de canal como un sistema integrado. profundidad y estabilidad canal) son consideraciones importantes en el diseño de disipador de energía. Algunas estructuras de control de los desechos representan pérdidas normalmente no considerados en el procedimiento de diseño alcantarilla. Condiciones del canal aguas abajo (velocidad. y un estudio de campo se realizó para determinar la práctica actual y la experiencia de los Estados. . Una combinación de disipador y de protección de canal puede ser utilizado para resolver problemas específicos.1 para determinar el tipo de disipador de usar e ir directamente al capítulo correspondiente. Los recientes resultados de investigación han sido incorporados. La velocidad puede ser aumentada o reducida por los cambios en el diseño de la alcantarilla. en caso necesario. para satisfacer las necesidades de autopista. siempre que sea posible. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE DISIPADOR ENERGÍA El diseñador debe tratar a la alcantarilla. Disipadores de energía pueden cambiar el rendimiento de la alcantarilla y los requisitos de protección del canal. Los diseñadores experimentados pueden usar la Tabla 1. Energy Dissipators and Limitations 1 Chapter 4 5 6 7 7 7 7 7 7 8 8 8 9 9 9 9 10 10 11 11 12 1 Dissipator Type Flow transitions Scour hole Hydraulic jump 2 Tumbling flow 3 Increased resistance USBR Type IX baffled apron Broken-back culvert Outlet weir Outlet drop/weir USBR Type III stilling basin USBR Type IV stilling basin SAF stilling basin CSU rigid boundary basin Contra Costa basin Hook basin USBR Type VI impact 4 basin Riprap basin 8 Riprap apron 5 Straight drop structure 6 Box inlet drop structure USACE stilling well Allowable Debris Froude 7 Tailwater Silt/ Number Boulders Floating (Fr) (TW) Sand na H H H Desirable na H H H Desirable >1 H H H Required >1 M L L Not needed na M L L Not needed <1 M L L Not needed >1 2 to 7 3. L = low.5 to 6 M M M L L L L M M Desirable Not needed Not needed 4. M = moderate.1.5 to 17 M L M Required 2. M = moderado.5 M L M Required 1.7 m (12 ft) de punto de liberación 7 En de alcantarilla o canal 8Culvert suba inferior o igual a 1.500 mm (60 en) na = no aplicable . H = heavy 1 Debris señala: N = ninguno.Table 1.7 to 17 M L M Required <3 M L M Not needed <3 1.8 to 3 H H M M M M < 0. L = bajo. H = pesada pendiente 2 Bed debe estar en el rango de 4% <S0 <25% 3 Ver cabecera de control de salida 4 Discharge. Q <11 m3 / s (400 ft3 / s) y la velocidad.5 to 4.5D Not needed na M L L Desirable <3 na <1 <1 na H H H H M H H L L L H H M M N Not needed Not needed Required Required Desirable Debris notes: N = none. V <15 m/s (50 ft/s) 5 Drop <4.6 m (15 ft) 6 Drop <3. y puede incluir una estructura de control escombros. y la salida número de Froude. se discute en el Capítulo 3. HDS 5 (Normann. longitud. rugosidad. b. TW. Q. CMP. etc. Disipadores de energía deben ser consideradas como parte de un sistema de diseño más amplio que incluye una alcantarilla o una rampa. profundidad de salida.El procedimiento de diseño disipador de energía. L. altura. n. caudal de diseño. RCP. pendiente. D. yo. V. y la velocidad. et al. muestra los pasos de diseño recomendadas. Alcantarilla de datos: El diseño alcantarilla debe proporcionar: tipo (RCB. V o. y. velocidad de salida. a.). que se ilustra en la Figura 1. Datos de transición: las transiciones de flujo se discuten en el Capítulo 4. Identificar y recopilar datos de diseño. B. 2001) proporciona procedimientos de diseño de alcantarillas.1. Gran parte de los datos de entrada estarán disponibles para la fase de diseño de disipador de energía a partir de los esfuerzos de diseño anteriores. aguas abajo. Para la mayoría de los diseños de alcantarilla. anchura. Paso 1. a la salida de las combinaciones de pared / delantal ala estándar . Velocidad de salida de la alcantarilla. tipo de control (entrada o salida). Fro. los requisitos de protección del canal (tanto aguas arriba y aguas abajo).. Así que. el diseñador tendrá que determinar la profundidad de flujo. El diseñador debe aplicar el siguiente procedimiento de diseño de un canal de drenaje / alcantarilla y su estructura asociada a la vez. V o. se define por el ancho de fondo. y pendiente lateral. et al. Ls. los valores necesarios son la resistencia al cizallamiento saturada. B. et al. y la velocidad normal. la longitud. puede ser limitado por un borde de la roca o la vegetación. El tamaño y la cantidad de desechos deben estimarse utilizando HEC 9 (Bradley. 2005).. banco y cama rugosidad. y la longitud. Estas estimaciones deben basarse en los límites físicos a recorrer en el sitio. yn = TW. Para suelos no cohesivos. el diseñador debe determinar si el material de la cama a la salida prevista de la alcantarilla es erosionable. h s. PI. y el índice de plasticidad. L s.c. alcantarilla. d. se necesita una distribución de tamaño de grano incluyendo D16 y D84. n. Canal de datos: Los siguientes datos de canal se utiliza para determinar la TW para el diseño de alcantarilla: descarga de diseño. Q. que se expresa como 1 unidad vertical a las unidades Z horizontal (1V: zh). Evaluación de la Estabilidad: El canal. JB. el posible alcance de la erosión se debe estimar: profundidad. y estructuras relacionadas deben ser evaluados para la estabilidad teniendo en cuenta el potencial de . Z. HDS 4 (Schall. Vn. 2001) proporciona ejemplos de cómo calcular la profundidad normal en los canales. Si es así. Sv. geometría sección transversal. Los siguientes parámetros de suelos en la zona de puntos de venta de alcantarilla prevista deberían ser proporcionados. Scour admisible Estimado: En el campo. Si la sección transversal es un trapecio. Para suelos cohesivos.. Ws. e. pendiente S 0. Por ejemplo. El tamaño y la cantidad de carga de fondo deben ser estimados. profundidad normal. ancho. y comparar con la velocidad canal descendente. Otra opción es modificar la alcantarilla o conducto (canal) diseño tal que las condiciones de salida se mitigan. Comparar los datos de diseño identificados en el paso 1. V n. Paso 4. el diseñador debe evaluar disipadores de energía (paso 4). Definición de los términos "aproximadamente iguales". Vo. "moderadamente más alto" y "sustancialmente superior" es relativa a las preocupaciones específicas del lugar. Calcule el desagüe de fondo las dimensiones del agujero utilizando los procedimientos descritos en el Capítulo 5. Si el tamaño del agujero de la socavación es aceptable.erosión. cizalla. Si la velocidad es sustancialmente mayor y / o el orificio de la socavación de la etapa 3 es inaceptable. así como la flotabilidad. Sin embargo. y superior al 30 por ciento. el diseñador debe documentar el tamaño del foso de erosión esperada para el mantenimiento y tenga en cuenta los requisitos de seguimiento. Paso 3. Si la velocidad es moderadamente alto. respectivamente. Evaluar velocidades. y otras fuerzas en la estructura (véase el capítulo 2). Calcule alcantarilla o velocidad de salida rampa. Si el canal. Evaluar desagüe de fondo del agujero. la mayoría de los diseños están en este grupo . la profundidad de la degradación o la altura de agradación que ocurrirá en la vida de diseño de la estructura deben ser estimadas. como la sensibilidad del sitio y las consecuencias del fracaso. Paso 2. el diseñador puede evaluar la reducción de la velocidad en el barril o rampa (véase el Capítulo 3) o la reducción de la velocidad con un foso de erosión (paso 3). entre 10 y 30 por ciento. el diseñador debe evaluar disipadores de energía (paso 4). (Vea el Capítulo 3. alcantarilla. y estructuras relacionadas se evalúan como inestables. Fr<3. el diseño de la alcantarilla es aceptable. Diseño Energía Alternativa Disipadores. Si el tamaño del agujero de la socavación es excesivo. se pueden utilizar como directrices en bruto que se debe volver a evaluar de forma específica del sitio de los rangos de menos de 10 por ciento.) Si la velocidad de salida y la profundidad de flujo se aproximan a la condición de flujo natural en el canal descendente. Fr> 3. El salto hidráulico se puede ilustrar mediante el uso de un diagrama de energía específica. la energía específica disminuye. . el flujo de volteo. las condiciones del canal aguas abajo. SALTO HIDRÁULICO El salto hidráulico es un fenómeno natural que se produce cuando el flujo supercrítico se ve obligado a cambiar a flujo subcrítico por una obstrucción al flujo. Comparar las alternativas de diseño y seleccione el disipador que tiene la mejor combinación de la reducción de costes y la velocidad. y USBR Tipo VI cuenca de impacto de escombros. El diseñador debe documentar las alternativas consideradas. cuenca USBR Tipo III aquietar. es la predominante. El flujo entra en el salto a una velocidad supercrítica. que tiene una energía específica de E = y 1 + V12 / (2g). Seleccione Energía Disipadora. sitio condiciones y costos también deben ser considerados en la selección de diseños alternativos.1. El término de energía cinética. A medida que la profundidad de la corriente aumenta a través del salto. y1. como se muestra en la Figura 6. V 2 / (2 g). V1. Flow sale de la zona de salto a una velocidad subcrítico con la energía potencial. Paso 5.2. USBR Tipo IV cuenco amortiguador. Cada situación es única y el ejercicio de los criterios de ingeniería siempre será necesario. y. y la profundidad. predominante. SAF cuenco amortiguador. Este cambio abrupto en la condición de flujo está acompañado por una considerable turbulencia y la pérdida de energía. 0. La superficie del agua es bastante suave. Fr. la velocidad uniforme en toda la sección transversal. y la pérdida de energía en el intervalo de 20 por ciento. 1987) ha relacionado el formulario salto y caudal características al número de Froude para números de Froude mayores a 1. acercarse 1. Para los números de Froude mayor que 1.7. el flujo aguas arriba es sólo ligeramente por debajo de la profundidad crítica y el cambio de flujo supercrítico a subcrítico se traducirá en sólo una ligera perturbación de la superficie del agua. pero menos de 1.5. En el extremo superior de este rango. el flujo es crítico y en un salto no puede formar. Cuando el número de Froude de aguas arriba es de entre 1. cada vez más intenso como el número de Froude aumenta.7.0. Este es el rango prejump con la pérdida de energía muy bajo. como se muestra en la Figura 6. Hydraulic Jump 6. la profundidad aguas abajo será aproximadamente el doble de la profundidad de entrada y la velocidad de salida de la mitad de la velocidad de la corriente.7.1 TIPOS DE SALTO HIDRÁULICO Cuando el número de Froude aguas arriba. .Figure 6.1. el P.7 y 2. es 1. La Oficina de Reclamaciones (USBR.2. un rodillo comienza a aparecer. pero la superficie del agua áspera puede causar problemas de erosión aguas abajo.0 la superficie del agua aguas abajo es relativamente suave. Jump Forms Related to Froude Number (USBR. El chorro entrante fluye alternativamente cerca de la parte inferior y luego a lo largo de la superficie. . se produce un salto muy eficiente. y para los números de Froude hasta 9.Figure 6. Jump pérdida de energía de 45 a 70 por ciento se puede esperar. Con números de Froude mayores a 9. Un salto bien equilibrado y estable se produce cuando el número de Froude flujo de entrada es mayor que 4. Esto da lugar a ondas de superficie objetables que pueden causar problemas de erosión aguas abajo del salto.5. 1987) Una forma oscilante de salto se produce para los números de Froude entre 2.5. La turbulencia del fluido se limita principalmente al salto.2.5 y 4.0. Figura 6. Una vez que se conocen. Se necesitan expresiones para calcular la relación antes y después de la profundidad de salto (profundidades conjugadas) y la longitud de salto para diseñar disipadores de energía que inducen un salto hidráulico. un canal puede ser considerado horizontal hasta una pendiente de 18 por ciento (10 grados de ángulo con la horizontal) sin introducir error grave. y la velocidad aguas abajo. y 2.2 SALTO HIDRÁULICO EN CANALES HORIZONTALES El salto hidráulico en cualquier forma de canal horizontal es relativamente simple para analizar (Sylvester.5 a 4.5. es decir. El cambio en el momento de la corriente que entra y que sale es equilibrado por la resultante de las fuerzas que actúan sobre el volumen de control. que durante muchas alcantarillas cae dentro del intervalo de 1. Estas expresiones se refieren a la alcantarilla de salida número de Froude. las pérdidas de energía externas (fuerzas de fricción de contorno) pueden ser ignorados sin introducir error grave. lo suficientemente aguas abajo para el flujo a ser de nuevo toma como paralelo. la presión y las fuerzas de fricción de contorno. La ecuación de momento ofrece para solución de la profundidad consecuente. 6. Distribución de la presión en ambas secciones se supone hidrostática. donde el flujo es sin perturbaciones. V2. También. 1964). La sección de control 1 es antes del salto.El salto hidráulico ocurre comúnmente con las condiciones de flujo naturales y con un diseño adecuado puede ser un medio eficaz para disipar la energía en las estructuras hidráulicas.3 indica el volumen de control utilizado y las fuerzas involucradas. . Dado que la longitud del salto es relativamente corta. las pérdidas de energía interna y la eficiencia de salto se pueden determinar mediante la aplicación de la ecuación de la energía. y la sección de control 2 es después del salto. Q = descarga de canal. da: A1 K1 y1 .A2 K2 y2 = Fr12 A1 y1 (A1 /A2 -1).1/A1) Q2/g Reorganizar y utilizando Fr12= V12/ (gy1) = Q2 / (A12gy1). el siguiente se puede escribir: Q2 / (gA1) + A1Y1 = Q2 / (gA2) + A2Y2 (6. m 2 (ft2) Y1.Figure 6. m (ft) La profundidad de la superficie del agua para el centroide del área de sección transversal puede ser definida como una función de la forma de canal y la profundidad máxima: Y = Y En esta relación. Hydraulic Jump in a Horizontal Channel La forma general de la ecuación de momento se puede utilizar para la solución del salto hidráulico relación consecuente profundidad en cualquier forma de canal con un suelo horizontal.1 y reordenando términos se obtiene: A1 K 1 y1 . m3 / s (ft3 / s) A1. Dividiendo esta por A1 y1 ofrece: K2 A2 y2 / (A1 y1) .A2 K2 y2 = (1/A2 . M = Q2 / (GA) + AY y reconociendo que el momento se conserva a través de un salto hidráulico. K es un parámetro que representa la forma de canal mientras que Y es el profundidad máxima en el canal. Y2 = profundidad desde la superficie del agua al centroide de área de sección transversal.A1 /A2) (6.3.1) Donde. Definición de una cantidad impulso a medida. A2 = zonas de flujo transversal en las secciones 1 y 2.2) . respectivamente. Sustituyendo esta cantidad en la ecuación 6.K1 = Fr12 (1 . 3. trapezoidales y por Sylvester (1964). En este rango. la profundidad conjugado es aproximadamente tres veces la profundidad de flujo entrante. la pérdida de energía es menor que 20 por ciento. sustituyendo K 1 = K2 = 1/2 y A1 / A2 = y1 / y2 en la ecuación 6. parabólicas. Stilling diseño cuenca es una aplicación común para los saltos hidráulicos en canales rectangulares (véase el capítulo 8).5. y. Esta es sin duda una de las razones por lo que muchas fórmulas empíricas para determinar la longitud del salto se encuentran en la literatura. pero pueden requerir protección como escollera y ala paredes y delantal. La longitud salto para cuencas rectangulares se ha estudiado ampliamente. 6. La longitud del salto hidráulico puede determinarse a partir de la Figura 6.y1 / y2) Si y2 / y1 = J.7 y 2. en general. Para los números de Froude entre 1. rectangular se convierte Ecuación 6.4. pero debido a las características económicas y de rendimiento que están.Esta es una expresión general para el salto hidráulico en un canal horizontal. triangular.7 pueden no requerir tanques de sedimentación. que se representa como en la Figura 6.5.1 Canales rectangulares Para un canal rectangular. sólo se emplean en el rango inferior de los números de Froude. la expresión se convierte en: y22 / Y12 -1 = 2Fr12 (1 . Las constantes K1 y K2 y la relación A1 / A2 se han determinado para canales en forma rectangular. Los flujos con números de Froude inferiores a 1. la longitud de . Cuencas libre Saltar pueden ser diseñados para las condiciones de flujo. la expresión para un salto hidráulico en un canal horizontal. circulares. la cuenca del salto libre puede ser todo lo que se requiere. Los errores pueden ser introducidos en la determinación de la longitud desde la superficie del agua es más bien plana cerca del final del salto.2. Las relaciones de formas rectangulares y circulares se resumen en las siguientes secciones. La longitud del salto se mide a la sección aguas abajo en la que la superficie media de agua alcanza la profundidad máxima y se convierte en razonable nivel.2. Figure 6. el uso de deflectores y umbrales hacen posible reducir la longitud cuenca y estabilizar el salto sobre una gama más amplia de situaciones de flujo.la cuenca requerida es menor de aproximadamente 5 veces la profundidad conjugado.4. Rectangular Channel . Hydraulic Jump . Muchas alcantarillas de carreteras operan en este rango de caudal.Horizontal. En números de Froude más altos. Length of Jump for a Rectangular Channel 6.7 es el gráfico de diseño para canales horizontales y circulares utilizando la profundidad hidráulica en el cálculo del número de Froude.980 0.424 0.917 0.Figure 6. Para la segunda expresión.1.500 0. Coefficients for Horizontal.432 0. Circular Channels Y/D K C C’ 0. Para y2 menos de D: Para y2 mayor o igual a D: C y K son funciones de a / D y pueden ser evaluados de la Tabla 6.1.445 0.393 0. y donde y2 es menor que D. A es el área de la sección transversal de flujo y T es la anchura de la superficie del agua.600 En las ecuaciones 6. C 'se toma de la tabla 6.6 0.2. Figura 6.4 0.748 0.745 0.5.3 0.000 0.1.800 0.800 0.1 0.198 0.917 0.419 0.587 0.494 0.8 0. el diseñador puede calcular un número de Froude basado en la profundidad hidráulica.9 1. La longitud del salto hidráulico se mide generalmente a la sección aguas abajo en la que la media de la superficie del agua alcanza la profundidad máxima y se convierte razonablemente nivel.600 0. Table 6. La longitud del salto en los canales circulares se determina utilizando la figura 6.674 0. Figura 6.2 0.041 0. Esta curva es para el caso .980 1. Por primera expresión.410 0.112 0.293 0.6 se puede utilizar como una alternativa a estas ecuaciones.0 0. Fr 1 se calcula utilizando la profundidad máxima en el canal.5 0.416 0.4 y 6.462 0. = V / (gym) 1/2 . Fr m. D. Donde ym = (C/C ') D o ym = A / T. Alternativamente.473 0.5.413 0.7 0.2 Canales circulares Canales circulares se dividen en dos casos: cuando y 2 es mayor que el diámetro.8. LJ = 7 (y1 y2). es decir.donde y2 es menor que D. i. Circular Channel (actual depth) . Figure 6.e. Hydraulic Jump . la longitud debe ser tomado como siete veces la diferencia de profundidades.. Para el caso en que y 2 es mayor que D.Horizontal.6. Horizontal.7. Jump Length Circular Channel with y2 < D 6.3 Salto de Eficiencia Una expresión general para la pérdida de energía (HL / H1) en cualquier canal de forma es: Donde. Hydraulic Jump . Circular Channel (hydraulic depth) Figure 6.Figure 6. Frm = número de Froude aguas arriba en la sección 1.2.8. FRm 2 = V2 / (gym) ym = profundidad hidráulico. m (ft) . la ecuación de momento se convierte en: . Figure 6. Relative Energy Loss for Various Channel Shapes 6.9 indica que las secciones no rectangulares son más eficientes para los números de Froude más altos. y una superficie del agua corriente abajo áspera.9. se debe recordar que estas secciones también implican ya saltos.10 (Bradley. Canales horizontales (caso A) se discutieron en la sección anterior. A pesar de que la figura 6. problemas de estabilidad.3 Salto hidráulico en los canales en pendiente Figura 6. 1961) indica un método de delinear saltos hidráulicos en canales horizontales e inclinadas.9.Esta ecuación se traza para las diversas formas de canales como la Figura 6. Canales inclinados se discuten en esta sección. Si se selecciona el fondo del canal como un dato. Este volumen puede despreciarse para pendientes inferiores a 10 por ciento y el salto analizado como un canal horizontal. Esta referencia debe ser consultada si se está considerando un salto hidráulico en un canal rectangular inclinado. 1961) llevó a cabo extensas pruebas con modelos en el caso B y tipo C salta para definir las relaciones de longitud y profundidad. N (lb) La ecuación de momento utilizado para los canales horizontales no puede ser aplicada directamente a saltos hidráulicos en pendiente canales ya que el peso del agua dentro del salto debe ser considerado. La dificultad encontrada es en la definición del perfil de la superficie de agua para determinar el volumen de agua dentro de los saltos para varias pistas de canal. m (ft) w = peso del agua en volumen de control salto. . Los ensayos con modelo se debe considerar si se están considerando otras formas de canal. El Oficina of Reclamaciones (Bradley. N / m3 (lb / ft3) φ = ángulo de canal con la horizontal B = anchura inferior del canal (canal rectangular).γ = peso unitario del agua. 10. Hydraulic Jump Types Sloping Channels (Bradley. 1961) .Figure 6.