FACULTAD DE INGENIERÍAESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL TRABAJO DE INVESTIGACION SIFONE INVERTIDO AUTOR: Arévalo Tuesta, PIERO ASESOR: Ing. Daniel Díaz Pérez CURSO Obras Hidráulicas TARAPOTO – PERÚ 2015 INDICE INTRODUCCION.............................................................................................. 1 GENERALIDADES............................................................................................ 2 DEFINICIÓN.................................................................................................... 2 EL SIFÓN (NORMAL):...................................................................................... 3 EL SIFÓN INVERTIDO:..................................................................................... 3 PARTES DE UN SIFÓN...................................................................................... 3 1. Desarenador......................................................................................... 4 2. Desagüe de excedencias;...................................................................5 3. Compuerta de emergencia..................................................................5 4. La rejilla............................................................................................ 6 5. Transición de entrada y salida;.........................................................7 6. Conducto........................................................................................... 8 7. Secciones Transsversal;........................................................................8 8. Velocidades........................................................................................... 9 9. Funcionamiento;................................................................................... 9 10. Registro para limpieza y válvula de purga;.....................................9 TIPOS DE SIFONES INVERTIDOS:...................................................................10 Ramas oblicuas.-................................................................................. 10 Pozo vertical.-..................................................................................... 11 Ramas verticales.-.............................................................................. 11 Con cámaras de limpieza.-..................................................................11 PERFIL DEL SIFON......................................................................................... 11 CRITERIOS DE DISEÑO.................................................................................. 12 TECNICA DE CONSTRUCCION.......................................................................12 FACTORES Y ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN DE SIFONES.........................13 SUELO....................................................................................................... 13 AGUA:........................................................................................................ 14 CARGAS POR PESO....................................................................................... 15 CARGAS DINÁMICAS.................................................................................. 15 VELOCIDADES........................................................................................... 15 DIÁMETRO MÍNIMO.................................................................................... 15 NÚMERO DE TUBERÍAS.............................................................................. 16 CRITERIOS DE DISEÑO PARA SIFON INVERTIDO............................................16 CALCULO HIDRAULICO:............................................................................. 16 .....................................23 ........................ Eleccion del diametro de la tuberia...... 19 CONCLUSIONES……………………………………………………………………………… …………………………………........22 RECOMENDACIONES………………………………………………………………………… ………………………………....1.........22 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS……………………………………………………………………………… ……………...................18 4..............17 2.......... Perdidas de cargas....................................................... Calculo de las transiciones.............. Verificación del ahogamiento en la entrada..............17 3.......................... En algunos será necesario analizar alternativas de conducto cubierto alcantarilla o sifón. Cursos del agua. pero si un sifón invertido. en el primer caso la solución será un acueducto. vías férreas u otro canal). Quebradas secas.INTRODUCCION En el recorrido de un canal. Sifón. necesidad de cruzar vías de comunicación (carreteras. Si la depresión fuera ancha y profunda y no se angostase hacia aguas arriba. pueden presentarse diversos accidentes y obstáculos como son: Depresiones del terreno. de rampas y escalones. Los canales que se diseñan en tramos de pendiente fuerte resultan con velocidades de flujo muy altas que superan muchas veces las máximas admisibles para los materiales que se utilizan frecuentemente en su construcción. siguiendo las . en el segundo caso se optara por un sifón invertido o un conducto cubierto. En el caso del cruce de un canal con una vía de comunicación dependerá de la importancia de la vía de comunicación como del tamaño del canal. podría no ser factible un acueducto. Diques. La solución mediante estructuras hidráulicas es: Acueductos. Fallas. para elegir si es preferible pasar el canal encima de la vía o por debajo de ella. Para controlar las velocidades en tramos de alta pendiente se pueden utilizar combinaciones variaciones del terreno. Igualmente en el caso de depresiones naturales será necesario analizar las diferentes alternativas enunciadas y decidir por la estructura más conveniente. Los sifones se diferencian de acueductos en que la sección del sifón se apoya directamente en las laderas de la depresión. por lo cual es necesario proyectar transiciones aguas arriba y abajo. Tanto en el ingreso y a la salida se instalan rejas para evitar el ingreso de troncos. siguen el perfil del terreno y sólo aprovechan la carga de agua para el movimiento del flujo. Los sifones son estructuras hidráulicas que se utilizan en canales para conducir el agua a través de obstáculos tales como un río. Podemos diferenciar dos tipos de sifones en cuanto al principio de su funcionamiento: Sifón (normal) y Sifón invertido. DEFINICIÓN Es una estructura utilizada para atravesar depresiones o vías de comunicación cuando el nivel de la superficie libre de agua del canal es mayor que la rasante del cruce y no hay espacio para lograr el paso de vehículos o del agua. Generalmente hay cambio de sección con respecto a los canales. GENERALIDADES 1. . una depresión del terreno u otro canal. malezas y otros.I. entonces la diferencia de presión entre la entrada (Presión atmosférica) y en el interior del conducto (Presión cero a próxima a cero) hace que el agua fluya en sentido ascendente al llegar a la cresta A.a) SIFON (NORMAL) b) SIFON INVERTIDO A) EL SIFÓN (NORMAL): Llamado simplemente sifón por la mayoría de los autores conduce él agua pasando sobre el obstáculo y su funcionamiento se debe a la presión atmosférica que actúa en la superficie del agua a la entrada. el agua cae por gravedad hacia la rama derecha dejando un vacío en la cresta lo que hace que el flujo sea continuo mientras no se introduzca aire en 'el conducto. para iniciar su funcionamiento es necesario producir el vacío en el interior del conducto. etc. constan de las siguientes partes: 1) Desarenador . PARTES DE UN SIFÓN Los sifones invertidos. una vía. por esta razón la entrada al sifón debe estar siempre ahogada. B) EL SIFÓN INVERTIDO: Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión y se utilizan para conducir aguas en el cruce de una tubería por una depresión topográfica en la que se ubica un canal. .2) 3) 4) 5) 6) 7) Desagüe de excedencias Compuerta de emergencia y rejilla de entrada Transición de entrada Conducto o barril Registro para limpieza y válvulas de purga Transición de salida No siempre son necesarias todas las partes indicadas pudiendo suprimirse algunas de ellas. evacuando el caudal que no pueda pasar por el sifón. Generalmente consiste en un . Desagüe de excedencias : Es una estructura que evita que el nivel del agua suba más de lo tolerable en el canal de llegada. que descargan a un canal con pendiente superior a la del propio canal. 2. se las recomienda hacerlos de las dimensiones convenientes para que pase el caudal por desalojar y unirlos al canal colector de la obra de excedencias. Conviene localizarlo antes de la transición de entrada. Sirven a la vez para desalojar el agua del sifón cuando por reparaciones en este sean cerradas compuertas o agujas de emergencia.1. Desarenador : Consiste en una o varias compuertas deslizantes colocadas en una de las partes laterales. Compuerta construcción de emergencia Por facilidad de se localizan a la entrada del conducto. o sea al finalizar la transición emergencia : consiste de en entrada. . una o La compuerta de varias compuertas deslizantes o agujas de madera que corren sobre ranuras hechas en las paredes laterales o en viguetas de hierro y que en un momento determinado pueden cerrar la entrada al conducto para poder hacer limpieza o reparaciones al mismo tiempo. Para el caudal normal la cresta del vertedor estará a nivel de la superficie libre del agua.vertedor lateral construido en una de las paredes del canal. 3. .27 (1" x 1/2"). Su objeto es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y objetos extraños que impidan el funcionamiento correcto del conducto.95 (3/8" x 3/8") colocados a cada 10 cm.54 x 1. La rejilla de entrada : Se acostumbra hacerla con varillas de 3/8" de diámetro o varillas cuadradas de 0.95 x 0.4. Y soldadas a un marco de 2. 5. Transición de entrada y salida : Como en la mayoría de los casos. la sección del canal es diferente a la adoptada en el conducto. En el diseño de una transición generalmente es aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifón un poco más debajo de la superficie normal del agua. es necesario construir una transición de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda. Esta práctica hace mínima la posible reducción de la capacidad del sifón causada por la introducción . Conducto : de los Forma la parte más importante y necesaria sifones. dejando un colchón mínimo de 1 m en las laderas y de 1. 6. . abertura esté La profundidad superior comprendida del entre de sifón sumergencia se de recomienda la que un mínimo de 1.1 hv y un máximo de 1.5 m en el cruce del cauce para evitar probables fracturas que pudieran presentarse debido a cargas excesivas como el paso de camionetas o tractores. Se recomienda profundizar el conducto.del aire. (hv = carga de velocidad).5 hv. con una relación H/B = 1. mientras que en sifones pequeños es de 1. Sección Circular. por lo tanto. esta cargas debe absorber todas las pérdidas . pueden en algunos casos proyectarse baterías de velocidades de conductos circulares.80 m. Funcionamiento : El sifón siempre funciona a presión. debe estar ahogado a la entrada y a la salida. 9. El sifón funciona diferencia de en el sifón por diferencia de cargas. Un sifón se considera largo. cuando su longitud es mayor que 500 veces el diámetro. Secciones Transsversal : Por cuestiones de construcción.5 Circulares LAS SECCIONES MÁS RECOMENDADAS SON: Sección Rectangular. 8. pueden ser: Cuadradas Rectangulares H/B = 1.25 y con una sección mínima de H=1.6 m/s. con un diámetro mínimo de 30".7.0 m y B=0. Velocidades en el conducto : Las diseño en sifones grandes es de 2 – 3 m/s. Algunas veces estas válvulas no se pueden colocar en la parte más baja del sifón por tratarse del fondo del cauce del río por salvar. habiendo necesidad cuando se presente el caso. evitar . de alguna bomba que succione el agua restante. para su limpieza o reparación. Registro para limpieza y válvula de purga : Se coloca en la parte más baja de los conductos. de las conveniente de Se usar pueden válvulas de compuerta dimensiones acuerdo con el que caudal se a estime desalojar. y consistirá en deslizante. permite evacuar el agua que se quede almacenada en el conducto cuando se para el sifón.10. para desalojar lodos. Estas válvulas se protegen por medio de un registro de tabique o concreto que llega hasta la parte superior del terreno. Deben abrirse gradualmente para aumentos de velocidades fuertes en las tuberías. para lo que se cuenta con suficiente desarrollo y en terrenos que no presenten grandes dificultades de ejecución. Ramas verticales. Pozo vertical. son preferidos para emplazamientos de poco desarrollo en caso de grandes dificultades constructivas.-lo mismo que pozos verticales.TIPOS DE SIFONES INVERTIDOS: Tipos de sifones invertidos: los principales son los que se indican a continuación Ramas oblicuas.-con una o dos ramas verticales. . Debido a sus características de fácil y reducido espacio..se emplea para cruces de obstáculos. son muy aconsejables. PERFIL DEL SIFON La facilidad de limpieza y las pérdidas de carga son dos aspectos que deben ser considerados para la definición del perfil del sifón. el sifón se proyecta para conducir el menor gasto y lo suficientemente profundo para no ser socavado. es de importancia fundamental que se procure proyectar el sifón con ángulos suaves que permitan la utilización de equipo simples para la limpieza y desobstrucción. El perfil de mayor uso es el que se asemeja a un trapecio con la base menor para abajo y sin la base mayor. Con cámaras de limpieza. principalmente cuando está cerca de centros poblados. CRITERIOS DE DISEÑO En el cruce de un canal con una quebrada.-tiene su aplicación en obras de cruce de vías subterráneas. 2. . 3. Así la elección del perfil sea función de las condiciones locales y del espacio para su implantación. siendo necesario el uso de rejillas pero con la desventaja de que puedan obturarse las aberturas y causar remansos. en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones un sifón constituye un peligro. Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura. Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse. En sifones relativamente largos. pendiente en el suelo. con un caudal de volumen apreciable. hasta que esté situado sobre el canal excavado previamente. TECNICA DE CONSTRUCCION La técnica de construcción siempre que el obstáculo a salvar este constituido por un arroyo o rio. . sigue alguno de los siguientes métodos: Se monta un andamio perpendicular a la dirección de la corriente. el sifón se instala sobre el andamio y luego se produce su descenso en bloque hasta que repose en un canal excavado con anterioridad para este propósito. es necesario conocer el gasto máximo de la creciente. se obturan ambos extremos. se recubre el exterior del sifón con hormigón proyectado o encofrado. se sueltan las boyas y se sumerge el sifón llenándolo con agua. de esta forma se consigue una protección suplementaria contra la corrosión. ángulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida. Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada. se conduce el sifón haciéndolo flotar mediante boyas. El sifón se monta en tierra. hasta que el peso del sifón compense su flotabilidad en el agua. El sifón previamente montado se suspende mediante grúas flotantes y se sumerge luego hasta reposar en la zanja excavada para tal fin. 4. se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento. además de hacerlos más fáciles de cuidar. Desde la orilla opuesta y mediante cables. Cuando existen quebradas poco anchas profundas conviene cruzadas con acueductos. pero cuando el cruce es ancho arriba y profundo en el centro muchas veces conviene proyectar un sifón invertido. el destino donde se usara el agua y la disponibilidad de la fuente de agua. por vehículos que circulan sobre una vía dispuesta en la prolongación teórica del eje del sifón. SUELO Selección del sitio: El diseño y construcción de sifones son indispensables. En el caso particular del cruce con una quebrada o río de régimen caudaloso. más seguros y económicos. deberá hacerse un estudio de profundidad de socavación para definir la profundidad en la que deberá cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin que esta sea afectada. Se ejecuta el montaje del sifón en una orilla del rio que constituye el obstáculo. II. La selección del sitio adecuado es clave para el éxito de la obra. Topografía: favorezca su desarrollo. este es remolcado hasta su emplazamiento definitivo. para asegurar el éxito de estas obras. A. FACTORES Y ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN DE SIFONES El diseño hidráulico de un sifón está gobernado por factores fundamentales tales como la topografía que favorezca su desarrollo. que permitan el flujo y factores económicos que determinen su viabilidad. . Debe tomarse en cuenta la topografía del terreno. condiciones de pérdidas de carga. la textura del suelo. Determinación del caudal medio anual y del caudal de probabilidad de ocurrencia 80%. determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructuras de sifón. Corrosión del material de construcción Caudal de captación Superficie y altura Se debe considerar un aliviadero de demasías y un canal de descarga inmediatamente aguas arriba de la transición de ingreso. esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseño se toma 1. .1 como mínimo o también 3”. AGUA: El volumen de agua en el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón. Antecedentes hidrológicos: Determinación de la crecida de probabilidad una vez en 10 años para dimensionar el desvío de construcción. Tipos de suelo: Arcilloso Franco arcilloso Arenoso Franco arenoso B. esté ligeramente debajo de la superficie normal del agua.5 veces la carga de velocidad del sifón o 1.También los estudios económicos y las consideraciones geológicas e hidrológicas. Geología regional: La magnitud del proyecto y la importancia necesidad de de las obras conocer las proyectadas características plantea la geológicas regionales del área. que faciliten la descripción en las ubicaciones de las principales estructuras hidráulicas. CARGAS POR PESO a) Peso muerto incluyendo tubería. por resonancia causada por excitaciones de maquinarias o del viento. CARGAS POR LA PRESIÓN DE DISEÑO Es la carga debido a la presión en la condición más severa. es necesaria la determinación minuciosa de los caudales de aguas Residuales afluentes al sifón. c) Cargas por impacto u ondas de presión. caídas bruscas de presión o descarga de fluidos. etc. d) Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presión. tales como los efectos del golpe de ariete. c) Efectos locales debido a las reacciones en los soportes E. G. VELOCIDADES Para obtener una buena auto-limpieza en el sifón. DIÁMETRO MÍNIMO . CARGAS DINÁMICAS a) Cargas por efecto del viento. por variaciones en las características del fluido. accesorios. b) Cargas sísmicas que deberán ser consideradas para aquellos sistemas ubicados en áreas con probabilidad de movimientos sísmicos. D. Para esto.C. ejercidas sobre el sistema de tuberías expuesto al viento. b) Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso. aislamiento. que por lo menos una vez por día propicie la auto-limpieza de las tuberías a lo largo del periodo de proyecto. el objetivo fundamental de un proyecto consiste en garantizar una condición de escurrimiento tal. F. interna o externa a la temperatura coincidente con esa condición durante la operación normal. cuando sea necesaria la ejecución de reparaciones y/o de sobstrucciones. Verificación del ahogamiento en la entrada Para hacer estos cálculos es necesario características distintas hidráulicas secciones.1 CRITERIOS DE DISEÑO PARA SIFON INVERTIDO CALCULO HIDRAULICO: Los cálculos hidráulicos necesarios para proyectar un sifón son los siguientes: 1. NÚMERO DE TUBERÍAS El sifón invertido deberá tener. 150mm. 2. esto es. I.Por tanto se recomienda un diámetro de 150 mm como diámetro mínimo. En el caso de existir grandes variaciones de caudal. como mínimo dos líneas. esto del se conocer las escurrimiento obtiene en aplicando sucesivamente las ecuaciones de Bernulli entre par de puntos. es recomendable que el diámetro mínimo del sifón tenga un valor similar al fijado para los colectores. Calculo de pérdida de cargas para determinar el desnivel necesario entre la entrada y la salida 4. a fin de hacer posible el aislamiento de una de ellas sin perjuicio del funcionamiento. H. . Calculo de las transiciones 3. Elección del diámetro de la tubería comprobando que la velocidad al interior este dentro de los límites aceptables 2. el número de líneas debe ser determinado convenientemente para garantizar el mantenimiento de la velocidad adecuada a lo largo del tiempo.Considerando que para tuberías de menor dimensión es mayor la posibilidad de obstrucción. 0 m/s v mínimo →1. Elección del diámetro de la tubería El diámetro de la tubería se determinará mediante la ecuación de continuidad para una gasto de terminado de modo que la velocidad del agua en el conducto este dentro de los limites recomendables para que no se produzcan sedimentación y erosión dentro del conducto. Calculo de las transiciones La función de las transiciones es cambiar gradualmente de la sección del canal a la sección del conducto. 2.5 m/ s Cuando el gasto que deberá conducir el sifón varía dentro de escoger un rango muy amplio no es posible una sola tubería que satisfaga las condiciones de velocidad citadas para diferentes valores del gasto. en estos casos se diseñara sifones con diferentes tuberías independientes para varios valores del gasto y a la entrada una cámara de repartición que conduce el agua hacia el conducto adecuado según el gasto.1. v máximo →3. Según especificaciones el Angulo α formado por el eje de la transición y la intersección del nivel del agua con el talud debe esta siguientes límites 12º 30’ a 22º 30’ α máximo →22 ° 30' α mínimo → 12° 30 ' dentro de los . b D + dctgθ− 2 2 tgα= L ' tg22 ° 30 =0.222 b D + dctgθ− 2 2 Lmax= 0.415 ' tg12 ° 30 =0.415 3.222 b D + dctgθ− 2 2 Lmin= 0. En sifones invertidos ahogamiento desde el no punto es de necesario vista de el su . Verificación del ahogamiento en la entrada En sifones tipo normal el ahogamiento tanto a la entrada como a la salida del conducto es indispensable ya que el funcionamiento se basa en producir dentro del conducto una presión inferior a la atmosférica. funcionamiento hidráulico. Perdida de carga por entrada al conducto c. Calculo de pérdidas de carga: En un sifón se presentan diferente s tipos de pérdidas de cargas.1( V 2 2 V 12 − ) 2 g 2g Donde: hTE : Perdida de carga por transición V1 : Velocidad en el inicio de transición V2 : Velocidad al final de la transición . Perdida de carga por fricción dentro del conducto d. a. Perdida de carga por transición de salida a. sin embargo es recomendable que trabaje ahogado sobre todo en la entrada para evitar que entren al conducto sólidos flotantes que puedan obstruirlo 4. Perdida de carga por transición en la entrada b. Perdida de carga por transición en la entrada se ha obtenido experimentalmente que es aproximada al decima parte del incremento de carga de velocidad entre los extremos de transición. hTE =0. Perdida de carga por entrada al conducto está pérdida se debe al cambio de dirección del movimiento del liquido para entrar al conducto depende de las condiciones geométricas de la entrada y de la velocidad de entrad del conducto. Está dado por la siguiente expresión: 2 he =k e ( V ) 2g Donde: hE : Perdida de carga en el conducto V1 : Velocidad del canal de entrada V2 : Velocidad del conducto Valores del coeficiente carga en la entrada ke para perdidas de .Este tipo de pérdida de carga no amerita más un análisis exacto puesto que su valor representa un porcentaje muy bajo respecto a la pérdida total de carga. b. La formula de Darcy es una de las usadas para determinar está pérdida de carga LV2 h f =f 2 dg Donde: he : P é rdida de carga por entrada al conducto V : velocidad en el conducto f : coeficiente de fricció n dependiendo al tipo de amterial y condiciones del conducto L:longitud del conducto d :diá metrointerior del conducto .c. Es ocasionada por el rozamiento entre partículas del liquido y la paredes del conducto por lo tanto depende la mayor o menor rugosidad de la superficie interior del conducto. Perdida de carga por fricción dentro del conducto es la componente más considerable de las pérdidas de cargas su valor representa hasta 70% de la pérdida total. 2( V 32 V 42 − ) 2 g 2g Donde: hTS : Pérdida de carga por transición de salida V 3 : velocidad en elinicio de latransición V 4 :velocidad al final de latransición CONCLUSIONES: Los sifones invertidos son económicos. hTS =0. Perdida de carga por transición de salida se ha obtenido experimentalmente que es aproximada las dos decimas partes del cambio de carga de velocidad entre los extremos de la transición de la salida. construcción y mantenimiento son factores que pueden hacer a un sifón invertido más factible que otra estructura. fáciles de diseñar y de construir y han demostrado tener una confiable capacidad de conducción. Los costos de diseño.d. . Sin embargo la pérdida de carga producida en un sifón invertido es mayor que en los otros sistemas de cruce (acueductos. RECOMENDACIONES Se recomienda a los sectores de riego realizar trabajos de limpieza del canal a fin de evitar el acumulamiento de sedimentos rocas y malezas de arbustos que podrían afectar el funcionamiento del sifón Realizar trabajos de mantenimiento de las tuberías de acero con pintura anticorrosiva expósita con el fin de evitar la corrosión. etc). . scribd.ec/libros/FACULTAD%20DE %20CIENCIAS%20MATEM%C3%81TICAS%20F%C3%8DSICAS %20Y%20QU%C3%8DMICAS/INGENIER%C3%8DA %20CIVIL/07/OBRAS%20HIDRAULICAS %20I/diseo_y_aspectos_constructivos_en_obras_de_arte.e-seia.pdf http://tesis.cl/archivos/DIA_Dupont_Final_V01.mx/digital/tesis/docs/3487/Capitulo3.pdf http://es.uson. BIBLIOGRAFIA http://www.bo/__ucp/agua_saneamiento/NORMA S/NB%20688%20AlcSan%20-%20abr2007/NB688%20AlcSan %20REGLAM%20RT-06.pdf http://www.pdf http://paap.sisman.gob.mmaya.edu.com/doc/167535473/SIFON-INVERTIDO .utm.I.