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DISEÑO DE DISIPADOR DE ENERGÍA
En 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)
Los diseños incluidos se detallan en la Tabla 1.1. Los diseñadores
experimentados pueden usar la Tabla 1.1 para determinar el tipo de disipador
de usar e ir directamente al capítulo correspondiente. 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, en caso necesario, para satisfacer las necesidades de autopista. Los
recientes resultados de investigación han sido incorporados, siempre que sea
posible, y un estudio de campo se realizó para determinar la práctica actual y la
experiencia de los Estados.
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE DISIPADOR ENERGÍA
El diseñador debe tratar a la alcantarilla, disipador de energía y diseños de
protección de canal como un sistema integrado. Disipadores de energía
pueden cambiar el rendimiento de la alcantarilla y los requisitos de protección
del canal. Algunas estructuras de control de los desechos representan pérdidas
normalmente no considerados en el procedimiento de diseño alcantarilla. La
velocidad puede ser aumentada o reducida por los cambios en el diseño de la
alcantarilla. Condiciones del canal aguas abajo (velocidad, profundidad y
estabilidad canal) son consideraciones importantes en el diseño de disipador
de energía. Una combinación de disipador y de protección de canal puede ser
utilizado para resolver problemas específicos.
Chapter Dissipator Type
Froude Number7
(Fr)
Allowable Debris 1
Tailwater(TW)
Silt/ Sand
Boulders Floating
4 Flow transitions na H H H Desirable5 Scour hole na H H H Desirable6 Hydraulic jump > 1 H H H Required7 Tumbling flow2 > 1 M L L Not needed7 Increased resistance3 na M L L Not needed
7USBR Type IX baffled apron
< 1 M L L Not needed
7 Broken-back culvert > 1 M L L Desirable7 Outlet weir 2 to 7 M L M Not needed7 Outlet drop/weir 3.5 to 6 M L M Not needed
8USBR Type III stilling basin
4.5 to 17 M L M Required
8USBR Type IV stilling basin
2.5 to 4.5 M L M Required
8 SAF stilling basin 1.7 to 17 M L M Required
9CSU rigid boundary basin
< 3 M L M Not needed
9 Contra Costa basin < 3 H M M < 0.5D9 Hook basin 1.8 to 3 H M M Not needed
9USBR Type VI impact basin4 na M L L Desirable
10 Riprap basin < 3 H H H Not needed10 Riprap apron8 na H H H Not needed11 Straight drop structure5 < 1 H L M Required11 Box inlet drop structure6 < 1 H L M Required12 USACE stilling well na M L N Desirable
Table 1.1. Energy Dissipators and Limitations
1Debris notes: N = none, L = low, M = moderate, H = heavy
1Debris señala: N = ninguno, L = bajo, M = moderado, H = pesada pendiente 2Bed debe estar en el rango de 4% <S0 <25%
3Ver cabecera de control de salida 4Discharge, Q <11 m3 / s (400 ft3 / s) y la velocidad, V <15 m/s (50 ft/s) 5Drop <4,6 m (15 ft)6Drop <3,7 m (12 ft) de punto de liberación 7En de alcantarilla o canal 8Culvert suba inferior o igual a 1.500 mm (60 en)
na = no aplicable
El procedimiento de diseño disipador de energía, que se ilustra en la Figura
1.1, muestra los pasos de diseño recomendadas. El diseñador debe aplicar el
siguiente procedimiento de diseño de un canal de drenaje / alcantarilla y su
estructura asociada a la vez.
Paso 1. Identificar y recopilar datos de diseño. Disipadores de energía deben
ser consideradas como parte de un sistema de diseño más amplio que incluye
una alcantarilla o una rampa, los requisitos de protección del canal (tanto aguas
arriba y aguas abajo), y puede incluir una estructura de control escombros.
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.
a. Alcantarilla de datos: El diseño alcantarilla debe proporcionar: tipo (RCB,
RCP, CMP, etc.); altura, D; anchura, B; longitud, L; rugosidad, n; pendiente, Así
que; caudal de diseño, Q; aguas abajo, TW; tipo de control (entrada o salida);
profundidad de salida, yo; velocidad de salida, Vo; y la salida número de
Froude, Fro. Velocidad de salida de la alcantarilla, Vo, se discute en el Capítulo
3. HDS 5 (Normann, et al., 2001) proporciona procedimientos de diseño de
alcantarillas.
b. Datos de transición: las transiciones de flujo se discuten en el Capítulo 4.
Para la mayoría de los diseños de alcantarilla, el diseñador tendrá que
determinar la profundidad de flujo, y, y la velocidad, V, a la salida de las
combinaciones de pared / delantal ala estándar
c. Canal de datos: Los siguientes datos de canal se utiliza para determinar la
TW para el diseño de alcantarilla: descarga de diseño, Q; pendiente S0;
geometría sección transversal; banco y cama rugosidad, n; profundidad normal,
yn = TW; y la velocidad normal, Vn. Si la sección transversal es un trapecio, se
define por el ancho de fondo, B, y pendiente lateral, Z, que se expresa como 1
unidad vertical a las unidades Z horizontal (1V: zh). HDS 4 (Schall, et al., 2001)
proporciona ejemplos de cómo calcular la profundidad normal en los canales.
El tamaño y la cantidad de desechos deben estimarse utilizando HEC 9
(Bradley, JB, et al., 2005). El tamaño y la cantidad de carga de fondo deben ser
estimados.
d. Scour admisible Estimado: En el campo, el diseñador debe determinar si el
material de la cama a la salida prevista de la alcantarilla es erosionable. Si es
así, el posible alcance de la erosión se debe estimar: profundidad, hs; ancho,
Ws; y la longitud, Ls. Estas estimaciones deben basarse en los límites físicos a
recorrer en el sitio. Por ejemplo, la longitud, Ls, puede ser limitado por un borde
de la roca o la vegetación. Los siguientes parámetros de suelos en la zona de
puntos de venta de alcantarilla prevista deberían ser proporcionados. Para
suelos no cohesivos, se necesita una distribución de tamaño de grano
incluyendo D16 y D84. Para suelos cohesivos, los valores necesarios son la
resistencia al cizallamiento saturada, Sv, y el índice de plasticidad, PI.
e. Evaluación de la Estabilidad: El canal, alcantarilla, y estructuras relacionadas
deben ser evaluados para la estabilidad teniendo en cuenta el potencial de
erosión, así como la flotabilidad, cizalla, y otras fuerzas en la estructura (véase
el capítulo 2). Si el canal, alcantarilla, y estructuras relacionadas se evalúan
como inestables, la profundidad de la degradación o la altura de agradación
que ocurrirá en la vida de diseño de la estructura deben ser estimadas.
Paso 2. Evaluar velocidades. Calcule alcantarilla o velocidad de salida rampa,
Vo, y comparar con la velocidad canal descendente, Vn. (Vea el Capítulo 3.) Si
la velocidad de salida y la profundidad de flujo se aproximan a la condición de
flujo natural en el canal descendente, el diseño de la alcantarilla es aceptable.
Si la velocidad es moderadamente alto, 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). Otra opción es
modificar la alcantarilla o conducto (canal) diseño tal que las condiciones de
salida se mitigan. Si la velocidad es sustancialmente mayor y / o el orificio de la
socavación de la etapa 3 es inaceptable, el diseñador debe evaluar disipadores
de energía (paso 4). Definición de los términos "aproximadamente iguales",
"moderadamente más alto" y "sustancialmente superior" es relativa a las
preocupaciones específicas del lugar, como la sensibilidad del sitio y las
consecuencias del fracaso. Sin embargo, respectivamente, 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, entre 10 y 30 por ciento, y
superior al 30 por ciento.
Paso 3. Evaluar desagüe de fondo del agujero. 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, el
diseñador debe documentar el tamaño del foso de erosión esperada para el
mantenimiento y tenga en cuenta los requisitos de seguimiento. Si el tamaño
del agujero de la socavación es excesivo, el diseñador debe evaluar
disipadores de energía (paso 4).
Paso 4. Diseño Energía Alternativa Disipadores. Comparar los datos de diseño
identificados en el paso
1. Fr<3, la mayoría de los diseños están en este grupo
2. Fr> 3, el flujo de volteo, cuenca USBR Tipo III aquietar, USBR Tipo IV
cuenco amortiguador, SAF cuenco amortiguador, y USBR Tipo VI cuenca de
impacto de escombros, las condiciones del canal aguas abajo, sitio condiciones
y costos también deben ser considerados en la selección de diseños
alternativos.
Paso 5. Seleccione Energía Disipadora. Comparar las alternativas de diseño y
seleccione el disipador que tiene la mejor combinación de la reducción de
costes y la velocidad. Cada situación es única y el ejercicio de los criterios de
ingeniería siempre será necesario. El diseñador debe documentar las
alternativas consideradas.
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. Este cambio abrupto en la condición de flujo está acompañado por una
considerable turbulencia y la pérdida de energía. El salto hidráulico se puede
ilustrar mediante el uso de un diagrama de energía específica, como se
muestra en la Figura 6.1. El flujo entra en el salto a una velocidad supercrítica,
V1, y la profundidad, y1, que tiene una energía específica de E = y1 + V12 / (2g).
El término de energía cinética, V2 / (2 g), es la predominante. A medida que la
profundidad de la corriente aumenta a través del salto, la energía específica
disminuye. Flow sale de la zona de salto a una velocidad subcrítico con la
energía potencial, y, predominante.
Figure 6.1. Hydraulic Jump
6.1 TIPOS DE SALTO HIDRÁULICO
Cuando el número de Froude aguas arriba, Fr, es 1,0, el flujo es crítico y en un
salto no puede formar. Para los números de Froude mayor que 1,0, pero
menos de 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. En el extremo superior
de este rango, el P. acercarse 1.7, 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.
La Oficina de Reclamaciones (USBR, 1987) ha relacionado el formulario salto y
caudal características al número de Froude para números de Froude mayores
a 1,7, como se muestra en la Figura 6.2. Cuando el número de Froude de
aguas arriba es de entre 1,7 y 2,5, un rodillo comienza a aparecer, cada vez
más intenso como el número de Froude aumenta. Este es el rango prejump con
la pérdida de energía muy bajo. La superficie del agua es bastante suave, la
velocidad uniforme en toda la sección transversal, y la pérdida de energía en el
intervalo de 20 por ciento.
Figure 6.2. Jump Forms Related to Froude Number (USBR, 1987)
Una forma oscilante de salto se produce para los números de Froude entre 2,5
y 4,5. El chorro entrante fluye alternativamente cerca de la parte inferior y luego
a lo largo de la superficie. Esto da lugar a ondas de superficie objetables que
pueden causar problemas de erosión aguas abajo del salto.
Un salto bien equilibrado y estable se produce cuando el número de Froude
flujo de entrada es mayor que
4.5. La turbulencia del fluido se limita principalmente al salto, y para los
números de Froude hasta 9,0 la superficie del agua aguas abajo es
relativamente suave. Jump pérdida de energía de 45 a 70 por ciento se puede
esperar.
Con números de Froude mayores a 9,0, se produce un salto muy eficiente,
pero la superficie del agua áspera puede causar problemas de erosión aguas
abajo.
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. 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. Estas expresiones se refieren a la alcantarilla de salida número de
Froude, que durante muchas alcantarillas cae dentro del intervalo de 1,5 a 4,5.
6.2 SALTO HIDRÁULICO EN CANALES HORIZONTALES
El salto hidráulico en cualquier forma de canal horizontal es relativamente
simple para analizar (Sylvester, 1964). Figura 6.3 indica el volumen de control
utilizado y las fuerzas involucradas. La sección de control 1 es antes del salto,
donde el flujo es sin perturbaciones, y la sección de control 2 es después del
salto, lo suficientemente aguas abajo para el flujo a ser de nuevo toma como
paralelo. Distribución de la presión en ambas secciones se supone hidrostática.
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, es
decir, la presión y las fuerzas de fricción de contorno. Dado que la longitud del
salto es relativamente corta, las pérdidas de energía externas (fuerzas de
fricción de contorno) pueden ser ignorados sin introducir error grave. También,
un canal puede ser considerado horizontal hasta una pendiente de 18 por
ciento (10 grados de ángulo con la horizontal) sin introducir error grave. La
ecuación de momento ofrece para solución de la profundidad consecuente, y2,
y la velocidad aguas abajo, V2. Una vez que se conocen, las pérdidas de
energía interna y la eficiencia de salto se pueden determinar mediante la
aplicación de la ecuación de la energía.
Figure 6.3. 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. Definición de una cantidad impulso a medida,
M = Q2 / (GA) + AY y reconociendo que el momento se conserva a través de un
salto hidráulico, el siguiente se puede escribir:
Q2 / (gA1) + A1Y1 = Q2 / (gA2) + A2Y2 (6.1)
Donde,
Q = descarga de canal, m3 / s (ft3 / s)
A1, A2 = zonas de flujo transversal en las secciones 1 y 2, respectivamente, m2
(ft2)
Y1, Y2 = profundidad desde la superficie del agua al centroide de área de
sección transversal, 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, K es un parámetro que representa
la forma de canal mientras que Y es el profundidad máxima en el canal.
Sustituyendo esta cantidad en la ecuación 6.1 y reordenando términos se
obtiene:
A1 K 1 y1 - A2 K2 y2 = (1/A2 - 1/A1) Q2/g
Reorganizar y utilizando Fr12= V1
2/ (gy1) = Q2 / (A12gy1), da:
A1 K1 y1 - A2 K2 y2 = Fr12 A1 y1 (A1 /A2 -1).
Dividiendo esta por A1 y1 ofrece:
K2 A2 y2 / (A1 y1) - K1 = Fr12 (1 - A1 /A2) (6.2)
Esta es una expresión general para el salto hidráulico en un canal horizontal.
Las constantes K1 y K2 y la relación A1 / A2 se han determinado para canales en
forma rectangular, triangular, parabólicas, circulares, trapezoidales y por
Sylvester (1964). Las relaciones de formas rectangulares y circulares se
resumen en las siguientes secciones.
6.2.1 Canales rectangulares
Para un canal rectangular, sustituyendo K1 = K2 = 1/2 y A1 / A2 = y1 / y2 en la
ecuación 6.2, la expresión se convierte en:
y22 / Y1
2 -1 = 2Fr12 (1 - y1 / y2)
Si y2 / y1 = J, la expresión para un salto hidráulico en un canal horizontal,
rectangular se convierte
Ecuación 6.3, que se representa como en la Figura 6.4.
La longitud del salto hidráulico puede determinarse a partir de la Figura 6.5. 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. 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. 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. La longitud salto
para cuencas rectangulares se ha estudiado ampliamente. Stilling diseño
cuenca es una aplicación común para los saltos hidráulicos en canales
rectangulares (véase el capítulo 8). Cuencas libre Saltar pueden ser diseñados
para las condiciones de flujo; pero debido a las características económicas y de
rendimiento que están, en general, sólo se emplean en el rango inferior de los
números de Froude. Los flujos con números de Froude inferiores a 1,7 pueden
no requerir tanques de sedimentación, pero pueden requerir protección como
escollera y ala paredes y delantal. Para los números de Froude entre 1.7 y 2.5,
la cuenca del salto libre puede ser todo lo que se requiere. En este rango, la
pérdida de energía es menor que 20 por ciento; la profundidad conjugado es
aproximadamente tres veces la profundidad de flujo entrante; y, la longitud de
la cuenca requerida es menor de aproximadamente 5 veces la profundidad
conjugado. Muchas alcantarillas de carreteras operan en este rango de caudal.
En números de Froude más altos, 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.
Figure 6.4. Hydraulic Jump - Horizontal, Rectangular Channel
Figure 6.5. Length of Jump for a Rectangular Channel
6.2.2 Canales circulares
Canales circulares se dividen en dos casos: cuando y2 es mayor que el
diámetro, D, y donde y2 es menor que D. 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.
Table 6.1. Coefficients for Horizontal, Circular Channels
Y/D 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0K 0.410 0.413 0.416 0.419 0.424 0.432 0.445 0.462 0.473 0.500C 0.041 0.112 0.198 0.293 0.393 0.494 0.587 0.674 0.745 0.748C’ 0.600 0.800 0.917 0.980 1.000 0.980 0.917 0.800 0.600
En las ecuaciones 6.4 y 6.5, Fr1 se calcula utilizando la profundidad máxima en
el canal. Figura 6.6 se puede utilizar como una alternativa a estas ecuaciones.
Alternativamente, el diseñador puede calcular un número de Froude basado en
la profundidad hidráulica, Frm. = V / (gym) 1/2. Donde ym = (C/C ') D o ym = A / T.
Por primera expresión, C 'se toma de la tabla 6.1. Para la segunda expresión, A
es el área de la sección transversal de flujo y T es la anchura de la superficie
del agua. Figura 6.7 es el gráfico de diseño para canales horizontales y
circulares utilizando la profundidad hidráulica en el cálculo del número de
Froude.
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. La longitud del salto en los canales
circulares se determina utilizando la figura 6.8. Esta curva es para el caso
donde y2 es menor que D. Para el caso en que y2 es mayor que D, la longitud
debe ser tomado como siete veces la diferencia de profundidades, es decir, i.e.,
LJ = 7 (y1 y2).
Figure 6.6. Hydraulic Jump - Horizontal, Circular Channel (actual depth)
Figure 6.7. Hydraulic Jump - Horizontal, Circular Channel (hydraulic depth)
Figure 6.8. Jump Length Circular Channel with y2 < D
6.2.3 Salto de Eficiencia
Una expresión general para la pérdida de energía (HL / H1) en cualquier canal
de forma es:
Donde,
Frm = número de Froude aguas arriba en la sección 1, FRm2 = V2 / (gym)
ym = profundidad hidráulico, m (ft)
Esta ecuación se traza para las diversas formas de canales como la Figura 6.9.
A pesar de que la figura 6.9 indica que las secciones no rectangulares son más
eficientes para los números de Froude más altos, se debe recordar que estas
secciones también implican ya saltos, problemas de estabilidad, y una
superficie del agua corriente abajo áspera.
Figure 6.9. Relative Energy Loss for Various Channel Shapes
6.3 Salto hidráulico en los canales en pendiente
Figura 6.10 (Bradley, 1961) indica un método de delinear saltos hidráulicos en
canales horizontales e inclinadas. Canales horizontales (caso A) se discutieron
en la sección anterior. Canales inclinados se discuten en esta sección. Si se
selecciona el fondo del canal como un dato, la ecuación de momento se
convierte en:
γ = peso
φ = ángulo de canal con la horizontal
B = anchura inferior del canal (canal rectangular), m (ft)
w = peso del agua en volumen de control salto, 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. Este volumen puede
despreciarse para pendientes inferiores a 10 por ciento y el salto analizado
como un canal horizontal.
El Oficina of Reclamaciones (Bradley, 1961) llevó a cabo extensas pruebas con
modelos en el caso B y tipo C salta para definir las relaciones de longitud y
profundidad. Esta referencia debe ser consultada si se está considerando un
salto hidráulico en un canal rectangular inclinado. Los ensayos con modelo se
debe considerar si se están considerando otras formas de canal.
Figure 6.10. Hydraulic Jump Types Sloping Channels (Bradley, 1961)