Capitulo IV.

…IRRIGACION… »DISEÑO HIDRÁULICO DE OBRAS DE ARTE DE RIEGO « Dr. Ing. José del C. Pizarro Baldera

ALUMNO: MUÑOZ BUSTAMANTE ELÍ

073126

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

IV. DISEÑO HIDRAULICO DE OBRAS DE ARTE DE RIEGO

I.- INTRODUCCIONPara poner en funcionamiento un canal de riego, este debe contar con la totalidad de sus elementos estructurales que lo componen, tanto para el control del flujo como para su acondicionamiento a la topografía del terreno.

II.- OBJETIVOS Conocer la importancia y función que

cumple cada obra de arte dentro del canal de riego.

Aprender a diseñar obras de arte que vayan de acuerdo con la realidad de cada proyecto.

Conocer y diferenciar las obras de arte

en un sistema de riego.

III.- MARCO TEORICO

4.01. DISEÑO HIDRÁULICO DE TRANSICIONES

Estructura que se usa para ir modificando en forma gradual la sección transversal de un canal, cuando se presenta cambios de:

Dimensiones Sección transversal Pendiente En conexiones con otras obras de arte

CRITERIOS PARA EL DIMENSIONAMIENTO HIDRÁULICO

Minimizar las perdidas de energía. Prevenir ondulaciones y vórtices. Eliminación de zonas con agua tranquila

o flujo retardado.Ángulos recomendados: 12º 30`, perdidas mínimas.25º, perdidas de carga.

Tipos de Transición

Las estructuras de transición de un canal trapezoidal a uno rectangular pueden agruparse en tres tipos: Transición con curvatura simple Transición de forma cónica Transiciones con doble curvatura.

No son apropiadas para flujos supercríticos

a y b; para velocidades muy pequeñas del flujo (F<0,5)

C; se recomienda para estructuras muy grandes

CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICIÓN

Un canal que conduce 10 m³/seg. Pasa a través de una transición, de una sección rectangular de ancho 3m a otra trapezoidal de 4m de base, talud 1:1 y tirante es de 1.5m, el ángulo que forma el eje central del canal con los aleros es de 25º Calcular la longitud de la transición

4.01.01. DESARROLLO DE PROBLEMAS APLICADOS

4.02. DISEÑO HIDRÁULICO DE ALIVIADEROS LATERALES

Estructura que es necesaria para descargar el agua excedente que provienen de las precipitaciones o de avenidas que no caben en el espacio destinado para el almacenamiento o conducción.

4.02.01. CRITERIOS DE DISEÑO

1.- El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel máximo de su caja hidráulica. 2.- El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente de caudal, siempre quedará un excedente que corresponde teóricamente a unos 10 cm. encima del tirante normal.3.- La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn.

4.- Para dimensionar el vertedero, existen gran variedad de fórmulas, a continuación se describe una de estas:

Q =ύ2µ 2g Lh3/2

3ύ= 0.95µ = coeficiente de contracciónL = longitud del vertederoh = carga promedio por encima de la cresta

El flujo del canal debe ser subcrítico entonces.

h2h1

h1= 0.8h2

h= 0.9h2

La formula da buena aproximación cuando se cumple:

0.75 1

1

gy

v

nyyhh 212

Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar diferentes valores µ según la forma que la cresta.

FORMA µ Anchos de cantos rectangulares 0.49 -

0.51 Anchos de cantos redondeados 0.50 –

0.65 Afiliado con aeración necesaria

0.64 En forma de techo con corona redondeada

0.79


Un canal trapezoidal de rugosidad 0,014 con taludes 1:1 plantilla 1m y pendiente 1 0/00 recibe en épocas de crecidas un caudal de 9 m3/seg., el canal ha sido construido para 4 m3/seg. pero puede admitir un caudal de 6 m3/seg. Calcular la longitud del aliviadero par eliminar el exceso de agua.

CALCULO DE LOS TIRANTES HIDRÁULICOS

Cálculo de."h''. h2 = 1.42 – 1.17 = 0.25 m h1 = = 0.8*h2= 0.8*0.25= 0.2m. h = 0.2+0.25 = 0.225 m. 2 Caudal a evacuar Q = 3 m3/ seg. Calculo de L Para µ= 0.5 y aplicando L= 3Q .

2 x ύ x µ 2g xh3/2

L = 20 m.

4.03. DISEÑO HIDRÁULICO DE SIFONESEstructura necesaria, cuando el eje

del canal pasa por una quebrada, rio, depresiones, etc.

4.03.01. GENERALIDADES

Un sifón consta de un conducto y dos transiciones. Pueden ser construidos: Superficiales: sobre el suelo, en

trincheras, túneles o galerías. Enterrados: son más simples y de menor

costo, ya que no cuentan con soportes, sin embargo la desventaja está asociada al mantenimiento, por cuanto su accesibilidad resulta más complicada.

Sifón invertido

El sifón contará además de estructuras de entrada y de salida para lograr condiciones de transición hidráulicamente eficientes, por lo que su diseño deberá lograr que el flujo se desarrolle en lo posible sin perturbaciones superficiales, choques bruscos contra las paredes y cambios de dirección pronunciados.


Las dimensiones se determinan, satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencias de la entrada y salida.

La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5 °/oo. Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida.

A fin de evitar remansos aguas arriba, las

pérdidas totales computadas se incrementan en 10%.

En sifones cortos con transiciones de concreto se puede usar velocidades de 1.5 m/seg., y entre 3 m /seg. - 2.5 m/seg., en sifones largos con o sin control en la entrada.

En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio.

Con respeto a las pérdidas de cargas totales, se recomienda la condición de que éstas sean iguales o menores a 0.30 m.


CARACTERÍSTICAS DEL CANAL PRINCIPAL: Hidráulicas: Geometría: Q = 1.50 m3/s B = 3.30m Y = 0.987m b = 0.80m A = 1.764m2 H = 1.25m P = 3.592m Z = 1.00 R = 0.491m e = 0.075m V = 0.85m/s S = 0.0005 n = 0.016

2.06.- EFICIENCIA DE CONDUCCIÓN DEL AGUA DE RIEGO

1.- INFORMACION TOPOGRAFICA

Km 03 + 620 = 236.95 msnmKm 03 + 700 = 236.89 msnm

SELECCIÓN DEL DIAMETRO DEL TUBO

Asumimos una velocidad de 1.5 m/seg

A = Q/V = 1.50 m3 /seg. /

1.50m/seg. A = 1.00 m2

Luego:D = 4 A/pD = 4 *1/pD =1.128m D =44” diámetro comercial D = 48”

CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICION T1 = b +2*y*zT1 = 0.8+2*0.987*1T1 = 2.774 mT2 = 1.2192 LT = T2 – T1 .

2* Tg 12.5° LT = 2.774 -1.2192 2 * tg (12.5) LT = 1.67 m Por condición Lt = 4*D Lt = 4*1.2192 Lt = 4.88 m LT = 5.00 m Escogemos Lt = 5.00 m α/2 = arctg (2.774-1.2192)/2*50 = 8°

50’

NIVEL DE AGUA EN 1 SEGÚN LA FIGURA DEL KM 3 +600 AL PUNTO 1 HAY 17.0 MCOTA 1 = 236.95 -0.0005*17 = 236.94 MSNM

COTA DE FONDO EN 2

1.5hv = 1.5 ( V22 – V12)/2g1.5hv = 1.5 ( 1.282 – 0.852)/19.6 hv = 0.07 mHd = D/cos 20°Hd = 1.2192/cos 20°Hd = 1.297 Luego:Cota 2 = 237.927 -0.07 -1.297Cota 2 = 236.56 msnm COTA DE FONDO EN 3 H = 236.56 – (234.21 -0.9-1.2192) =4.47mCota 3 = cota 2 –HCota 3 = 236.56 -4.47 = 232.09 msnm

COTA DE FONDO EN 4 Cota 4 = cota 3 – L *0.005Cota 4 = 232.09 -58*0.005 = 231.80 msnm COTA DE FONDO EN 5 a =20°Sen 20° = h/14h = 4.78Cota 5 = 231.80 – 4.78 = 236.58 msnm

CALCULO DEL VALOR P EN LA SALIDA

Pe 3D/4 Pe =3 * 1.2192/4 Pe = 0.9144 m Ps D/2 Ps = 1.21.92/2 Ps = 0.6096 m Por otro lado Cota 6 = 236.89 +

0.005*10.50 Cota 6 = 236.895

msnm

P= cota 6 –cota 5 P = 236.95 – 236.58 =

0.345 P < Ps ok!!

INCLINACION DE LOS TUBOS DOBLADOS A la entrada 12.28/4.47 = 2.75 2.75: 1 es mas plano que 2:1 OK A la salida 12.22/4.48 = 2.56 2.56: 1 es más plano que 2:1 OK

CARGA HIDRAULICA DISPONIBLE A la entrada cota 1 + tirante = 236.94 + 0.987 =237.927

A la salida cota 6 + tirante = 23.895 +0.987 = 237.882

Carga disponible = 0.045

CALCULO DE LAS CARGAS DISPONIBLES A la entrada hf = 0.4 ( Vs2 – Vc2)/2g hv = 0.4 ( 1.282 – 0.852)/19.6 hv = 0.018 m A la salida hf = 0.4 ( Vs2 – Vc2)/2g hv = 0.65 ( 1.282 – 0.852)/19.6 hv = 0.030 m Perdida de carga por

fricción f L*V12/(D*2*g) = 0.145 f = 0.025 L = 85 m D = 1.2192

Perdida de carga por codos

Pcd = 2* (0.25*(20°/90°) * 1.282/2*9.81) =0.019

Perdida total = 1.10 (0.018+0.030+0.145 +0.019) = 0.233 Perdida de carga hidráulica disponible

Pchd = 0.045 – 0.233 = -0.188 Lo que significa que el diseño tendrá problemas hidráulicos

NOTA: en visto de ello se opto por variar la cota 6, para tener más carga disponible; lo cual conlleva a variar las cotas de la rasante del canal aguas abajo del sifón.

Carga disponible > perdida total Cota 1 + tirante – (cota 6 +

tirante) > 0.233 Cota 1– cota 6 > 0.233 Como la cota 1 se mantiene

constante Cota 1 – 0.2333 = cota 6 236.94 – 0.233 = cota 6 Cota 6 = 236.707 obtenemos

por Cota 6 = 236.610 para mayor

seguridad en el funcionamiento

Nueva carga hidráulica disponible

A la entrada = 237.927 A la salida = 236.610 +0.987

= 237.597 Carga disponible = 237.927 –

237.597 = 0.33

Perdida de carga hidráulica disponiblePchd = 0.33-0.233 = 0.097 > 0 OK!! Lo que significa que no habrá problema hidráulico CALCULO DE LA SUMERGENCIA A LA SALIDA Altura de sumergencia = (0.987 +(cota 1 – cota 2) –HD)Altura de sumergencia = (0.987 +(0.38) –1.297) = 0.07 Altura permisibleHD/6 = 1.297/6 = 0.216 m Altura de sumergencia < HD/6 OK LONGITUD DE PROTECCION CON ENROCADO

Lp = 3D = 9* 12192 = 3.65 = 3.70 m

4.04. DISEÑO HIDRÁULICO DE ACUEDUCTOS

Estructura necesaria cuando existan depresiones pronunciadas en el relieve del terreno.

4.04.01. GENERALIDADES

Estructura cuya función es de superar las depresiones, formados normalmente por quebradas, ríos y cárcavas originadas por la erosión. Un acueducto, es virtualmente un puente que sostiene un canal de corta longitud, el cual contiene agua en movimiento.

El acueducto servirá para acortar la longitud del canal en el tramo considerado. Este puente-canal servirá así mismo para el paso de peatones, por lo que se deberá prever en la estructura estas formas de utilización.

Es importante considerar las necesidades

de mantenimiento, incorporando obras de limpieza y evacuación, como compuertas, que permitan aislar y desviar las aguas en una sección anterior al puente.


Estas obras constan de transición de entrada y de salida, siendo siempre rectangular la sección del acueducto.

La energía del acueducto debe ser en lo posible igual a la energía del canal.(velocidades iguales)

Normalmente se aconseja diseñar considerando un tirante en el acueducto igual al del canal.

La condición de flujo del acueducto debe ser subcrítico.

4.04.03. DESARROLLO DE PROBLESMAS

4.05. SALTOS DE AGUA, CAÍDAS Y RÁPIDAS

Las caídas y rápidas son estructuras que se usan para unir dos tramos de canal que están a diferente nivel topográfico. Si la caída en el gradiente de energía que tiene que ser disipada es:Caída < 4,50 mRápida > 4,50 m

CAÍDAS Usadas para regular la

velocidad del agua, bajando bruscamente al nivel de la plantilla del canal. De acuerdo con la magnitud de la estructura, la caída se construye de concreto reforzado, bloques de concreto, mampostería

CAIDAS VERTICALES

Diseño hidráulicoo Se construyen, cuando se necesita

salvar un desnivel de 1 m como máximo.

o Cuando el desnivel es ≤: 0.30 m y el caudal ≤ 300 L/seg.x m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.

o Puede ser utilizado para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado

CAÍDAS VERTICALES CON OBSTÁCULOS PARA EL CHOQUE

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 aguas abajo, a tal punto que puede considerarse independiente del salto.

CAÍDAS INCLINADAS

se proyectan en tramos cortos de canal con pendientes fuertes, siendo la velocidad del flujo en la caída siempre mayor que la del propio canal, causando serios daños por erosión si no se coloca un revestimiento apropiado.se divide desde arriba hacia abajo en las siguientes partes: Transición de entrada con sección de control Caída propiamente dicha Colchón Transición de salida.

RÁPIDAS

Son canales abiertos, pavimentados o revestidos, en los que el agua corre con gran velocidad. Pueden establecerse como secciones de canal de poca longitud en tramos de mucha pendiente.

Para el diseño es necesario conocer las propiedades hidráulicas, las elevaciones de las rasantes y de las secciones del canal aguas arriba y aguas abajo de la rápida.

PARTES DE UNA RÁPIDA

Transición de entrada.

Sección de control.

Canal de la rápida. Trayectoria. Tanque o colchón amortiguador. Transición de

salida

4.06. EL AFORADOR PARSHALL

Es una estructura que sirve para medir caudales en un rango muy amplio. Debido a que la velocidad del agua es muy grande en la estructura no se deposita sedimentos y la precisión del aforo queda dentro del 5% de error.

El medidor consta de las siguientes partes:

- Entrada - Garganta - Salida

4.06.01. USO Y VENTAJAS El diseño es simple y su construcción suele resultar barata si

se ubica en lugares que deben revestirse o si se combina entre caidas y sifones, etc.

La estructura trabajada aun teniendo gran variación en el gasto y este se puede determinar con bastante precisión pues cuando el medidor trabaja con descarga libre de error es menor de 3% y cuando trabaja ahogado el error es de 5%.

No se produce el problema de avenamiento en la estructura ni aguas arriba de ella conservando siempre su misma presión.

Su conservación es casi nula y su fácil lectura permite un control a nivel de usuario y sectorista de riego, sin mayor experiencia.

Hidráulicamente funciona bien por su baja perdida de carga con relación a otros tipos de medidores.

4.06.02. FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO A.- DESCARGA LIBRE

Sin salto hidráulico:cuando el tirante aguas abajo del medidor es muy pequeño en relación al nivel de la cresta del medidor y físicamente se manifiesta con una circulación libre del agua en el medidor, sin producir ninguna turbulencia o cambio brusco del Tirante de agua.

Con salto hidráulico: cuando el tirante aguas abajo del medidor es suficientemente grande con respecto al nivel de la cresta y por lo tanto el agua trata de recuperar el nivel de aguas abajo, lo cual se hace bruscamente, produciéndose el salto hidráulico.

B. DESCARGA SUMERGIDA.

Se da cuando el caudal aguas debajo de la estructura obstaculiza la descarga por la garganta, en este caso la carga Hb difiere poco de la carga Ha siendo el caudal función de dos cargas: Ha y Hb ; es decir , cuando la mira en “b” marca una altura de agua (Hb) se dice que el medidor funciona con cierto grado de sumergencia.

4.06.03. CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DEL TAMAÑO MÁS ADECUADO DEL PARSHALL

Sección transversal de los canales aguas arriba y aguas abajo Intervalo de caudal Profundidad normal del agua en los

canales Carga disponible carga total en la cresta del medidor no

superior a la carga total en la sección de entrada.

Perdida de carga en el medidor

Usualmente el tamaño del medidor varía de 1/3 a 1/2 del ancho del canal cuando se trata de canales rectangulares pequeños, y de 2/3 aproximadamente cuando se trata de canales trapezoidales.

IV.- CONCLUSIONES El diseño hidráulico de transiciones reduce las

pérdidas de carga, debidas al cambio de las secciones del canal o la pendiente de la misma.

Los aliviaderos son de vital importancia, ya que estos protegen al canal de riego de colapsar por aumento de su caudal de conducción.

Las caídas y las rápidas están diseñados para salvar desniveles bruscos en la rasante del canal.

El aforador parshall es una Estructura de medición de caudales en los canales con fines de riego, aprovechando la gran velocidad del agua existente en la estructura.

V.- RECOMENDACIONES Para el diseño de caídas y rápidas se debe

tener muy en consideración los materiales a utilizar y la resistencia del concreto.

Para construir un aforador Parshall se debe tomar en cuenta su ubicación en lugares donde el canal necesita revestimiento o combinado entre caídas y sifones.

Para la ubicación de los aliviaderos se debe conocer todos los puntos del canal donde exista peligro de desborde o inundación.

Es necesario tener muy presente las dimensiones del sifón para que la velocidad del agua no provoque daños en la estructura.

…GRACIAS…

Capitulo IV.

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