Diseño Hidráulico - RápidasDefinición:

Las rápidas son estructuras que sirven para enlazar dos tramos de un canal donde existe un desnivel considerable en una longitud relativamente corta. La decisión entre la utilización de una rápida y una serie de caídas escalonadas está supeditado a un estudio económico comparativo.

Se utilizan para transportar agua desde una elevación más alta a una elevación menor pendiente pronunciada.

La sección de la rápida, ya sea tubo o canal, generalmente sigue el suelo original de la superficie y se conecta a un disipador de energía en el extremo inferior.

Datos de campo necesario para el diseño hidráulico:

Se requiere conocer las propiedades hidráulicas y elevaciones de la rasante y de las secciones del canal aguas arriba yaguas abajo de la rápida, así como un perfil del tramo donde se localizará la estructura.

Elementos de una rápida

Los elementos de una rápida se muestran en la figura, la cual está compuesta de:

Transición de entrada: une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control.

Sección de control: es la sección correspondiente al punto donde comienza la pendiente fuerte de la rápida, manteniéndose en este punto las condiciones críticas. En la rápida generalmente se mantiene una pendiente mayor que la necesaria para mantener el régimen crítico, por lo que el tipo de flujo que se establece es el flujo supercrítico.

Canal de la rápida: es la sección comprendida entre la sección de control y el principio de la trayectoria. Puede tener de acuerdo a la configuración del terreno una o varias pendientes. Son generalmente de sección rectángular o trapezoidal.

Trayectoria: es la curva vertical parabólica que une la última pendiente de la rápida con el plano inclinado del principio del colchón amortiguador. Debe diseñarse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacíos. Si la trayectoria se calcula con el valor de la aceleración de la gravedad como componente vertical, no habrá presión del agua sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentará limitándose así la capacidad de conducción del canal, por el que se acostumbra usar como componente vertical un valor inferior a la aceleración de la gravedad o incrementar el valor de la velocidad para que la lámina de agua se adhiera al fondo del canal.

Tanque amortiguador, colchón disipador o poza de disipación: es la depresión de profundidad y longitud suficiente diseñada con el objetivo de absorber parte de la energía cinética generada en la rápida, mediante la producción del resalto hidráulico, y contener este resalto hidráulico dentro de la poza. Se ubica en el extremo inferior de la trayectoria.

Transición de salida: tiene el objetivo de unir la poza de disipación con el canal aguas abajo.

Zona de protección: con el fin de proteger el canal sobre todo si es en tierra, se puede revestir con mampostería

Diseño de una rápida

Procedimiento para el diseño de una rápida:

1. Cálculo del tirante critico en la sección de control:En la sección de control se presentan las condiciones críticas, para una sección rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes:

yc=3√ q2

g=3√ Q2

b2g

También se puede utilizar la tabla para el cálculo del tirante crítico, en la cual relacionamos Yc/b.

2. Cálculo de la sección de la rampa:Consiste en determinar las dimensiones de la sección, esto se puede hacer aplicando la fórmula de Manning, dado que la rampa en la parte que absorbe el desnivel por salvar conocemos su pendiente aproximada.

3. Calculo del perfil de la trayectoria:Para definir el perfil de la trayectoria usaremos un sistema de ejes como se muestra en la figura cuyo origen coincide con el final de la rampa.

La longitud horizontal (Xf) de la trayectoria se obtiene con la expresión

Xf=0.666−Sg

v2

Y pueden obtenerse una serie de puntos para trazar la curva parabólica con la expresión:

y=Sx+ g

2 v2x2

Siendo en ambas expresiones S y v la pendiente y velocidad correspondiente a la rampa.

4. Calculo de la longitud y profundidad del colchón amortiguador:

Para determinar las dimensiones del colchón amortiguador debemos conocer las condiciones en que el agua llega al pie de la trayectoria, es decir, su tirante (d1) y su velocidad (v1).

Estableciendo la ecuación de la energía entre el inicio de la trayectoria y el final del plano 1.5:1 se llega a:

H 1=hv+d+ y f+ p'−d1

Donde:

H1=v2/2g carga de velocidad al final del plano 1.5:1

hv= carga de velocidad en la rampa

d=tirante de la rampa

yf= proyección vertical de la trayectoria

p’= altura del plano 1.5:1

d1= tirante

Suponiendo valores de d1 (aproximados a Yc/3) se puede calcular v1 y comprobar d1 mediante: A=Q /v1

Hasta obtener el valor correcto de d1.

Ya obtenido el valor de d1, procedemos a obtener el tirante conjugado d2 que forma el salto hidráulico. Esto se facilita usando la gráfica N.2 que da la relación de los tirantes conjugados entrando con el valor:

F1=V 1

√gd1

Obtenemos el valor de la relación d2 / d1 de donde se despeja d2.

La grafica N. 3 nos da también en función del valor F la relación L/ d2 siendo L la longitud del colchón amortiguador.

Si conocemos el tirante ds en el canal de salida podemos obtener la profundidad (p) del colchón.

Ejemplo de diseño de una Rápida