DISEÑO HIDRAULICO

CAIDAS

1. DEFINICION

Las caídas o gradas, son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario salvar desniveles bruscos en la rasante del canal; permite unir dos tramos (uno superior y otro inferior) de un canal, por medio de un plano vertical, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo.El plano vertical es un muro de sostenimiento capaz de soportar el empuje que estas ocasionan.

La finalidad de una caída es conducir agua desde una elevación alta hasta una elevación baja y disipar la energía generada por esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una caída, se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un canal.La caída vertical se puede utilizar para medir el caudal que vierte sobre ella, si se coloca un vertedero calibrado.

2. CAIDA VERTICAL

2.1 ELEMENTOS DE UNA CAÍDA VERTICAL

En el diseño de una caída se pueden distinguir los siguientes elementos:

a) TRANSICIÓN DE ENTRADA: une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control.

b) SECCIÓN DE CONTROL: es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones críticas.

c) CAÍDA EN SÍ: la cual es de sección rectangular y puede ser vertical o inclinada.

d) POZA O COLCHÓN AMORTIGUADOR: es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída.

e) TRANSICIÓN DE SALIDA, une la poza de disipación con el canal aguas abajo

2.2 CRITERIOS DE DISEÑO DE CAÍDAS VERTICALES

Se construyen caídas verticales, cuando se necesitan salvar un desnivel de 1 m como máximo, solo en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores.

SINAMOS, recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000 lt/seg.*m de ancho, siempre se debe construir caídas inclinadas, además manifiesta que la ejecución de estas obras debe limitarse a caídas y caudales pequeños, principalmente en canales secundarios construidos en mampostería de piedra donde no se necesita ni obras de sostenimiento ni drenaje.

Cuando el desnivel es ≤ 0.30 m y el caudal ≤ 300 lt/seg.*m de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.

El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la fórmula para caudal unitario “q”.

q=1.48 x (H )1.5

Siendo el caudal total:

Q=23

μB√2g H 1.5

μ=0.5

B=anchocaida

La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado.

Por debajo de la lámina vertiente en la caída se produce un depósito de agua de altura Yp que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo.

Rand (1955) citado por ILRI (5) Pag. 209, encontró que la geometría del flujo de agua en un salto vertical, puede calcularse con un error inferior al 5 %, por medio de las siguientes funciones:

Ld∆ z

=4.30 x D 0.27

Y P

∆ z=1.00x D0.22

Y 1

∆ z=0.54 x D 0.425

Y 2

∆ z=1.66 x D0.27

LJ=6.9(Y 2−Y 1)

Donde:

D= q2

g∆ Z3

Que se le conoce como numero de salto y

cosθ= 1.06

√ ∆ ZY c

+ 32

Al

caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara indicada en la figura.El cual se debe reemplazar para evitar la cavitación o resonancia sobre toda la estructura.

Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes:

Contracción lateral completa en cresta vertiente, disponiéndose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire de la lamina vertiente.

Agujero de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/seg.*m de ancho de cresta de la caída, según ILRI(5) Pag. 210, es igual a:

qa=0.1qw

(YpY )

1.5

Donde:

qa=¿ Suministro de aire por metro de ancho de cresta

Y=¿ Tirante normal aguas arriba de la caída

qw=¿ Máxima descarga unitaria sobre la caída

( P/ ρφ )=ρa

ρw(Ke+ fL

D+ Kb+Kex )Va2

2g

Donde:

( P/ ρφ )=¿ Baja presión permisible debajo de la lámina vertiente, en metros de columna de agua. (Se puede suponer un valor de 0.04 m. de columna de agua)

Ke=¿ Coeficiente de pérdida de entrada. (Usar Ke = 0.5)

f =¿ Coeficiente de fricción en la ecuación de Darcy – Weisbach.

hf =fLD

V 2

2g

L=¿ Longitud de la tubería de ventilación, m.

D=¿ Diametro del agujero de ventilación, m.

Kb=¿ Coeficiente de perdida por curvatura. (Usar Kb = 1.1)

Kex=¿ Coeficiente de perdida por salida (Usar Kex = 1.0)

Va=¿ Velocidad media del flujo de aire a través de la tubería de ventilación.

ρa /ρb , aproximadamente 1/830 para aire a 20°C.

3. CAÍDAS INCLINADAS

3.1ELEMENTOS DE UNA CAIDA INCLINADA

Estas estructuras se proyectan en tramos cortos de canal con pendientes fuertes, siendo la velocidad de flujo en la caída siempre mayor que la del propio canal, causando serios daños por erosión si no se pone un revestimiento apropiado.

Una caída inclinada se divide desde arriba hacia abajo en las siguientes partes:

Transición de entrada con sección de control Caída propiamente dicha Colchón Transición de salida

En algunos casos la caída propiamente dicha y el colchón, pueden ser de sección rectangular o trapezoidal, la sección depende de las condiciones locales y en todo caso del criterio del diseñador.

SECCIÓN DE CONTROL.- La sección de control consiste en una variación de la sección del canal en el punto donde se inicia la caída o en una rampa en contra pendiente, de manera que la energía en el canal aguas arriba sea igual a la energía en el punto donde se inicia la caída.

CONDUCTO INCLINADO: El piso del canal superior se une con el del inferior siguiendo un plano con talud igual al de reposo del material que conforma el terreno (1.5:1), obteniéndose economía en el proyecto, al necesitarse solo un revestimiento de 10 a 15 cm de espesor.

Se procura que los taludes del canal sigan las mismas inclinaciones que en la sección de control, debiendo tener la parte revestida suficiente altura para que el agua no brinque arriba de ella.

COLCHÓN: El segundo problema que se presenta es el paso del régimen rápido en la caída, al tranquilo en el canal de salida, aprovechándose la tendencia que existe de producir el Salto Hidráulico en este lugar, que es el sitio con que se cuenta para la disipación de energía, favoreciendo su formación en el lugar deseado.

3.2 CRITERIOS DE DISEÑO

SECCIÓN RECTANGULAR

1. La rampa inclinada en sentido longitudinal de la caída en sí, se recomienda en un valor de 1.5:1 a 2:1, su inclinación no debe ser menor a la del ángulo de reposo del material confinado.

2. El ancho de la caída B es igual a:

Donde:

Valor conocido

(Valor promedio aceptado en este caso)

3. Es muy importante tener en cuenta la subpresión.