Cap 6

Estructuras Hidráulicas en Canales

S. Santos H.

6.7 Sifones Invertidos

Son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para conducir el agua en el

cruce de un canal con una depresión topográfica en la que está ubicado un río, un camino,

una vía de ferrocarril, un dren u otro canal.

Fig 6.7.1 Gradiente Hidráulico en Sifón

Criterios de Diseño

Si el flujo contiene alta cantidad de sedimentos, el sifón requiere de un desarenador aguas

arriba con el conducto de limpia que sirva a la vez de canal lateral en el caso de que se

tenga que cerrar el sifón por medio de una compuerta para poder hacer reparaciones o

mantenimiento.

Fig 6.7.2 Componentes de Sifón

Pueden utilizarse tubos de concreto armado o de asbesto cemento. Los primeros son

aceptables hasta presiones del orden de 45 m de columna de agua. Para presiones

mayores, se requeriría conductos de acero.

En la parte más baja del conducto se coloca un registro de limpieza que permita evacuar el

agua que se queda almacenada en el conducto cuando se para el sifón por mantenimiento o

reparación.

Cap 6

Estructuras Hidráulicas en Canales

S. Santos H.

Las transiciones pueden ser de tierra o de concreto; pero, se requerirá transiciones de

concreto en los siguientes casos:

• Sifones situados bajo quebradas, vías férreas o carreteras de primer orden

• Cuando el diámetro del tubo requerido sea mayor a 36 pulgadas.

• Cuando la velocidad en el tubo exceda 1 m/s

Para asimilar cualquier efecto de remanso que pudiera producirse antes de la entrada al

tubo, se requiere incrementar el margen libre del canal en los 15 m previos a la entrada al

sifón.

Las velocidades de flujo en el sifón normalmente fluctúan entre 1.5 m/s < V< 3m/s, con el

fin de prevenir la sedimentación y bloqueo del sifón. Para establecer el diámetro del sifón,

se recomienda tomar en cuenta las siguientes pautas:

• V no mayor a 1m/s en sifones cortos con transiciones de tierra

• V no mayor a 1.5 m/s en sifones cortos con transiciones de concreto

• V no mayor a 3 m/s en sifones largos con transiciones de concreto

El sifón trabaja a presión, por lo tanto debe estar ahogado a

la entrada y a la salida.

, 10% ≤ ahogamiento < 50%

A la entrada el borde superior del sifón debe estar ahogado

con un mínimo de 0.15m. ó de 1.5hv (perdida de carga a la

entrada). Esto minimiza la posible reducción en capacidad

del sifón por ingreso de aire. Se debe colocar rejas a la

entrada para evitar que ingresen materiales flotantes ó por

accidente personas ó animales. Se debe limpiar

periódicamente las rejas para evitar perdida de carga.

Fig 6.7.3 Ingreso a Sifón

Sifón Chaman - Canal Talambo Zaña, P.E Gallito Ciego

Cap 6

Estructuras Hidráulicas en Canales

S. Santos H.

Pérdidas de carga en el Sifón

El sifón funciona por diferencia de energía, la cual debe absorber todas las pérdidas en el sifón (HT).

Tentsal HEE

Por lo general se debe verificar que la pérdida total calculada, se incremente en 10% por razones de

seguridad:

ΔE ≥ 1.1HT

Como las singularidades causan efectos hacia aguas arriba se empieza el cálculo desde aguas bajo ó sea

desde el tirante normal del canal de salida. En el ejemplo sería de la siguiente forma:

T

T

Hzg

vyz

g

vy

HEE

1

2

116

2

6

6

16

22

Las pérdidas de carga HT , en el sifón es la sumatoria de:

h 6-5: pérdidas por transición de entrada

h 5-4: por cambio de sección (Borda-Carnot)

h 5: por rejilla (USBR)

h m: en órganos de control: codos, válvula de limpieza,.. hm = K hvp

h 3-2: por cambio de sección

h 2-1: por transición de salida

h f: por fricción

Perdidas de carga por transiciones de entrada y salida

Se tomara en cuenta los siguientes coeficientes:

Tabla 6.7.1- Coeficientes para Transición en Sifones

Transición Entrada

Ci

Salida

Co

De concreto 0.4 0.7

De tierra 0.5 1.0

Cap 6

Estructuras Hidráulicas en Canales

S. Santos H.

Perdidas de carga por rejillas

Las pérdidas de carga en las rejillas se deben a que estas producen perdidas por:

obstrucción, contracción de la entrada y resistencias producidas por el rozamiento del

agua. La fórmula de CREAGER nos da un buen criterio para evaluarla.

g

n

ingn

g

n

g

n

t

n

tre

eVV

a

a

a

aK

g

VKh

22

45.045.12

Kt: coeficiente de pérdida en la rejilla

an: área neta a través de la rejilla

ag: área bruta de las rejillas y sus soportes

Vn: velocidad a través del área de la rejilla

Ving: velocidad de ingreso

en: espacio neto a través de la rejilla

eg: espacio bruto de las rejillas y sus soportes

Perdidas de carga por entrada al conducto

Vs: velocidad en el conducto del sifón

Ke: coeficiente que depende de la forma de entrada al conducto

Tabla 6.7.2- Coeficientes a la entrada del conducto

Forma de entrada Ke

Compuerta en pared delgada- contracción suprimida

en los lados y en el fondo

1.0

Entrada con arista en ángulo recto 0.5

Entrada con arista ligeramente redondeada 0.23

Entrada con arista completamente redondeada 0.10

Entrada abocinada circular 0.0004

Perdidas por fricción en el conducto

g

V

D

Lfh

óLR

VnLSh

f

h

ef

2

2

2

32

L: longitud total del conducto Rh = D/4

Perdidas por cambio de dirección o codos

g

VKh s

ee2

2

Cap 6

Estructuras Hidráulicas en Canales

S. Santos H.

∆: ángulo de deflexión

kc: coeficiente para codos comunes =0.25

Perdidas de carga por salida del conducto

g

VVh cs

s2

22

Vs: velocidad en el conducto del sifón

Vc: velocidad aproximada en la caja

En forma práctica: hs = 2he

Tabla 6.7.3

Ejemplo para Selección de Diámetro de tuberías Transición

de tierra

Vmáx = 1.06m/s

Transición de

concreto

Vmáx = 1.52m/s Tuberías

Caudal (m

3/s)

Caudal (m

3/s)

Diámetro (pulg)

Diámetro (cm)

Area (m

2 )

0-0.076 0 – 0.110 12 30.48 0.073

0.077 - 0.112 0.111- 0.173 15 38.10 0.114

0.123 - 0.176 0.174 – 0.249 18 45.72 0.164

0.177 - 0.238 0.250 – 0.340 21 53.34 0.223

0.239 - 0.311 0.341 - 0.445 24 60.96 0.292

0.312 - 0.393 0.446 - 0.564 27 68.58 0.369

0.394 - 0.487 0.565 – 0.694 30 76.20 0.456

0.488 - 0.589 0.695 - 0.841 33 83.82 0.552

0.590 - 0.699 0.842 – 1.000 36 91.44 0.656

0.700 - 0.821 1.001 - 1.175 39 99.06 0.771

0.822 - 0.954 1.176 - 1.362 42 106.68 0.894

0.955 - 1.096 1.363 - 1.563 45 114.30 1.026

1.097- 1.246 1.564 – 1.778 48 121.92 1.167

1.247-1.407 1 .779 – 2.008 51 129.54 1.318

1.408- 1.578 2.009 - 2.251 54 137.16 1.478

1.579 -1.756 2.252 - 2.509 57 144.78 1.646

1.757-1.946 2.510- 2.781 60 152.40 1.824

1.947- 2.146 63 160.02 2.011

2.147- 2.356 66 167.64 2.207

2.357 - 2.574 69 178.26 2.412

2.575 - 2.803 72 182.88 2.626

Fuente: Diseño de Estructuras Hidráulicas- M. Villón

6.8 Vertedero Lateral ó Aliviadero de Demasías

g

Vkchc

290

2

Cap 6

Estructuras Hidráulicas en Canales

S. Santos H.

Es una estructura hidráulica de protección, que se ubica en uno de los lados del canal y

cuya función es el de verter fuera de la estructura de conducción cualquier exceso de agua

que resulte del ingreso de agua por avenidas ó mala operación de las compuertas de

regulación.

Fig 6.8.1 Aliviadero Lateral de Demasías

Hidráulica

Cuando el caudal aumenta o disminuye en la dirección del movimiento, se produce un Flujo

Espacialmente Variado (FEV), debido a que se producen modificaciones en la cantidad de

movimiento y su energía. Produciéndose corrientes transversales, flujo en espiral y un

mezclado turbulento, los cuales dificultan el cálculo.

El caudal que fluye sobre el vertedero lateral es un Flujo Espacialmente Variado, debido a

que al inicio del vertedero va a ingresar un caudal mayor que el que se obtiene al final del

vertedero.

Fig 6.8.2 Flujo sobre Aliviadero Lateral de Demasías

Para el cálculo se asume que la carga de energía a lo largo del vertedero lateral es

determinada por la carga de energía en el canal aguas abajo del vertedero lateral y puede

ser asumido como constante. Así las pérdidas de carga por fricción pueden despreciarse.

1. La suma de las energías en cualquier sección a lo largo de la cresta vertedora es

constante.

Cap 6

Estructuras Hidráulicas en Canales

S. Santos H.

cteg

VyEEEo

2

2

1

2. El perfil de la lámina vertiente sobre el vertedero sigue una ley lineal, esto no induce

error considerable.

3. El coeficiente de gasto a lo largo del vertedero es constante y se acepta que su valor es el

promedio de considerar su variación según las cargas extremas.

Dimensionamiento

La longitud el aliviadero de demasías se puede aproximar con la fórmula de Forcheimer

para vertederos rectangulares, aplicando el factor de corrección K por efecto del flujo

lateral:

323

2ghKLQ

si gCd 23

2 , entonces:

23

hKLdCQ

Q: caudal en exceso m3/s

: coeficiente del vertedero según la forma de la cresta

K: coeficiente para vertedero lateral K=0.95

h: carga hidráulica ó tirante de agua sobre la cresta del vertedero m

L: longitud del aliviadero de demasías m Cd: Coeficientes de Descarga de Vertederos (Ver Tabla Coeficientes de Vertedero

Rectangular)