CAIDAS

5/12/2018 CAIDAS - slidepdf.com

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CAIDAS

Las caídas son estructuras que sirven paratransportar el agua de un nivel superior aotro nivel inferior y que al hacerlo se disipela energía que se genera.

Existen de varios tipos y estos dependen dela altura y del caudal del agua que se

transporta.



Una caída por lo general consta de lassiguientes partes: Transición Aguas arriba,Entrada de la caída, Longitud de transición,cuenco disipador, salida.

Las caídas son utilizadas ampliamente como

estructuras de disipación en irrigación,abastecimiento de agua y alcantarillado y a lavez en presas, barrajes y vertederos.



Aparte de costo, que, evidentemente, será un

factor importante a la hora de diseñar, esnecesario considerar los factores tales como:

Facilidad de construcción y la disponibilidad

de materiales. Rendimiento en sistemas llevando sedimento,

los desechos y malas hierbas.



El análisis y el diseño de caídas de Tipo

verticales y se clasifican por el tipo deDisipadores que tienen.

Las caídas verticales son utilizadas cuando se

desea decrecer la elevación en un rango de 3 a15 pies (1 a 4.5 m) a una distanciarelativamente corta. Esto con la finalidad dedisipar la energía, y también reducir el podererosivo del flujo



DISEÑO DE CAÍDAS

Energía específica.

Para cualquier sección de un canal, se llama energíaespecífica a la energía por unidad de peso del líquido

en movimiento con relación a la solera, como seobserva en Figura 1.

No es posible predecir el carácter del cambio de laenergía específica entre las secciones 1 y 2. Es claroque la energía total debe disminuir, pero la energíaespecífica puede aumentar o disminuir dependiendode otros factores como la resistencia al flujo, la formade la sección transversal, etc.



Definiendo la energía específica como ladistancia vertical entre el fondo del canal y la

línea de energía se tiene:

E: energía específica.

Y: profundidad de la lámina del líquido.

V: velocidad media del flujo.

g: aceleración de la gravedad.



En función del caudal se tiene:

A: área de la sección hidráulica. Para canales rectangularessolamente, utilizando el caudal por unidad de ancho, q= Q/b, laecuación anterior se transforma así:



q: caudal por unidad de ancho.

b: ancho de la solera del canal. Para caudal constante y canal rectangular, la

energía específica es función

únicamente de la profundidad de flujo y suvariación se muestra en la siguientefigura:



Según la figura anterior se presenta un valormínimo de la energía específica para una única

profundidad, llamada profundidad crítica Yc . Paravalores de energía específica mayores que lamínima, el flujo se puede realizar con dos

profundidades diferentes Y1 < Yc o Y2 < YcTeniendo en cuenta que para caudal constante lavelocidad varía inversamente con la profundidad,las velocidades correspondientes a

profundidades menores que Yc son mayores quelas correspondientes a profundidades mayoresque Yc .



Clasificación del flujo.

De acuerdo a lo anterior se tienen lossiguientes tipos de flujo:

Flujo lento o subcritico :

Flujo critico :

Flujo rapido o supercritico :



Yc : Profundidad critica.

S

c :P

endiente critica. Vc =(g*Yh)^(1/2): Velocidad critica, velocidadde propagación de una onda pequeña, sobrela superficie de profundidad .

Yh = A/B : Profundidad hidráulica. A : Área mojada.

B : Ancho de la superficie libre.

Fr : Numero de froude, relación entre lavelocidad del flujo y la velocidad.

Para canal rectangular: B = b ; Yh = y



En los flujos subcríticos y supercríticos las velocidadesson menores y mayores que la Vc respectivamente,

por lo tanto en el flujo subcrítico aparecerán pequeñasondas superficiales avanzando corriente arriba,mientras que en el flujo supercrítico dichas ondasserán barridas corriente abajo, formando un ángulo b;este tipo de ondas se denominan ondas diamantes.

De la figura anterior se deduce: Si el flujo es subcrítico y la profundidad de flujoaumenta, la energía específica aumentará y viceversa.

Si el flujo es supercrítico y la profundidad de flujoaumenta, la energía específica disminuirá.

Es decir, en un canal se puede ganar o perder energíaespecífica dependiendo si las profundidades sonmayores o menores que la profundidad crítica Yc .



Se puede observar también, que para una energíaespecífica dada, es posible tener dosprofundidades, y por tanto dos situaciones deflujo, una de flujo subcrítico y otra de flujosupercrítico; estas dos profundidades se conocencon el nombre de profundidades alternas.

La profundidad crítica se presenta cuando laenergía específica es mínima, es decir:

Así, la ecuación general de flujo crítico es:

Bc :Ancho superficial del agua en la condición de flujo crítico. Ac : Área mojada en la condición de flujo crítico.



. Tipos de caídas

a) Caídas pequeñasDe acuerdo con los diseños realizados, encanales con caudales menores o iguales que100 l.p.s (Q 0.1 m3/s), se tiene:



Caídas sin obstáculos



Caídas con obstáculos

Cuando la energía cinética es muygrande se construyen dados que ayudana disipar la energía en una longitud más

pequeña que la poza de disipación.Según la U.S. Bureau of Reclamation, lasrelaciones de los parámetros de una

caída vertical con obstáculos son:



DISEÑO DE CAIDAS VERTICALES

Una caída vertical está compuesta por: transición a la

entrada, que une por medio de un estrechamientoprogresivo la sección del canal superior con lasección de control. Sección de control, es la seccióncorrespondiente al punto donde se inicia la caída,cercano a este punto se presentan las condicionescríticas. Caída en sí, la cual es de sección rectangulary puede ser vertical o inclinada. Poza o colchónamortiguador, es de sección rectangular, siendo sufunción la de absorber la energía cinética del agua al

pie de la caída. Transición de salida, une la poza dedisipación con el canal aguas abajo.



De la Figura anterior se tiene:

Dónde:

d1: Tirante normal en el canal superior, m.hv1: carga de velocidad en el canal superior, m.

D1: desnivel entre el sitio donde comienza elabatimiento y la sección de control, cuyo valorse desprecia por pequeño, m.hvc: carga de velocidad en la sección de control, m.

dc: Tirante crítico, m.

he: Suma de las perdidas ocurridas entre las dossecciones, m.



El segundo miembro de la ecuación (I), se obtienesuponiendo una sección de control, se calcula eltirante crítico correspondiente así como lavelocidad y la carga de velocidad critica. Deacuerdo a las características de llegada a lasección, se estiman las pérdidas de carga. La suma

del segundo miembro se compara con la suma deltirante del canal y su carga de velocidad.

La sección en estudio se tendrá que ampliar oreducir hasta lograr que las sumas sean iguales.

Una sección adecuada y más sencilla de calculares la rectangular, esto se logra haciendo lostaludes verticales. Del régimen crítico para

secciones rectangulares se tiene:



dc: Tirante crítico, m.

q : caudal que circula por la sección, m3/s.

b: plantilla de la sección, m. g: aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2.

La carga de velocidad en la sección crítica está

dada por las siguientes ecuaciones:Para canales trapeciales:



hvc: Carga de velocidad en la sección critica,m.

A: área de la sección, m. T: ancho de la superficie libre del agua, m.

Para canales rectangulares:



Diseño del colchón, para el diseño del colchón, sedetermina la trayectoria de la vena media de la sección

de control. El diseño del colchón consiste endeterminar su longitud, así como la profundidad delmismo.

Obtención de la longitud del colchón, en relación alperfil de la caída, se tiene la

distancia Xn , a la cual va a caer el chorro; esconveniente que este caiga al centro de un colchón deagua que favorezca la formación de un salto hidráulico,por lo que este colchón tendrá una longitud de L =2Xn ,en la Figura siguiente se muestra el perfil de una caída:

Xn se determina de acuerdo a las formulas de caídalibre:



F : distancia vertical entre las rasantes del canal aguas arriba y aguasdebajo de la caída, m.

P : profundidad del colchón, m.La profundidad del colchón se obtiene con la expresión:



Dónde: L: longitud del colchón, m.

La salida del colchón puede ser vertical oinclinada, aconsejándose que cuando seainclinada se haga con un talud en contrapendiente de 4:1 o de 2:1 según convenga. El

diseño estructural consiste en especificar lasdimensiones, características y materiales queconstituyen la caída vertical. Se recomienda queesta estructura, cuando se utiliza con gastospequeños, menores de 2.8 m3/s, no tenga unacaída mayor de 2.5 m, de desnivel entre plantillay plantilla.

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