Post on 09-Nov-2015
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Resumen elaborado:
Ing. Teresa Velsquez Bejarano
Docente Principal del DRAT-FIA
Fuentes:
Fotografas de Proyectos del SUR del Per.
Principios y aplicaciones del Drenaje. Diseo y Manejo de los sistemas de Drenaje. ILRI.
Manuales de Diseo cooperacion Peruano-Holandesa. ILACO.
Manual Design of Small Dams y Small Canal Structures. Bureau of Reclamation. Manual Criterios de diseos de obras hidraulicas para la formulacion de proyectos hidraulicos multisectoriales y de afianzamiento hidrico. ANA.
CURSO Diseo Hidrulico y Estructural de Obras de Arte
RAPIDAS
UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA Departamento de Recursos Hdricos
RAPIDAS Las rpidas son usadas para conducir agua desde una elevacin mayor a
una ms baja. La estructura puede consistir de una entrada, un tramo
inclinado, un disipador de energa y una transicin de salida.
El tramo inclinado puede ser un tubo o una seccin abierta. Las rpidas son similares a las cadas, excepto que ellas transportan el agua sobre distancias
ms largas, con pendientes ms suaves y a travs de distancias ms largas.
PERFILES HIDRAULICOS
EN UNA RAPIDA Fuente:
Hidraulica-Ven Te Chow
PERFILES HIDRAULICOS
EN UNA RAPIDA Fuente:
Hidraulica-Ven Te Chow
FINALIDAD DE UNA RAPIDA La finalidad de una rpida es conducir agua desde un determinado
nivel a uno mas bajo y disipar la energa generada por esta diferencia de niveles a travs de una poza disipadora.
Al efectuarse el desplazamiento del flujo a travs de la rpida, pasa de un flujo Normal a un Flujo Supercrtico para luego a travs de la poza disipadora obtener nuevamente su estado de flujo Normal debido a la liberacin de energa a travs del Salto Hidrulico y al suscitarse el choque de un flujo Supercrtico con un flujo Normal.
ELEMENTOS DE UNA RAPIDA TRANSICION DE ENTRADA: Une por medio de un estrechamiento progresivo la
seccin del canal superior con la seccin de control.
SECCION DE CONTROL: Es la seccin correspondiente al punto don de comienza la pendiente fuerte de la rpida, mantenindose en este punto las condiciones criticas. En la rpida generalmente se mantiene una pendiente mayor que la necesaria para ,mantener el rgimen critico, por lo que ek tipo de flujo que se establece es el flujo supercrtico.
ELEMENTOS DE UNA RAPIDA CANAL DE RAPIDA: Es La Seccin Comprendida entre La seccin de control y el
principio de la trayectoria. Puede tener de acuerdo a la configuracin del terreno una o varias pendientes. Son generalmente de seccin rectangular o trapezoidal.
TRAYECTORIA: Es la curva vertical parablica que une la pendiente ultima de la rpida con el plano inclinado del principio del colchn amortiguador. Debe disearse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacos.
ELEMENTOS DE UNA RAPIDA TANQUE AMORTIGUADOR
TRANSICION DE SALIDA
ZONA DE PROTECCION
ALGUNAS VISTAS
RAPIDAS
NATURALES EN
BASAMENTOS
ROCOSOS
RAPIDAS EN
CANALES DE
RIEGO
12
PRESA RAJUCOLTA
Archivo TVelasquez
RAPIDAS EN
PRESAS
13
SALIDA
ALIVIADERO
PRESA RAJUCOLTA
Archivo TVelasquez
RAPIDAS EN
PRESAS
14
RAPIDA ALIVIADERO
PRESA RAJUCOLTA
Archivo TVelasquez
RAPIDAS EN
PRESAS
DISEO DE UNA RAPIDA
Debe proveer un control para impedir la aceleracin del agua y la erosin en el canal. El control es logrado por la combinacin de una retencin y un
vertedero en la entrada. La entrada usada debera ser simtrica con respecto
al eje de la rpida, permitir el peso de la capacidad total del canal aguas
arriba hacia la rpida con el tirante normal de aguas arriba.
La Rapida debera tener uas para proveer una suficiente longitud de camino de percolacin, calculado segn el mtodo de LANE.
Las prdidas de carga a travs de la entrada podran ser despreciadas en el caso que sean lo suficientemente pequeas que no afecten el resultado final. De otra
manera, las prdidas a travs de la entrada deberan ser calculadas y usadas en
la determinacin del nivel de energa en el inicio del tramo inclinado.
Si la pendiente del fondo de la entrada es suave puede asumirse qua el flujo crtico ocurre donde la pendiente es suave puede asumirse que el flujo crtico ocurre
donde la pendiente suave de la entrada cambia a la pendiente mas fuerte del
tramo inclinado.
Una transicin de salida es usada cuando es necesario para transicionar el flujo entre el disipador de energa y el canal despus. Si es necesario proveer el tirante
de aguas abajo (tailwater) al disipador de energa, la superficie de agua en la
salida debe ser controlada.
DISEO DE UNA RAPIDA
Criterios Hidrulicos en Rapidas
Fuente:
Design of small dams. Bureau of Reclamation Design of small dams. Bureau of Reclamation Manuales de Diseo cooperacion Peruano-Holandesa. ILACO.
ENTRADA
POZA AMORTIGUADORA
SALIDA
SECCION CONTROL
Transicin de entrada
Las transiciones en una rpida abierta, deben ser diseadas para prevenir la
formacin de ondas. Un cambio brusco de seccin, sea convergente divergente, puede producir ondas que
podran causar perturbaciones, puesto que ellas viajan a travs del tramo inclinado y el
disipador de energa.
Para evitar la formacin de ondas, la cotangente del ngulo de deflexin de la superficie de agua en el plano de planta desarrollado de cada lado de una transicin no
debera ser menor que 3.375 veces el nmero de FROUDE (F).
Esta restriccin sobre ngulos de deflexin se aplica para cada cambio de seccin hecha en la entrada, en el tramo inclinado o en la poza disipadora.
Si esta restriccin no controla el ngulo de deflexin, el mximo ngulo de deflexin
de la superficie de agua en la transicin de entrada puede ser
aproximadamente 30.
Transicin de entrada
El ngulo de la superficie de agua con el eje en la transicin de salida puede ser
aproximadamente 25 como mximo. El mximo ngulo de deflexin es calculado como sigue:
Transicin de entrada
Ctg = 3.375 F
d Tirante para el piso de la rpida,
Usando d= Area de la seccion/ancho superior de la seccion
g aceleracion de la gravedad 9.8 m/seg2 osea 32.2 pies/seg2
K Factor de aceleracin determinado segn:
K = 0 si el piso de la Transicin es plano.
Si el piso de la transicin es circular:
Si el piso de la transicin es parablico:
hv velocidad en el inicio de la trayectoria
R Radio de la curvatura del piso
Lt Longitud horizontal de origen a fin de la transicin
Angulo de la pendiente del punto a ser considerado o Angulo de la pendiente al comienzo de la transicin l Angulo de la pendiente al final de la transicin.
o
l
Seccin de Control Punto donde comienza la pendiente fuerte de la rapida. En el quiebre se tendra el tirante
critica ya que en la rapida se establece un regimen supercritico.
Canal de la Rapida. Se proyecta de acuerdo a la topografia del terreno.
Su seccion es generalmente rectangular o trapecial. El borde libre se puede obtener
utilizando la frmula emprica : BL = 0.61 + 0.037 (d)1/2
Para usar la frmula es necesario determinar los tirantes de agua (d en pies) y las
velocidades (v en pies/seg) existentes en distintos puntos a lo largo de la rpida.
Los tirantes se pueden obtener realizando el estudio de los quiebres en la pendiente de la
rpida.
Los valores usados son 0.012 a 0.014 cuando se trata de muros de concreto
Seccin de la rpida
La seccin para el canal de la rpida es rectangular.
Para rpidas pequeas de 9 m de longitud aproximadamente, la friccin puede ser
despreciada y la Ecuacin de Bernoulli que se usa es:
d1 + hv1 + Z = d2 +hv2
Para rpidas mayores de 9 metros de longitud, la friccin se considera y la Ecuacin de
Bernoulli es:
d1 + hv1 + Z = d2 +hv2 +hf
Siendo: (unidades en metros)
hf= perdida por friccin en el tramo y es igual a la pendiente de friccion promedio Sa en el
tramo multiplicada por la longitud L del tramo.
Sf en el punto del tramo es calculada con:
Z Diferencia de Elevaciones, R= Radio Hidrulico
d1= Tirante aguas arriba
d2= Tirante aguas abajo
hv1= Energa de velocidad aguas arriba.
hv2= Energa de velocidad.
Otra forma de ecuacion donde la friccion es considerada:
Sa pendiente de friccion promedio
S Pendiente del canal
Trayectoria de la rpida
La trayectoria va conectada a la poza amortiguadora, varia de 1.5:1 y 3:1. siendo usual 2:1. La Trayectoria
se determina mediante la ecuacin:
x=Distancia horizontal desde el punto de origen de la trayectoria
Y=Distancia vertical desde el punto de origen de la trayectoria
Lt Longitud horizontal de origen a fin de la trayectoria
o Angulo de inclinacin entre el canal de la rpida y el origen de la trayectoria
L Angulo de inclinacin entre el canal de la rpida y el final de la trayectoria
La longitud de la trayectoria puede ser seleccionada con:
y obteniendo K= 0.5 o menos.
Poza Amortiguadora
En la Poza amortiguadora el flujo de agua llega a gran velocidad, mayor que la velocidad
critica, generndose generalmente un salto hidrulico que disipa la Energa resultante de la
turbulencia.
Para una operacin correcta del Numero de FROUDE en la poza, este debe de estar
comprendido en valores mayores de 4.5 y llegan hasta 10.
Poza Amortiguadora
Si el Numero de FROUDE es mayor de 10, no se esta planteando la mejor dimensin para el
diseo de la Poza de disipacin y hay que afrontarlo con estructuras adicionales.
La Poza Amortiguadora es generalmente rectangular de pendiente cero.
Los tirantes conjugados se calculan con la siguiente expresion:
Pozas de Disipacin
TANQUE SAF
SAINT ANTONY FALLS
VERTEDEROS PEQUEOS,
OBRAS DE DESCARGA DONDE:
Velocidades no son mayores de
15 a 18 m/seg
1.7 < F1 < 17 Fr = v/ (gy) 1/2
Pozas de Disipacin
TANQUE USBR II US BUREAU OF RECLAMATION
VERTEDEROS DE GRAN
MAGNITUD,
OBRAS DE DESCARGA DONDE:
Velocidades no son mayores de
15 a 18 m/seg
F1 > 4.5 Fr = v/ (gy) 1/2
Pozas de Disipacion
TANQUE USBR II US BUREAU OF RECLAMATION
VERTEDEROS DE GRAN
MAGNITUD,
OBRAS DE DESCARGA DONDE:
Velocidades no son mayores de
15 a 18 m/seg
F1 > 4.5 Fr = v/ (gy) 1/2
Pozas de Disipacion
TANQUE USBR III US BUREAU OF RECLAMATION
VERTEDEROS DE GRAN
MAGNITUD,
OBRAS DE DESCARGA DONDE:
Velocidades no son mayores de
15 a 18 m/seg
F1 4.5 Fr = v/ (gy) 1/2
Pozas de Disipacion
TANQUE USBR IV US BUREAU OF RECLAMATION
VERTEDEROS DE GRAN
MAGNITUD,
OBRAS DE DESCARGA DONDE:
Velocidades son menores de 15
m/seg
2.5 < F1 < 4.5 Fr = v/ (gy) 1/2
Formacion de Ondas
La formacin de ondas puede ser causada
por :
- Transiciones en el canal.
- Estructuras asimtricas.
- Curvas o ngulos en el alineamiento de
la rpida.
Estas ondas en la estructura son
convenientes pues pueden sobresalir de la
rpida causando olas en la disipacin de
energa ; por lo que su estudio en la rpida
es importante.
Se desarrollaron grficos para predecir la
posibilidad de que este flujo se presente en la
rpida. Para el uso de estos graficos se
deben de calcular:
nmero de Vedernikov.(V)
nmero de Montuori (M).
- En cada punto considerado :
Calcular el nmero de Vedernikov.(V)
Calcular el cuadrado del nmero de Montuori (M).
Donde :
b = base de la seccin de la rpida. (pies)
d = Tirante promedio de la superficie del agua en la seccin de la rpida. (pies)
g = aceleracin de la gravedad.(p/seg2)
L = longitud aproximada considerada. (pies)
S = pendiente promedio de la lnea del gradiente de energa. S = tang
V = velocidad.(pies/seg)
Wp = permetro mojado de la seccin. (pies)
= ngulo de inclinacin de la lnea de gradiente de energa.
- Plotear los valores calculados en las Figura mostradas a continuacion, si los puntos caen en la
zona de flujo disperso, mediar los puntos en los cuales comienza a la formacin de ondas.
- Calcular el factor de forma para la seccin de la rpida.
Nmero de Vedernikov.(V)
Zona de flujo rpido
Zona de flujo lento
Nmero
de
Vedernikov.(V)
Nmero de Montuori (M).
Nmero de Montuori (M).
Zona de flujo lento
Rpidas de concreto
Rpidas de metal corrugado
Zona de flujo rpido
S = Tang angulo de inclinacion del gradiente de
energia
d/wp d= Tirante del
tramo
wp= Perimetro
mojado
EJEMPLO DE DISEO DE UNA
RAPIDA
A continuacin se presenta el diseo de una rpida abierta que conducir 1 m3/seg. Se
usar una poza disipadora para eliminar el exceso de energa despus al final de la rpida.
La entrada es diseada para proporcionar un control en el canal aguas arriba. Las
caractersticas del canal en el punto 1 son:
Q = 1 m3/s, d = 0.73 m, S = 0.00033
b = 1.83 m, n = 0.025, Z = 1.5:1
A1 = 2.14 m2, V1= 0.46 m/s
v1= 0.46 m/s , Hv1= 0.01 m, E1 = 0.74 m
Fuentes: Manual Design of Small Dams y Small Canal Structures. Bureau of Reclamation. Manual Criterios de diseos de obras hidraulicas para la formulacion de proyectos hidraulicos multisectoriales y de afianzamiento hidrico. ANA.
a.
b.
c.
d.
e.
f.
Ec.
Planos
Fuente:
Design of small canal structures. Bureau of Reclamation.
GRACIAS POR SU ATENCION tvelasquez@lamolina.edu.pe
velasquezbejarano@yahoo.es