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Saltos en Caída Recta.

Son necesarios para salvar desniveles a lo largo del canal, que se van acumulando, debido a las diferencias existentes entre las pendientes del canal y la natural del terreno, correspondiente al eje longitudinal de ese mismo, sin que los tramos de canal aguas arriba y aguas abajo de la estructura se vean alterados por los efectos debidos a las altas velocidades que se desarrollan por el desnivel entre uno y otro tramo.

Cuando las pendientes de dos tramos consecutivos son muy distintas, hay que bajar la pendiente del canal (para disminuir la velocidad en un canal de tierra o en un canal revestido cuando se está en el entorno del régimen crítico Fr=1).

Clasificación:

Las caídas se subdividen en: verticales e inclinadas.

Las caídas verticales, son aquellas en el que el paso entre ambos tramos de canal, se hace por medio de un plano vertical, en cuyo caso el muro que constituye este plano, tiene que resistir el empuje de tierras.

Las caídas inclinadas, son aquellas que unen ambos tramos por un tramo inclinado o rampa, con talud igual al ángulo de reposo del terreno por lo cual basta construir dicho plano como si se tratara de un revestimiento, generalmente en la práctica la inclinación de este plano es de 1.5:1

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Caída Vertical Caída Inclinada

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CRITERIO DE DISEÑO

El criterio general que determina la utilización de una caída es cuando el desnivel (H ≤ 4.00m) se presenta en una longitud horizontal muy corta; la condición topográfica y geológica mostrará la utilización de una caída vertical o inclinada. Si la distancia horizontal tiene cierta importancia comparada con el desnivel (H> 4.00m) resulta la rápida, que posteriormente será tratada.

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.

Componentes del Salto en caída Recta.

Una caída vertical está compuesta por: una transición a la entrada, que une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control. La Sección de control, es la sección correspondiente al punto donde se inicia la caída, cercano a este punto se presentan las condiciones críticas. La Caída en sí, la cual es de sección rectangular y es vertical. A continuación tendremos la fosa o colchón amortiguador, el cual es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía cinética del agua al pie de la caída. Por último podemos tener o no si fuera necesaria una Transición de salida, la cual unirá la fosa de disipación con el canal aguas abajo.

Otros componentes de Las caídas con dados disipadores pueden ser usadas para casi cualquier disminución en la elevación de la superficie del agua donde la distancia horizontal para realizar la caída es relativamente corta.

Las mismas son particularmente adaptables para la situación donde la elevación de la superficie del agua aguas abajo puede variar por causa tales como degradación o superficies del agua no controladas.

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Caida vertical con transición del canal de trapecial a recto.

. Caída vertical con tanque amortiguador rectangular.

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Esquema:

De la figura anterior tenemos las siguientes referencias:

d1=tirante normal en el canal superior, m.

hv1= carga de velocidad en el canal superior, m.

D1= desnivel entre el sitio donde comienza el abatimiento y la sección de control, cuyo valor se desprecia por pequeño, m.

hvc = carga de velocidad en la sección de control, m.

dc = tirante critico, m.

he = suma de las perdidas ocurridas entre las dos secciones, m.

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Disipador de vertedero con caída recta

El chorro de una caída libre aireada de un vertedero de caída recta produce un resalto hidráulico suave aguas abajo además de proveer una pérdida de energía por el choque del chorro con el colchón de agua. Éste tipo de disipador se mencionó anteriormente como un disipador básico, pero en esta sección se plantearán las ecuaciones obtenidas por otros trabajos experimentales expresadas mediante funciones del número de caída, el cual se define como:

4-1

donde q es el caudal por unidad de ancho de la cresta de caída, g es la aceleración de la gravedad y h es la altura de la caída. Las funciones son:

4-2

4-3

4-4

4-5

donde Ld es la longitud de caída, es decir, la distancia desde el muro de caída hasta la posición de la profundidad y1; yp es el nivel de la piscina bajo el chorro; y1 es la profundidad al pie del chorro o el inicio del resalto hidráulico; y y2 es la profundidad secuente de salida correspondiente a y1.

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La forma más simple de este tipo de vertedero es el de forma rectangular, también se puede utilizar este mismo diseño colocando una malla de hierro o parilla sobre la superficie del vertedero separando así el chorro de caída en un determinado número de láminas delgadas de agua que caen casi verticalmente hacia el canal de aguas abajo. De esta forma la energía del chorro de caída puede disiparse sin necesidad de utilizar un resalto hidráulico y por consiguiente se puede reducir la acción de ondas si F1 = 2.5 a 4.5. Este modelo fue diseñado por el U.S. Bureau of Reclamation como sustituto para el disipador USBR IV. En este diseño la parrilla puede componerse por una serie de vigas, que puede ser rieles de acero o canaletas de hierro que formen ranuras paralelas a la dirección de flujo. El ancho de la ranura es de dos tercios del ancho de las vigas. Un aspecto interesante a considerar es que si los rieles se inclinan hacia abajo, formando un ángulo de 3º o mayor, la misma parilla realiza su limpieza. La longitud de las parrillas se puede calcular mediante

4-6

Donde:

Q es el caudal total en pies3/sW es el ancho de un espacio en pies N es el numero de espaciosg es la aceleración de la gravedad (32.2 pies/s2)y1 es la profundidad del flujo aguas arriba.

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El dato luego puede convertirse a unidades del sistema internacional. Se puede ver un ejemplo de este tipo de disipador en la figura 28.

Diseño Hidráulico

En la figura 2, se presenta una caída vertical en un canal con gasto Q; en el primer tramo se tiene S1 y n dados, por lo que quedan definidos d1, A1 y V1; sucede lo mismo en el segundo tramo donde S2 es dado y se obtienen d2, A2 y v2. Tramos tienen una plantilla con desnivel igual a h.

Figura 2. Análisis del escurrimiento en una caída vertical.

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Si en forma sencilla en el primer tramo se deja escurrir el agua, ésta sufrirá una aceleración, que se traduce en un abatimiento de la superficie libre del agua, llegando a la sección de la caída con el tirante crítico, por lo cual en la zona próxima a la caída se producen velocidades altas que pueden originar erosiones. Como se sabe, el tirante crítico para un caudal dado, es el tirante con el cual la corriente presenta un mínimo de energía específica, este tirante es el que separa el régimen tranquilo o subcrítico del régimen rápido o supercrítico; depende exclusivamente de la geometría de la sección, si se cambia su forma se hace variar el tirante crítico; a esta sección donde forzosamente se presenta este tirante, se le denomina sección de control.

Las mejores condiciones de operación se presentarán cuando se reduzca la sección de control a dimensiones adecuadas, para que el remanso de abatimiento sea el indispensable para la buena circulación.

De acuerdo con el teorema de Bernoulli, se puede determinar la sección conveniente en el sitio de control.

Figura 3.Tirante crítico y normal en la caída.

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De la figura 3 se tiene:

Donde:

∆1 = Desnivel entre el sitio donde comienza el abatimiento y la sección de control, siendo de valor -despreciable por pequeña.

hvc= Carga de velocidad en la sección de control

dc = Tirante crítico

he =Suma de las pérdidas de carga debidas al paso del canal a la sección de control

Para el diseño se supone una sección de control, se calcula el tirante crítico correspondiente, así como la velocidad y la carga de velocidad crítica, de acuerdo a las características de llegada a la sección, se estiman las pérdidas de carga; al sumar todas éstas, se compara con la suma del tirante del canal y su carga de velocidad. La sección en estudio se tendrá que ampliar o reducir hasta lograr que las sumas sean prácticamente iguales.

Una sección adecuada y más sencilla de calcular, es haciendo los taludes verticales, esto es, llegar a una sección rectangular.

Cuando existe peligro de erosión por las turbulencias en el paso de la sección del canal a la de control, se aconseja que se construya una transición, la que determinará la pérdida de carga por entrada dependiendo del tipo que se utilice.

Frecuentemente se recurre a construir una pared perpendicular al canal en la que se deja la escotadura de control, que permite de esta forma aprovechar la estructura también como represa, si se tapa con tablones o

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compuertas de escotadura. El tirante crítico según se sabe, se determina por medio de las siguientes expresiones:

En canales rectangulares

En canales trapeciales

Para el diseño del colchón, se determina la trayectoria de la vena media de la sección de control.

Donde:

d2 = Tirante del salto hidráulico, en m.

dn = Tirante normal, en m.

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Ejemplo: Diseñar la siguienta caida vertical, las caracteristicas del canal aguas arriba y aguas abajos son:

Q=1.30 m3/s

So=0.0005

n=0.030 ( tierra)

b=1.00 m

dn= 1.02 m (tirnte uniforme)

V= 0.502 m/s

altura de la caida = 1.50 m

Perfil y planta de una caida vertical contanque amotiguador rectangular.

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Determinacion de la sección de control

Bernoulli entre la sección normal del canal y la sección de control 0.

dn + = dc +

he= suma de las pérdidas de carga debidas al paso del canal a la sección de control.

Figura 3. Tirante crítico y normal de la caída.

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Cálculo del tirante crítico, proponiendo el ancho de la caida

b =0.80m

Cálculo del gasto unitario: q= Q/b = 1.30/0.80 = 1.625 m

Cálculo del are hidráulica

Carga de velocidad: = 0.322 m

1.033 ≠ 1.060, como es diferente a 1.033, se amplía la sección.

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Se propone hacer una transición biplanar:

Segundo tanteo:

B=0.85 m, q= Q/b = 1.30/0.85 = 1.529 m

Carga de velocidad: = 0.311 m

0.311 - 0.0129)=0.089 m

1.033=0.619+0.311+.089

1.033 ≠ 1.020, se acepta la sección propuesta: B=0.85 m, dc=0.619 m

Determinación de conjugado menor d1=1/3 dc =0.619/3=0.206 m

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Determinación del salto hidráulico:

Cálculo de la altura del colchón P=1.15 (d2–dn)= 1.15 (1.422-1.02) = 0.462

Determinación de la longitud del tanque amortiguador.

Como el tanque de amortiguamiento es de sección rectangular, es necesario determinar el número de Froude para determinar la longitud del tanque.

Determinación del área A1:

Determinación de la velocidad V1:

Determinación del número de Froude:

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Entrando a la tabla 3.1 sacada del Bureau of Reclamation

1.7

2 2.5

3 3.5

4 5 6 8 10

4.00

4.35

4.85

5.28

5.55

5.80

6.00

6.10

6.12

6.1

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