Obras en Canales


Las obras en canales u obras de arte en canales son obras complementarias, necesarias en algún punto singular del desarrollo del canal.

Las principales son:

Saltos
Obras de cruce: puente canal y sifón
Obras de derivación: partidor, edificio de compuertas
Obras de aforo
Transciciones

1) Saltos

Son necesarios para salvar desniveles a lo largo del canal. Se usan cuando: el terreno presenta un barranco, las pendientes de dos tramos consecutivos son muy distintas, se quiere independizar los regimenes de aguas arriba y aguas abajo (por ejemplo cuando después va una sección de aforo o una sección con partidor), cuando 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).

Diseño hidráulico

El diseño que se explica a continuación sigue los criterios del Bureau of Reclamation en el libro “Diseño de Pequeñas Presas”.

Los datos del problema son:

El ancho, la altura de la sección mojada y la pendiente del canal antes del salto (b1, h1, i1)
El ancho, la altura de la sección mojada y la pendiente del canal después del salto (b2, h2, i2)
El desnivel que es necesario salvar con el salto (H)
El caudal que conduce el canal Q

Definición de la geometría del salto. El diseño hidráulico del salto consiste en encontrar las dimensiones necesarias de la obra a partir de consideraciones hidráulicas.

Las dimensiones que deberán determinarse son (o incógnitas del problema):

La profundidad t del cuenco
La longitud L del cuenco
La forma de la caída

1.1  La profundidad t del cuenco.

Ante un desnivel en el terreno de la traza longitudinal del canal una primera solución hipotética sería la mostrada en la figura 1. En este caso el agua al caer se va acelerando y el tirante se deprime (baja la altura del pelo de agua), la corriente adquiere energía cinética.

Al llegar a la zona inferior el agua debe adaptarse a un escurrimiento (h2, b2, i2) que no es compatible con la velocidad que trae entonces se produce un resalto hidráulico. (Figura 2)

Dicho resalto queda definido por sus tirantes conjugados d1 y d2. A cada d1 le corresponde un y solo un d2. (d2 = f(d1, v1)).

Pueden darse tres casos:

Que h2 = d2 es hipotético y muy excepcional.

Que h2>d2 es un caso muy raro en canales. Suele darse en ríos de gran caudal y rugosidad y baja pendiente.

Que h2
Elevar la altura de las paredes del canal en un tramo bastante largo, con el fin de que el agua no rebalse. Esta solución es antieconómica.
Modificar la pendiente i2 y variar de esta manera h2. Esta solución no siempre es posible.
Bajar la solera una profundidad t. Esta es la solución más usual y conveniente. De esta manera se genera un colchón o cuenco amortiguador. (Figura 4)

Esta profundidad “t” del cuenco es la que determinamos en primera instancia a partir de la siguiente consideración hidráulica:

t = d2 – h2

La profundidad t debe ser por lo menos igual a la diferencia entre d2 y h2 para que no haya ondas que se propaguen aguas abajo.

Sin embargo la bibliografía sugiere tomar una cierta revancha o coeficiente de seguridad, se adopta:

 t = 1.15 d2 – h2    o     t = 1.15 (d2 – h2)    (1)

Para poder determinar t a partir de la consideración anterior se requiere calcular d2 a partir de la ecuación de la momenta (ecuación de impulso) que relaciona el tirante d2 con su conjugado d1:

        (2)














Para el cálculo de d2 se requiere conocer d1 y v1: el tirante y la velocidad adquirida al final de la caída. Para esto se utilizan las dos ecuaciones siguientes:

-v1 puede determinarse a través de la ecuación de Bernoulli o conservación de la energía aplicada en la sección 0 y la sección 1 (Figura 5):

            (3)

-d1 puede despejarse de la ecuación de la continuidad:

d1 = Q / (bxv1)                  (4)

Tenemos así un sistema de cuatro ecuaciones (1), (2), (3), (4) con cuatro incógnitas: v1, d1, d2, t. La solución de este sistema se encuentra por iteraciones con el siguiente proceso:

1º) Supongo t = 0 y d1 = 0.
2º) Calculo v1 con la ecuación (3)
3º) Calculo d1 con la ecuación (4)
4º) Calculo d2 con la ecuación (2)
5º) Calculo t con la ecuación (1)
6º) Calculo con el valor de d1 obtenido en el paso 3º y el valor de t del paso 5º comienzo nuevamente por el paso 2º, es decir calculo v1 con la ecuación (3) y repito el proceso nuevamente.

El ciclo se repite hasta que los valores hallados de las incógnitas no varíen de una iteración a la otra.



1.2. La longitud L del cuenco.

La longitud del cuenco se relaciona directamente con la longitud del resalto. Como el resalto es ahogado (d2Por otro lado la longitud del cuenco debe ser tal que no se produzcan problemas de erosión en la zona del escalón de alto t a la salida del cuenco.

Leer títulos “15.3  Tipos de resalto” y “15.8 El resalto como disipador de energía” del libro de Ven Te Chow.

Las longitudes de resaltos y también de los cuencos disipadores han sido determinadas de manera empírica por diversos investigadores. Pueden verse las fórmulas y tablas propuestas para este fin en el capítulo 15 del libro de Ven Te Chow: “Hidráulica de canales abiertos”.

Una fórmula empírica para la longitud del cuenco es la de Waycicki:



La estabilidad del resalto se verifica entre los valores de Froude:

4.5<9

1.3. La forma de la caída.

¿Por qué no se hace la caída vertical? Una caída vertical tendrá la ventaja de ser más corta y por lo tanto más económica. Pero, tiene la desventaja de que la vena líquida al estar despegada, genera presiones negativas en la zona inferior y cavitación con la consiguiente destrucción del hormigón.

La caída vertical solo se usa en cauces con escurrimiento poco prolongado (solo durante crecidas) o cuando se instalen dispositivos que permitan la aireación por debajo de la vena líquida.

La curva que sigue la trayectoria de la vena líquida al caer ha sido estudiada por algunos investigadores, determinando las coordenadas de la misma. Estas curvas determinadas por investigación permiten construir una superficie de hormigón que siga esta trayectoria logrando que la vena líquida no se despegue y no se generen problemas de cavitación. Puede verse como referencia el título “14.3 Forma de la cresta de vertederos de rebose” del libro de Ven Te Chow.

En saltos de canales se suele utilizar una curva simplificada que sigue la trayectoria de una partícula que cae al vacío con velocidad horizontal vo (velocidad del flujo en el canal aguas arriba del salto), afectada de un coeficiente de seguridad. El coeficiente de seguridad hace la curva más tendida para evitar posibles desprendimientos de la vena líquida.



 La ecuación de la curva de caída resulta:



Donde:

-k es un coeficiente de seguridad comprendido entre 0 y 1, cuanto menor es k, más tendida es la curva.
-g es la aceleración de la gravedad.
-vo es la velocidad media de la corriente en el canal aguas arriba del salto.

Esta curva empalma con una recta que forma 45º con la horizontal en el punto de tangencia entre ambas. Las coordenadas del punto final de la curva son:



Donde c = 0.50 (g/vo2)

El talud 1:n a la salida del cuenco varía según el material aguas abajo. Será 1:1 en el caso del hormigón hasta 1:4 en el caso de canal de tierra.

La longitud total de la obra de salto resulta igual a:
LT  =  x1 + x2 + L + t x n

Saltos en cauces aluvionales (torrenteras)

Por cuestiones de economía en los cauces aluvionales suelen hacerse caídas verticales, como están secos o con poco caudal la mayor parte del año, no existe el riesgo de cavitación.

Se construye un muro de contención de hormigón en el fondo del cauce generando la caída vertical.

Durante la crecida el fondo del cauce, al pie de la caída vertical, se erosiona lo necesario para disipar la energía generando un cuenco natural. La cola de la crecida vuelve a llenar el cuenco con el material de arrastre que acarrea.

2) Obras de cruce: el puente canal y el sifón

Existen dos obras de cruces principales: el puente canal y el sifón.

El puente canal atraviesa un obstáculo por encima, mientras que el sifón lo hace por abajo.

El puente canal, para ser económico, tendrá que tener la mayor pendiente posible que hará disminuir la sección transversal. A partir de ahí el problema es más estructural que hidráulico.

El sifón: Si el canal se encuentra en su trayectoria con un obstáculo poco profundo, tendrá que cruzarlo por abajo.

La cota del canal en el sifón es inferior a su cota a la salida: el escurrimiento a través de la obra de cruce deberá producirse por presión. El sifón, hidráulicamente, es una conducción a presión.



Existen varias formas posibles para la sección transversal del sifón, si bien no existe una regla fija para su elección, algunos criterios a tener en cuenta son (Figura 7):

•    Para caudales chicos suele usarse la forma circular.
•    Para caudales grandes se utiliza la forma de herradura.
•    Para tramos cortos es recomendable la sección marco simple o múltiple.
•    Para caudales muy grandes es conveniente la utilización de una batería de tubos.

El diseño hidráulico

Para el cálculo hidráulico del sifón definimos una geometría y verificamos que el agua tenga energía suficiente para atravesarlo y seguir circulando. Si la geometría definida no verifica habrá que corregirla hasta que si verifique.

La verificación se basa en comprobar que el desnivel topográfico existente entre la entrada y la salida del sifón sea mayor que las pérdidas de carga que se producen en el interior de la obra de cruce. De esta manera se asegura que la corriente tendrá la energía suficiente para atravesar el sifón.

En el sifón existen pérdidas por singularidades y por frotamiento que deben ser menores que el desnivel topográfico.

Si el desnivel topográfico fuera igual a las pérdidas de carga, el sifón, tendría un funcionamiento intermitente. Esto no es conveniente.

Si el desnivel topográfico fuera menor a las pérdidas de carga el agua no tendrá la energía suficiente para atravesar el cruce.

En el ejemplo de la figura 8, la condición a verificar puede expresarse matemáticamente como:






Donde:

∆H top: Es el desnivel topográfico disponible entre la entrada y la salida del sifón.
∆s: Son las pérdidas por singularidades que pueden expresarse como una fracción de la altura de velocidad correspondiente k x v2/(2g).
∆f: Son las pérdidas por fricción a lo largo del sifón que pueden expresarse como la pérdida de carga por unidad de longitud J, multiplicadas por la longitud L.

Las singularidades, en el ejemplo de la figura 8, en el sentido del escurrimiento, son: un ensanchamiento gradual, un estrechamiento brusco, un ensanchamiento brusco y un estrechamiento gradual. Las fórmulas para el cálculo de los coeficientes ki son empíricas, y han sido desarrolladas en la práctica.

La pérdida de carga J puede calcularse a partir de la ecuación de Chezzy y la ecuación de la continuidad:



3) Obras de derivación

Las obras de derivación aparecen, principalmente, en cauces destinados a riego.

La derivación puede ser parcial cuando el caudal derivado es bastante menor que el caudal pasante. (Figura 9a). En este caso la derivación puede realizarse con una compuerta en el canal de derivación. Para conocer los porcentajes de caudal derivado y caudal pasante puede recurrirse a limnímetro(s) adecuadamente ubicado(s).

En los casos en que el caudal es escaso y el riego se realiza por turnos la derivación debe ser total (Figura 9b). En este caso existen compuertas en ambos canales (pasante y de derivación) y una compuerta se cierra totalmente mientras se abre la otra.

La derivación automática se realiza con un partidor. La derivación automática consiste en una obra que deriva un porcentaje de caudal fijo hacia cada canal (pasante y de derivación) sin necesidad de un operador que abra y cierre las compuertas.

Domínguez propone un partidor como el de la figura 9c para canales pequeños. Mediante un escalón produce un resalto y en correspondencia con la cresta del escalón logra un régimen de filetes paralelos (laminar con una distribución de velocidades aproximadamente uniforme). Siendo las velocidades uniformes en la sección transversal la derivación a cada lado de la chapa de partición será proporcional a los anchos de los canales pasante y derivado.



El partidor de Domínguez tiene el inconveniente de no poder variar los porcentajes de caudales derivados.

Se han intentado variaciones para lograr variar el caudal en el partidor. Figura 10a y b.




Estas variantes de partidores con hojas móviles han sido investigadas en la universidad de La Plata.

Si el resalto se ahoga se pierde la distribución de filetes paralelos sobre el escalón y se anula el principio de funcionamiento del partidor. Por este motivo la altura del escalón ∆h debe ser suficiente (Figura 10a). Si la altura del escalón ∆h no es suficiente puede optarse por la solución de la figura 10b.

Dependiendo de la magnitud del canal, y del caudal que conduce, la compuerta puede ser desde una plancha metálica que desliza, mediante un mecanismo de tornillo sin fin, por entre dos perfiles L empotrados en el hormigón de las paredes del canal; hasta una plancha rigidizada con perfiles metálicos longitudinales y transversales, que desliza con ruedas, sobre rieles ubicados en recatas en ambas márgenes del canal. El mecanismo de movimiento de este último tipo de compuertas suele incluir motores para su accionamiento. Los motores se ubican en el “edificio de compuertas”: un puente sobre las compuertas.











Diseño hidráulico




El cálculo hidráulico de un partidor automático como el de la figura 11 ha sido desarrollado detalladamente en la práctica.

4) Transiciones.

En este punto ver lo desarrollado en la clase del 4 de Mayo de 2007. Analizar los ejemplos Nº3-1 (página 47) y Nº3-4 (página 57) del texto “Hidráulica de canales abiertos” de Ven te Chow.

5) Obras de aforo.

Las obras de aforo en canales son similares, en principio, a los aforos en ríos con limnímetro. Se utiliza algún obstáculo en el cauce (escalón de fondo, estrechamiento) que genere el tirante crítico. En la zona del tirante crítico se coloca una escala graduada. La relación entre la profundidad y el caudal en canales, en la zona de tirante crítico, es definitiva. Midiendo la profundidad se conoce entonces el caudal.

Para mayor referencia ver el título 4.6 del texto  “Hidráulica de canales abiertos” de Ven te Chow, donde se describe en detalle la canaleta Parshall.



Obras en Canales Rating: 4.5 Diposkan Oleh: Ing. Civil

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