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Estructuras Especiales en canales

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by

Sergio Torres

on 13 July 2015

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Transcript of Estructuras Especiales en canales

Estructuras de los canales de riego clasificándolas de acuerdo a su función específica.
a) Estructuras de Operación o control.
Son aquellas cuya función es permitir el correcto manejo y control del agua en la fuente de abastecimiento y en el sitio de entrega a las tomas.
-Estaciones de Aforo.
- Represas
-Tomas para canales laterales
-Tomas granjas (incluidos los dispositivos aforadores)
-Cajas repartidoras.

Parte 2

-Represa
-Caída
-Rápida
-Puente Canal
-Sifón Invertido

Estructuras Especiales en Canales
b) De Protección.
Son aquellas que se construyen para asegurar el buen funcionamiento de los canales, así como incrementar su vida útil.
-Caídas
-Rápidas
-Desfogues
-Entradas de Agua
-Pasos Superiores
-Pasos Inferiores
-Muros de Contención


c) De Cruce
Estas infraestructuras tienen como función permitir el paso del agua entre cauces y accidentes naturales tales como ríos, arroyos, barrancas y otras depresiones, y con las vías de comunicación que se encuentren en la zona de riego.
-Sifones
-Alcantarillas
-Puentes para Canales



Cuando se requiere unir dos canales, uno más alto que otro, se proyectan las caídas verticales. Estas estructuras permiten disipar la energía del agua para el control del flujo de agua y minimizar el proceso de erosión en el cuerpo del canal.
caídas
En una caída el agua se precipita libremente formando un colchón de amortiguación y aguas abajo se produce un salto hidráulico en donde se disipa parte de la energía que lleva el agua.
Estructuras de Control.
Caída
Rápida
Las rápidas se utilizan para unir dos tramos de canal cuyo desnivel considerable se presenta en una longitud de bastante importancia en comparación con el desnivel.
rápidas
Las rápidas se utilizan para unir dos tramos de canal cuyo desnivel considerable se presenta en una longitud de bastante importancia en comparación con el desnivel.
Las caídas y las rápidas son estructuras para absorber desniveles del terreno natural, sin dañar la infraestructura del canal.
Una caída vertical consta de las siguientes partes:
Zona de entrada o transición
Sección de control
Caída vertical
Pozo de amortiguación
Transición de salida
¿Cómo funciona?
Notas importantes:
-Se manejan dos tipo de flujos para el diseño de canales, el flujo uniforme, y el flujo variado. El flujo es uniforme en canales abiertos cuando la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal. El flujo es variado cuando la profundidad flujo cambia a lo largo del canal.
-El tipo de flujo para el diseño de canales abiertos es el flujo uniforme, sin embargo únicamente es utilizado para el diseño de los canales, no para el diseño de estas estructuras, por lo que las ecuaciones elementales para el flujo uniforme ya no son aplicables para el diseño de estas. Manning y Bernoulli no son utilizadas para el diseño de caídas y rápidas. Para el flujo variado se trabaja con el concepto de energía especifica. La energía especifica es la suma de energías referidas a la plantilla del canal.
¿Cómo se ven ?
¿Cuáles son sus partes ?
La zona de transición o de entrada esta indicada si se desea el cambio de sección de canal.
La sección de control pudiera ser una compuerta o una represa.
La caída cuando el agua cae por gravedad.
El Pozo de amortiguación para estabilizar el salto hidráulico que pudiera presentarse.
Transición de salida para regresar a la sección original del canal.
¿Cómo elegir una estructura u otra?
La estructura ideal va de acuerdo a la topografía, se recomienda lo siguiente:
como una rápida es una estructura con un desarrollo mayor se utilizara cuando se en la topografía exista un desnivel y se tenga una extensión longitudinal grande. En caso contrario sera una caída.
¿Cómo funciona?
¿Cómo se ven ?
LA ZONA DE CONTROL PUDIERA SER UNA REPRESA.
EL TIRANTE CRITICO
DERTERMNACIÓN DEL TIRANTE CRITICO
LA RAPIDA TIENE QUE SEGUIR LA FORMA DEL TERRENO.
FLUJO SUPER CRITICO
LA ESTRUCTURA DE LA RAPIDA ES DE CONCRETO ARMADO, CON DENTELLONES AL PRINCIPIO Y FINAL DE LA RAMPA.
DENTRO DE ESTAS ESTRUCTURAS EL SALTO HIDRÁULICO ES EL FENÓMENO MAS IMPORTANTE YA QUE SE PRESENTA CON UN FLUJO VARIADO Y CUANDO EL NUMERO DE FRUDE ES MAYOR A 1.
Simulación del perfil de una rápida.
PUDIERA PRESENTARSE EL FENÓMENO DE CAVITACIÓN POR FORMACIÓN DE AIRE AL FINAL DE LA RAPIDA POR ESTO SE DISEÑA LA TRAYECTORIA QUE ES UNA FORMA CURVA DE LA RAMPA, ES PARA ENTRAR AL POZO DISIPADOR.
La transición de entrada. Transiciona el flujo de aguas arriba hacia el tramo inclinado del canal. Debe proveer control para evitar la aceleración. La pendiente de la transición debe ser suave para general un flujo sub-crítico y una ves que empiece el tramo inclinado justo en el cambio de pendiente se produce el flujo critico y el tirante critico.
El tramo inclinado sigue la forma del terreno y se conecta con el disipador de energía.
El pozo disipador de energía, sirve para estabilizar el salto hidráulico.
La transición de salida nos ayuda a conectar el pozo disipador con el canal aguas abajo y proveer el tirante con ayuda de la poza disipadora produciendo remanso.
¿Cuáles son sus partes ?
Las represas son estructuras colocadas en canales,
tanto principales como laterales
, que sirven tanto para controlar los caudales que se requieren aguas abajo de la estructura, como de regulación a los niveles del agua necesarios para
facilitar su derivación a otros canales o bien a las tomas que queden localizadas aguas arriba de la misma.

Represas
Compuertas
Cuando se utiliza el método de operación “tirante constante aguas arriba”. Caso de la mayoría de los canales en México,
al sitio de ubicación de las compuertas suele llamársele “represa” o “represo”
porque la función esencial de la obra es “represar” o “remansar” el agua hacia aguas arriba
para elevar el nivel y tener una carga para derivar a canales secundarios.

Compuertas radiales.
Compuertas automáticas
Compuertas AMIL
Compuertas AVIS
Compuertas trapezoidales radiales, con el dispositivo de flotación atrás de la compuerta o del eje de giro; su control es en superficie libre. Su funcionamiento se basa en mantener un nivel o tirante aguas abajo de la estructura.
Cuando en un canal se coloca una represa
la superficie del agua se “remansa”.
Ello significa que una cierta longitud aguas arriba de la compuerta la superficie del agua es horizontal y sobre el nivel del terreno que se pretende regar.
En este tramo se deben colocar las tomas directas o canales laterales para evitar que la cantidad de agua de entrega varié.

Dado que la operación de un canal tiende a mantener niveles constantes con diferentes gastos a conducir, para evitar variaciones en las entregas
se manejan las aberturas, en más o menos de las compuertas.

En los canales de riego se pueden encontrar 2 tipos de estructuras reguladoras:
las compuertas
, o bien se pueden tener estructuras fijas como
los vertedores de cresta larga.

Con dichas compuertas y vertedores
se pretende manejar y regular el agua en los canales de riego
. Principalmente, se trata de
mantener constantes los niveles de operación para que se evite la variación de gastos derivados.
Adicionalmente, el personal que maneja las estructuras también las utiliza para medir, aunque no sea su función sustantiva.


PUENTE CANAL

Es una estructura que permite al cruce de un canal a través de depresiones del terreno, ríos, arroyos. Consiste esencialmente en un tramo de conducto soportado por encima del terreno mediante pilas y caballetes.

En el caso de las compuertas,
se pueden encontrar en diferente cantidad
, dependiendo del tamaño del canal; por ejemplo, si el canal es pequeño, menor a 2 m de base, se puede tener una sola compuerta deslizante; si el canal es mayor, se pueden tener baterías de compuertas de hasta 6 compuertas radiales.

Vertedores de cresta larga
El concepto de vertedor de cresta libre es simple, se tiene mas longitud de vertido que vertedores comúnmente colocados perpendicularmente en el canal. La longitud adicional permite transitar el gasto de diseño con pequeñas elevaciones sobre la cresta del vertedor.

-Desde el punto de vista de la operación, se puede decir que
la variación de gasto sobre la cresta del vertedor se reflejará en variaciones pequeñas del nivel del agua.
Consecuentemente, se tienen variaciones menores en la entrega del agua hacia las tomas directas o derivaciones que se encuentran dentro de la influencia del remanso provocado por el vertedor.

Los vertedores de cresta larga más usados son los que se denominan “Pico de pato”, seguidos de los llamados “Diagonal”.

Represas de aguja.
Las agujas o tablones son generalmente piezas de madera, colocadas en un marco de concreto y alineadas en una ranura, que funcionan a manera de obturador.

Este es una de las estructura de cruce más importante cuando las condiciones topográficas y geológicas la permiten, el empleo de un puente canal esta indicado sobre todo en aquellos casos que es importante conservar la carga del canal , ya que a diferencia del sifón las perdidas en un puente canal son mínimas en relación al sifón.

El puente canal, como todas las estructuras de cruce, se construye con un material al que se le pueda dar un mejor revestimiento, que en el canal, con objeto de que se admitan velocidades mayores en el agua por ser mas resistentes a la erosión.

Por lo tanto en beneficio de la economía de la obra, al puente-canal se le dará una sección hidráulica más pequeña que la del canal.


El puente canal puede ser un ducto o a cielo abierto para conducir caudales de 100 lps hasta 70 m3/s. En ocasiones el puente canal puede ser aprovechado también como puente vehicular, para lo cual el ducto será cerrado con una losa superior para soportar el paso de vehículos.

En un puente canal el conducto
puede ser:
Cerrado.
Abierto.

Puente canal de conducto abierto

Puente canal de conducto cerrado

El puente canal tiene varias ventajas. La primera es que puede cruzar obstáculos sin perder carga para regar por gravedad diversos terrenos.
Un puente canal no es factible cuando la rasante proyectada del canal resulte mas baja que el agua del nivel del río por cruzar.

Así como su nombre lo dice el puente canal es un tipo de puente por lo que sus partes no difieren mucho de lo que es un puente en sí, todo hablando de términos estructurales por lo que este está constituido o está compuesto por la sub-estructura y súper-estructura

Sub-estructura: es la que soporta la súper estructura y consta de pilas, estribos y caballetes. La pila debe estar cimentada sobre roca firme para evitar asentamientos diferenciales.

Súper-estructura: es la soportada por la sub-estructura la cual está compuesta por transición de entrada, compuerta, conducto, transición de salida.

Las transiciones: sirven para pasar en forma gradual de la sección del canal a la del conducto o viceversa según sea transición de entrada o salida; este cambio debe ser gradual para evitar turbulencias y reducir las pérdidas de carga.

La compuerta: esta es colocada al inicio del conducto tiene como función regular el gasto u obstruirlo completamente cuando sea necesario y debe operarse conjuntamente con unas vertedoras aguas arriba de la compuerta.

El conducto: es el elemento sobre el cual fluye el agua y puede ser construido con diversos materiales, las secciones transversales más usadas son la sección rectangular y la semicircular. Este generalmente tiene una sección hidráulica más pequeña que la del canal.
La forma de la sección transversal, por facilidades de construcción se adopta una sección rectangular, aunque puede ser semicircular o cualquier otra forma.

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 camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso otro canal.


SIFONES
Existen dos tipos de sifones:
Sifón (Normal)
Sifón Invertido

SIFON (NORMAL)
Conduce el agua sobre el obstáculo. Su funcionamiento se debe a la presión atmosférica que actúa en la superficie del agua a la entrada. Para iniciar su funcionamiento es necesario producir el vacío en el interior del conducto, la diferencia de presiones hará que el agua fluya en sentido ascendente al llegar a la cresta, el agua bajara por gravedad.

SIFON INVERTIDO
Conduce el agua bajo el obstáculo. En el sifón invertido el agua fluye exclusivamente por acción de la gravedad. El sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida.

Con la información topográfica de las curvas de nivel y el perfil del terreno, se traza el sifón y se procede a diseñar la forma y dimensiones de la sección del conducto más económica y conveniente.

Partes de un Sifón
1.Depósito de Azolves o Desarenador
2.Limitador de Gasto o Desagüe de excedencias
3.Transición de entrada
4.Compuerta de entrada
5.Conductos o barriles
6.Válvula de purga
7.Transición de salida

DESARENADOR

Sirve para evitar que las materias en suspensión que trae el agua entren al conducto y llegue a taparlo. Es una caja que se hace en la plantilla del canal, la diferencia de tirantes hace que la velocidad disminuya, originando la precipitación de las materias en suspensión a la caja.

DESAGÜE DE EXCEDENCIAS

Se localiza antes de la transición. Y está constituido por una o varias compuertas que dan acceso a un canal lateral. Y como su nombre lo indica sirve para desalojar las excedencias de agua que tenga el canal.

COMPUERTAS

Regularmente son compuertas deslizantes que en un momento dado pueden cerrar la entrada de los conductos para labores de mantenimiento o limpieza.

TRANSICIÓN DE ENTRADA
Generalmente la sección del canal difiere en forma a la sección que se adopta en la sección de los conductos, por lo que es necesario construir una transición para pasar gradualmente de la sección del canal a la sección del conducto.

CONDUCTOS O BARRILES
Es la estructura en forma de tubería que pasara debajo/arriba del obstáculo que queremos librar. La forma de los conductos puede ser cuadrada, rectangular, circular o en herradura.

VÁLVULA DE PURGA
Es aquella que se coloca en la parte más baja del conducto, tiene por objeto desalojar el agua en caso de que se necesite hacer una reparación al conducto. Su tamaño dependerá del gasto que se quiera desalojar.

DIMENSIONES Y VELOCIDADES
Las dimensiones de la sección transversal del conducto dependen del caudal que debe pasar y de la velocidad. Las velocidades de diseño en sifones grandes es de 2.5 - 3.5 m/s, mientras que en sifones pequeños es de 1.6 m/s. Un sifón se considera largo cuando su longitud es mayor a 500 veces su diámetro.


Tienen la ventaja de que los gastos aguas abajo son menos afectados por las variaciones del nivel de aguas arriba. Son fáciles de construir y necesitan poco mantenimiento. Una limitante para su operación es que deben tener dimensiones menores de 1.5 m de altura y 1.0 m de ancho.

Para esta compuerta, el caudal estimado para una avertura de 10 cm sera de 240 l.p.s
Al igual que las compuertas deslizantes , las radiales tienen la ventaja que los gastos aguas abajo son menos afectados por las variaciones del nivel de aguas arriba. Una mejora de gran utilidad es el uso de motores eléctricos para elevar las compuertas.
Lo mas importante en la caída es que se presenta un salto hidráulico, así que lo la importancia radica en estabilizar el salto hidráulico.
Definir perfectamente la longitud del cajón de amortiguación y la profundidad del cajón.
Este tipo de compuertas tienen la diferencia básica respecto de las manuales que se mueven sin la injerencia directa del operario. se tiene 2 tipos de compuertas: instrumentadas y las fluídicas.
Compuertas trapezoidales radiales con un dispositivo de flotación al frente y en la parte anterior al contrapesos, montadas en una estructura de concreto hidráulico.
Su funcionamiento se basa en mantener un nivel o tirante aguas arriba de la estructura.
CANALS AND RELATED STRUCTURES
DEPARTMENT OF THE INTERIOR
BUREAU OF RECLAMATION
HIDRÁULICA DE CANALES ABIERTOS VEN TE CHOW
Perdidas en los
Sifones
Los sifones cuentan con diversas perdidas a lo largo de su tramo. Las principales son:

Perdidas por transición de entrada y salida
Perdidas por rejilla
Perdidas de carga por entrada al conducto
Perdidas por cambio de dirección o codos
Perdidas por válvulas de limpieza


SECRETARIA DE RECURSOS HIDRÁULICOS EN FUNCION DE LA PLANTILLA Y EL DESNIVEL.
Son muy eficientes para mantener los niveles de aguas arriba de la estructura, pero el gasto hacia aguas abajo es muy afectado por cualquier variación de niveles, tal suerte que el agua excede y/o faltante se magnifica en el tramo final del canal.
Lo más relevante:
Lo más relevante:
PARA DIMENSIONAR LA CAJA DISIPADORA SE HARA MEDIANTE EL NÚMERO DE FROUDE.
TAMBIÉN SE DIMENSIONA DE ACUERDO A LA LONGITUD DEL SALTO L = 5 (d2-d1)
Pico de pato
Se puede aplicar a canales revestidos existentes o para un proyecto nuevo.
Funcionamiento del Vertedor

El gasto (m³/s) por metro lineal de un vertedor se calcula mediante la siguiente formula.

Q en m³/s por ml = m√2g *D^(3/2) m³/s/ml
Siendo:
m=0.45 para un vertedor frontal, el flujo de agua esta perpendicular al vertedor y 0.36 para vertedor pico de pato, en el cual el flujo de agua forma un ángulo con el vertedor.
D= lamina de agua sobre el vertedor.
Materiales de
Construcción
Pueden ser utilizados tubos de hierro fundido dúctil, concreto armado, acero o plástico, sin
embargo es más frecuente el uso de hierro fundido dúctil por su facilidad de instalación.


Compuertas planas o deslizantes
Compuerta OVERSHOT
Las compuertas tipo OVERSHOT o vertedores abatibles son estructuras que proporcionan una gran flexibilidad y facilidad en su operación, ya que la variación deseada en el tirante es en la misma dirección y proporción del movimiento del vertedor .
Se describen 3 tipos de pozas disipadoras comunes.
El cuenco SAF (San Anthony Falls )se recomienda en estructuras pequeñas donde F1= 1.7 - 17 .
El cuenco USBR II se recomienda en estructuras pequeñas donde F1> 4.5 .
El cuenco USBR IV se recomienda en estructuras pequeñas donde F1 de 2.5 a 4.5 . a menudo acurre en estructuras de canal.
BIBLIOGRAFIA:
-MANUAL PARA DISEÑO DE ZONAS DE RIEGO PEQUEÑAS
-MANUAL DE DISEÑO (MODERNIZACION DE SISTEMAS DE RIEGO)
-https://www.imta.gob.mx/biblioteca/libros_html/manejo-dadr/files/assets/basic-html.
-http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/9136/Capitulo3.pdf
- CANALS AND RELATED STRUCTURES DEPARTMENT OF THE INTERIOR BUREAU OF RECLAMATION
-HIDRÁULICA DE CANALES ABIERTOS VEN TE CHOW
-OBRAS DE TOMA, DISEÑO DE CANALES Y ESTRUCTURAS ESPECIALES
-http://paap.mmaya.gob.bo/__ucp/agua_saneamiento/NORMAS/NB %20688%20AlcSan%20-%20abr2007/NB688%20AlcSan%20REGLAM%20RT-06.pdf

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