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Una clasificación de los diferentes tipos de alcantarillas según el flujo a la entrada y a la salida. Se describen seis tipos de alcantarillas, desde aquellas con salida sumergida hasta las de flujo supercrítico tanto a la entrada como a la salida. Se explican las características de cada tipo, como la relación entre la carga hidráulica a la entrada (h*) y el diámetro de la alcantarilla (d), así como el tirante a la salida (yt) en relación con d. Además, se proporcionan fórmulas y ecuaciones para calcular las pérdidas de carga en la alcantarilla. El documento también incluye un ejemplo de cálculo de las dimensiones de un desarenador, incluyendo el ancho, la longitud, el tiempo de sedimentación y el volumen de agua conducido. En general, este documento ofrece una guía detallada sobre los criterios de diseño de obras hidráulicas, como alcantarillas y desarenadores, que pueden ser útiles para estudiantes y profesionales del campo de la ingeniería hidráulica.
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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MANUAL:
CRITERIOS DE DISEÑOS DE OBRAS
HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE
PROYECTOS HIDRAULICOS
MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO
HIDRICO
1.1. Elección del tipo de estructura 1.2. Concepto de acueducto 1.3. C o n ce p to de sifón in vertido 1.4. Criterios de Diseño 1.5. Cálculo hidráulico de un sifón
1.2 Propiedades hidráulicas 1.3 Derrame libre 1.4 Derrame sumergido 1.5 Condiciones de la corriente de aproximación 1.6 Medición de descarga 1.7 Determinación aproximada de las descargas sumergidas 1.8 Instalación de las conducciones elevadas 1.9 Elección del tamaño de conducción elevada 1.9.1 Conducción elevada de 4 pies (122 cm) 1.9.2 Conducción elevada de 3 pies (91.5 cm) 1.9.3 Conducción elevada de 2 pies (61 cm) 1.10 Desviación con respecto a las dimensiones normalizadas 1.11 Construcción
2.1 General 2.2 Determinación de la descarga en condiciones de derrame libre 2.3 Ejemplo de cálculo de caudal 2.4 Instalación de conducciones elevadas con garganta cortada para funcionamiento en condiciones de derrame libre
1.1 Consideraciones importantes 1.2 Tomas Convencionales 1.3 Ubicación y forma de construcción de la toma 1.4 Reja de entrada 1.5 Desripiador 1.6. Regulación de la creciente 1.7. Calculo del azud – forma del vertedero
Se consideran elementos; topográficos, geológicos, geotécnicos, hidrológicos, hidráulicos,
ambientales, agrológicos, entre otros.
3.1 Trazo de canales
Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la
siguiente información básica:
de cultivo, vías de comunicación, etc.
el trazo de canales. Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazo
preliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios,
obteniéndose finalmente el trazo definitivo.
En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relieve
del canal, procediendo con los siguientes pasos:
a. Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona, anotándose todos los detalles que
influyen en la determinación de un eje probable de trazo, determinándose el punto inicial
y el punto final (georreferenciados).
b. Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clavando
en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito,
posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento
de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un
terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m, si el terreno no
muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es máximo a cada 20 m.
c. Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta
la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la
precisión que se desea:
a 1:2000.
En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio
no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con
radios mayores al mínimo no significa ningún ahorro de energía, es decir la curva no será
hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o
mayor desarrollo.
Las siguientes tablas indican radios mínimos según el autor o la fuente:
Hasta 10 m3/s 3 * ancho de la base De 10 a 14 m3/s 4 * ancho de la base De 14 a 17 m3/s 5 * ancho de la base De 17 a 20 m3/s 6 * ancho de la base De 20 m3/s a mayor 7 * ancho de la base Los radios mínimos deben ser redondeados hasta el próximo metro superior
Fuente: "International Institute For Land Reclamation And Improvement" ILRI, Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands 1978.
20 m^3 /s 100 m 15 m^3 /s 80 m 10 m^3 /s 60 m 5 m^3 /s 20 m 1 m^3 /s 10 m 0,5 m^3 /s 5 m Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico Nº 7 "Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales" Lim a 1978.
Tipo Radio Tipo Radio Sub – canal 4T Colector principal 5T Lateral 3T Colector 5T Sub – lateral 3T Sub – colector 5T Siendo T el ancho superior del espejo de agua Fuente: Salzgitter Consult GMBH "Planificación de Canales, Zona Piloto Ferreñafe" Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones – Chiclayo 1984.
promedio del terreno (optimizar el movimiento de tierras), cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua.
cajas hidráulicas, chequeando la velocidad obtenida en relación con el tipo de
revestimiento a proyectar o si va ser en lecho natural, también se tiene la máxima
eficiencia o mínima infiltración.
siguiente información.
Kilometraje
Cota de terreno
BMs (cada 500 ó 1000 m)
Cota de rasante Pendiente
Indicación de las deflexiones del trazo con los elementos de curva
Ubicación de las obras de arte Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje
Tipo de suelo
Cuadro con elementos geométricos e hidráulicos del diseño
Donde:
T = Ancho superior del canal
b = Plantilla
z = Valor horizontal de la inclinación del talud
C = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m., según el canal sea de tercer, segundo
o primer orden respectivamente.
2
4 *tg
θ
y
b
V = Ancho del camino de vigilancia, puede ser: 3; 4 y 6 m., según el canal sea de tercer,
segundo o primer orden respectivamente.
H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal.
En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos márgenes, según las
necesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no será
necesaria, dependiendo de la intensidad del tráfico.
3.5 Sección Hidráulica Optima
Siendo θ el ángulo que forma el talud con la horizontal, arctan (1/z), b plantilla del canal y y
tirante o altura de agua.
Determinación de Máxima Eficiencia Hidráulica
Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y
pendiente conduce el mayor caudal posible, ésta condición está referida a un perímetro
húmedo mínimo, la ecuación que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es:
La siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda.
Determinación de Mínima Infiltración
Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en
canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración es:
Talud Angulo Máxima Eficiencia
Mínima Infiltración
Promedio
Vertical 90°00´ 2.0000 4.0000 3. 1 / 4 : 1 75°58´ 1.5616 3.1231 2. 1 / 2 : 1 63°26´ 1.2361 2.4721 1. 4 / 7 : 1 60°15´ 1.1606 2.3213 1. 3 / 4 : 1 53°08´ 1.0000 2.0000 1. 1:1 45°00´ 0.8284 1.6569 1. 1 ¼ : 1 38°40´ 0.7016 1.4031 1. 1 ½ : 1 33°41´ 0.6056 1.2111 0. 2 : 1 26°34´ 0.4721 0.9443 0. 3 : 1 18°26´ 0.3246 0.6491 0.
a) Rugosidad.- Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del
mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones
en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supone que el canal
está recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de
rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservará con el tiempo, lo que quiere
decir que en la práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la
rugosidad.
En canales proyectados con revestimiento, la rugosidad es función del material usado,
que puede ser de concreto, geomanta, tubería PVC ó HDP ó metálica, o si van a
trabajar a presión atmosférica o presurizados.
La siguiente tabla nos da valores de “n” estimados, estos valores pueden ser refutados
con investigaciones y manuales, sin embargo no dejan de ser una referencia para el
diseño:
n Superficie 0.010 Mu y lisa, vidrio, plástico, cobre. 0.011 Concreto muy liso. 0.013 Madera suave, metal, concreto frotachado. 0.017 Canales de tierra en buenas condiciones. 0.020 Canales naturales de tierra, libres de vegetación. 0.025 Canales naturales con alguna vegetación y piedras esparcidas en el fondo 0.035 Canales naturales con abundante vegetación. 0.040 Arro yos de montaña con muchas piedras.
b) Talud apropiado según el tipo de material.- La inclinación de las paredes laterales
de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde están alojados, la U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda un talud único de
1,5:1 para sus canales, a continuación se presenta un cuadro de taludes apropiados
para distintos tipos de material:
MATERIAL TALUD (h : v) Roca Prácticamente vertical Suelos de turba y detritos 0.25 : 1 Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de concreto 0.5 : 1 hasta 1: Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en grandes canales 1: Arcilla firma o tierra en canales pequeños 1.5 : 1 Tierra arenosa suelta 2: Greda arenosa o arcilla porosa 3:
Fuente: Aguirre Pe, Julián, “Hidráulica de canales”, Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974
(kg/cm2)
PROFUNDIDAD DEL TIRANTE (m) 0.5 1 3 5 10 50 9.6 10.6 12.3 13.0 14. 75 11.2 12.4 14.3 15.2 16. 100 12.7 13.8 16.0 17.0 18. 150 14.0 15.6 18.0 19.1 20. 200 15.6 17.3 20.0 21.2 22. Fuente: Krochin Sviatoslav. ”Diseño Hidráulico”, Ed. MIR, Moscú, 1978
La Tabla Nº 10, da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF
RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormigón no
armado, las velocidades no deben exceder de 2.5 – 3.0 m/seg. Para evitar la posibilidad de
que el revestimiento se levante.
Cuando se tenga que proyectar tomas laterales u obras de alivio lateral, se debe tener en
cuenta que las velocidades tienen que ser previamente controladas (pozas de regulación),
con la finalidad que no se produzca turbulencias que originen perturbaciones y no puedan
cumplir con su objetivo.
d) Borde libre.- Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe
ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el cálculo del borde libre,
debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar
por causas incontrolables.
La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la siguiente
fórmula:
Donde:
Borde libre: en pies
C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden de los
3000 pies3/seg.
Y = Tirante del canal en pies
La secretaría de Recursos Hidráulicos de México, recomienda los siguientes valores en
función del caudal:
Caudal m3/seg Revestido (cm) Sin revestir (cm) ≤ 0.05 7.5 10. 0.05 – 0.25 10.00 20. 0.25 – 0.50 20.0 40. 0.50 – 1.00 25.0 50.
BordeLibre = CY
Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7 “Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales” Lima 1978
Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal:
Ancho de la plantilla (m) Borde libre (m) Hasta 0.8 0. 0.8 – 1.5 0. 1.5 – 3.0 0. 3.0 – 20.0 1. Fuente: Villón Béjar, Máximo; “Hidráulica de canales”, Dpto. De Ingeniería Agrícola – Instituto Tecnológico de Costa Rica, Editorial Hozlo, Lim a, 1981
3.7 Criterios de espesor de revestimiento
No existe una regla general para definir los espesores del revestimiento de concreto, sin
embargo según la experiencia acumulada en la construcción de canales en el país, se
puede usar un espesor de 5 a 7.7 cm para canales pequeños y medianos, y 10 a 15 cm para
canales medianos y grandes, siempre que estos se diseñen sin armadura.
En el caso particular que se quiera proyectar un revestimiento con geomembranas, se tiene
que tener en cuenta las siguientes consideraciones:
tanto no puede ser afectada la membrana.
revestimiento.
la geomembrana actúa como elemento impermeabilizante (el concreto se deteriora con
las bajas temperaturas) y el concreto como elemento de protección, sobre todo cuando
se trata de obras ubicadas por encima de los 4, 000 m.s.n.m. o zonas desoladas.
Diseño hidráulico del sifón invertido
1. TEORIA DEL SIFON INVERTIDO
Para cruzar una depresión, se debe recurrir a una estructura de cruce, en cada caso se
escoge la solución mas conveniente para tener un funcionamiento hidráulico correcto, la
menor pérdida de carga posible y la mayor economía factible. Los cuales pueden ser:
Puente canal
Sifón invertido
Alcantarilla
1.1 Elección del tipo de estructura
Cuand o el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar
una alcantarilla.
Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del
obstáculo, se puede utilizar como estructura de cruce; un puente canal o un sifón
invertido o la combinación de ambos.
El puente canal se utilizará cuando la diferencia de niveles entre la rasante del
canal y la rasante de la quebrada o río, permita un espacio libre, suficiente para lograr el paso del agua.
El sifón invertido se utilizará si el nivel de la superficie libre del agua es mayor que
la rasante del obstáculo.
1.2 Concepto de acueducto
El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal,
logrando atravesar una depresión. Esta formado por un puente y un conducto, el conducto
puede ser de concreto, acero, madera u otro material resistente, donde el agua escurre
por efectos de la gravedad.
1.3 Concepto de sifón invertido
Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para
conducir el agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica o quebrada,
también para pasar por debajo de un camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso
otro canal.
1.4 Criterios de Diseño
pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida.
mínimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales d riego
sin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifón cruza un canal revestido se considera
suficiente 0.30 m de cobertura.
hacerse un estudio de profundidad de socavación para definir la profundidad en la que
deberá cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin que esta sea afectada.
del tubo horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con ∅ mayor o igual a 36’
y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/s.
de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un 50% o 0.30 m como
máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15 m a partir de la
estructura.
transiciones de tierras, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una
velocidad de 1 m^3
se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4 y 0.65 hv respectivamente (Ver.
Fig. 2.15) o con lo manifestando en los ítems 2.4 y 2.5.
/s, en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se
puede usar 1.5 m/s y entre 3 a 2.5 m/s en sifones largos con transiciones de concreto
cono sin control en la entrada.
en 10%.
abertura del sifón, esté ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta
profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseño se toma
1.5 veces la carga de velocidad del sifón o 1.1 como mínimo o también 3”.
drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento.
sifón opere a flujo parcial o a flujo lleno, con un coeficiente de fricción menor que el
sumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n = 0.008 cuando se calcula
las pérdidas de energía.
lugares donde el aire podría acumularse.
sean iguales o menores a 0.30 m.
