HPI 12

¿qué tipos de singularidades hay en canales?. Orificios ya estudiados o sea compuertas, Vertederos, Variación de las características geométricas: Estrechamientos, Ensanchamientos, Estrangulamientos, Cambios de pendiente.. Orificios ya estudiados ap.15.15 con contracción imperfecta m_c 0,612-1,00, Vertederos rectangulares b=L sin contracción con m≈0,40, Variación de las características geométricas: curvas continuas Fig.17.12 con R/D y codos aristas vivas Fig.17.13 con α desvío k=0-3,0. Orificios ya estudiados ap.15.15 con Q=m_c S₂√2g(h+v²/2g) Ec.17.2, Vertederos redondeados Fig.16.21 con m 0,45-0,54, Variación de las características geométricas: entradas ordinarias k=0,5 tubo entrante k=1 tubo saliente k=0,56 según Weisbach Fig.17.9. Orificios ya estudiados ap.15.15 con lámina libre aire zona A y lámina deprimida sin aire, Vertederos triangulares chapa 1-3mm Q=m tgα√2g h^5/2 Ec.16.5, Variación de las características geométricas: derivaciones T 90º Fig.17.14 y 45º Fig.17.15 con tablas Vogel.

Según tu segunda foto 18.5, ¿qué otros tipos hay y qué caso particular de ensanche brusco?. El caso particular del resalto hidráulico ensanche brusco de la vena sin modificación de las características geométricas del canal ha sido estudiado en el capítulo XIII; Variación de las características constructivas: cambio de rugosidad, Derivaciones Partición de caudales y confluencias, Cambios de dirección: curvas y codos, Compuertas estudiadas como orificios o vertederos según que el desagüe sea inferior o superior respectivamente. El caso particular del resalto hidráulico estrechamiento brusco de la vena sin modificación de las características geométricas del canal ha sido estudiado en el capítulo XIII; Variación de las características constructivas: cambio de pendiente, Estrechamientos, Ensanchamientos, Estrangulamientos, Cambios de pendiente, Compuertas estudiadas como orificios o vertederos. El caso particular del resalto hidráulico toma por estrangulamiento con k=(S₂/0,6S₀-1)² Ec.17.20 ha sido estudiado en el capítulo XVII; Variación de las características constructivas: entrada ordinaria k=0,5 tubo entrante k=1, Derivaciones T 90º y 45º con Q₁ Q₂ y k₁ k₂ según Vogel, Cambios de dirección curvas y codos. El caso particular del resalto hidráulico vertedero rectangular sin contracción b=L con contracción inferior tipo orificio ha sido estudiado en el capítulo XVI; Variación de las características constructivas: perfil Creager Fig.16.23 con h_o=4m 3 vanos 12m 36m 2 pilas 2m, Derivaciones y confluencias con Q₁/Q y Q₂/Q.

Ensanchamientos en general según tu primera foto - ¿qué son y qué le pasa al nivel?. Pueden ser bruscos y suaves; en ellos disminuye la velocidad por el aumento de sección, pudiendo elevarse algo el nivel de aguas abajo debido precisamente a la disminución de velocidad teorema de Bernoulli según Fig.18.3 a con h₁ h₂ v₁²/2g v₂²/2g h_B y grada de bajada con torbellinos. Pueden ser bruscos y suaves; en ellos aumenta la velocidad por la disminución de sección, pudiendo bajar algo el nivel de aguas abajo debido precisamente al aumento de velocidad teorema de Bernoulli según Fig.18.2 a con h₁ h₂ v₁²/2g v₂²/2g h_B y grada de subida.

Estrangulamientos en canales - Definición y 3 casos típicos según tu segunda foto: Un estrangulamiento es la combinación de un estrechamiento y un ensanchamiento inmediato; los tres casos más típicos son: pilas o machones de un puente u otra obra, rejillas y dientes u obstáculos de fondo según tu segunda foto ap.18.5. Un estrangulamiento es la combinación de un ensanche brusco y un ensanche gradual inmediato; los tres casos más típicos son: curvas continuas Fig.17.12 con R/D y codos aristas vivas Fig.17.13 con α desvío y resalto hidráulico Cap.XIII sin modificación geométrica canal.

Pilas o machones - Figs.18.5 a y b ¿qué representan y qué provocan?. Las figuras 18.5 a y b representan la sección horizontal y el perfil longitudinal respectivamente de unos machones ubicados en un canal o cauce similar; sobre ellos hay un puente; se sabe que los machones provocan una elevación del nivel de aguas arriba de ellos debido a las pérdidas de carga según tu segunda foto Fig.18.5 a con b_o luz libre y L ancho total. Las figuras 18.5 a y b representan la sección horizontal y el perfil longitudinal respectivamente de unas rejillas ubicadas en un canal; sobre ellas hay una pasarela; se sabe que las rejillas provocan una depresión del nivel de aguas arriba de ellas debido a la cavitación con Pabs=Patm-corrección+Pman y acero picado según ap.17.7.3.

¿Hace falta hacer cálculo hidráulico fino de sobreelevación por pilas en ríos naturales según tu segunda foto?. En general tratándose de obras en ríos naturales la cota de la carretera o ferrocarril se fija con muchísima seguridad respecto de la máxima crecida previsible por lo que no se justifica efectuar ningún cálculo hidráulico; si las cotas estuviesen muy ajustadas al nivel que hasta bastaría suponer que la crecida real puede ser algo mayor que la supuesta para demostrar también la casi inutilidad de este cálculo siempre que se pretenda efectuarlo con extraordinaria minuciosidad; con todo el cálculo se justificará siempre que aparezca la menor duda en el proyectista, es un asunto de criterio; un cálculo de este tipo también puede presentarse en un canal aunque aquí las velocidades serán más bajas en general. En general tratándose de obras en ríos naturales la cota de la carretera se fija con poca seguridad respecto de la máxima crecida previsible por lo que se justifica efectuar siempre cálculo hidráulico con fórmula de Borda h_B=(v₁-v₂)²/2g y pesimista h_B=(v₁²-v₂²)/2g que implica nivel horizontal y pérdida de toda diferencia alturas velocidad.

¿Cómo se efectúa el cálculo de pérdida por pilas según Fig.18.5 b de tu tercera foto?. El cálculo se efectúa en dos partes: un estrechamiento aguas arriba y un ensanchamiento aguas abajo; eventualmente pueden tenerse también en cuenta las pérdidas por rozamientos generales a lo largo del tramo entre los machones si éstos fuesen bastante largos y/o la velocidad entre ellos fuera grande por haber provocado un fuerte estrechamiento según Fig.18.5 b perfil longitudinal con h₁ h₂ h₃ v₁ v₂ v₃. El cálculo se efectúa en dos partes: un ensanchamiento aguas arriba y un estrechamiento aguas abajo; eventualmente pueden tenerse también en cuenta las pérdidas por cavitación a lo largo del tramo entre los machones si Pabs=7,0-3,3-2,5=1,2m peligroso gravísimo con acero picado o arañado según ap.17.7.3.

¿Qué pasa si el estrechamiento por pilas es muy fuerte y qué ancho se usa?. El ancho útil entre pilas será b_o luz libre Fig.18.5 a que es el estrechamiento mayor velocidad v₂; si el estrechamiento es fuerte según las condiciones de aguas abajo y las cotas de fondo puede producirse eventualmente crisis entre los machones seguida de un corto torrente con resalto posterior; este caso podrá resolverse después de conocer lo que se expone en el capítulo XIX. El ancho útil entre pilas será L ancho total Fig.18.5 a que es el ensanchamiento menor velocidad v₂; si el estrechamiento es fuerte según las condiciones de aguas abajo y las cotas de fondo puede producirse eventualmente cavitación con Pabs=7,0-3,3-2,5=1,2m peligroso gravísimo y acero picado según ap.17.7.3.

Rejillas - ¿para qué se colocan y cómo son las barras según tu primera foto Fig.18.7?. Se colocan para evitar el paso de cuerpos de mayor tamaño que la separación entre las barras; lo más frecuente es el uso de barras sin redondeo: la figura 18.7 es una sección en planta de dos barras sin redondeos; L es la longitud de las barras y e su espesor; la otra dimensión, altura, suele ser vertical o con poca inclinación respecto de la vertical; b es la luz, paso o separación libre entre barras. Se colocan para evitar el paso de agua de mayor tamaño que la separación entre las barras; lo más frecuente es el uso de barras con redondeo hidrodinámico: la figura 18.7 es una sección en alzado de dos barras con redondeos; L es la longitud de las pilas y e su espesor; b es la luz libre entre machones de puente Fig.18.5 a con b_o y L.

¿Dónde se colocan las rejillas y qué velocidad es aceptable según tu segunda foto?. Las rejillas suelen colocarse donde la velocidad es baja: una norma aceptable es que la velocidad media teórica considerando que no existe rejilla sea de 1 m/seg o muy poco mayor; cuanto menor sea la velocidad mejor funcionará la rejilla; la pérdida de arriba pues será en general pequeña por lo que el nivel de aguas arriba se sobreelevará poco a menos que por falta de limpieza la sección de la rejilla se vea notablemente reducida por taponamiento de cuerpos semiflotantes. Las rejillas suelen colocarse donde la velocidad es alta: una norma aceptable es que la velocidad media teórica considerando que no existe rejilla sea de 10 m/seg o muy poco mayor; cuanto mayor sea la velocidad mejor funcionará la rejilla; la pérdida de arriba pues será en general grande por lo que el nivel de aguas arriba se sobreelevará mucho a menos que por limpieza la sección se vea reducida por taponamiento.

Pérdida adicional si la rejilla está en una toma o derivación cuyo eje forma ángulo α desvío en planta con la corriente según tu segunda foto: Si la rejilla se halla situada en la entrada de una toma o derivación cuyo eje forma un ángulo α desvío en planta con la dirección de la corriente de llegada sólo se aprovecha de esta velocidad de llegada v_o la componente conveniente por lo que antes de la pérdida en la rejilla habrá otra pérdida adicional de magnitud que depende de sen α y que suele ser importante en tomas de canales. Si la rejilla se halla situada en la entrada de una toma o derivación cuyo eje forma un ángulo α desvío en planta con la dirección de la corriente de llegada se aprovecha toda esta velocidad de llegada v_o por lo que antes de la pérdida en la rejilla no habrá otra pérdida adicional y la magnitud depende de cos α y que suele ser despreciable en tomas de canales.

Obstáculo de fondo - diente u obstáculo según tu tercera foto Fig.18.?. La figura 18.8 representa un diente u obstáculo de fondo; puede estudiarse como vertedero que podrá ser influenciado o no por aguas abajo ap.16.11 y 16.12 o considerando por separado el estrechamiento y el ensanche con h_B1 y h_B2 según Fig. de tu tercera foto con h₁ aguas arriba h' sobre diente h₂ aguas abajo y a cota diente y c escalón. La figura 18.8 representa un diente u obstáculo de fondo; puede estudiarse como orificio con Q=m_c S₂√2g(h+v²/2g) Ec.17.2 con m_c 0,612-1,00 según Landsford y von Mises y boquilla redondeada Q=0,98 S₂√2g(h+v²/2g) Ec.17.3 sin contracción.

Cambios de pendiente - 4 casos generales según tu cuarta foto: Afectado solamente el tramo de aguas abajo si su pendiente es también fuerte; 3º Si el escurrimiento ha de pasar de río a torrente la pendiente tendrá que aumentar, habrá crisis en el mismo punto de cambio de pendiente tal como en un vertedero o en una caída porque en el punto donde empieza a caer el agua del canal la Naturaleza se las arregla para escurrir con energía mínima ap.12.2.2; 4º Si el escurrimiento ha de pasar de torrente a río la pendiente tendrá que disminuir necesariamente habrá un resalto ver ejemplo del ap.14.4 según tu cuarta foto. Afectado solamente el tramo de aguas arriba si su pendiente es también fuerte; 3º Si el escurrimiento ha de pasar de río a torrente la pendiente tendrá que disminuir, habrá crisis en el mismo punto de cambio de pendiente tal como en un vertedero; 4º Si el escurrimiento ha de pasar de torrente a río la pendiente tendrá que aumentar necesariamente habrá un resalto ver ejemplo del ap.14.4.

El tramo de aguas arriba es torrencial según tu primera foto - ¿qué equivale a decir?. Equivale a decir que la pendiente de aguas arriba i₁ es fuerte; 18.6.2.1 La pendiente aumenta con mayor razón Fig.18.13 la pendiente de aguas abajo será fuerte; hasta el mismo cambio existe altura normal h₁; desde el cambio hacia aguas abajo hay torrente peraltado caso 5º ap.12.2.5; teóricamente h₂ existe en el infinito de aguas abajo altura normal; en la práctica existe ya a cierta distancia del cambio de pendiente. Equivale a decir que la pendiente de aguas arriba i₁ es suave; 18.6.2.1 La pendiente aumenta con mayor razón Fig.18.13 la pendiente de aguas abajo será suave; hasta el mismo cambio existe altura normal h₁; desde el cambio hacia aguas abajo hay río peraltado caso 1º ap.12.2.1; teóricamente h₂ existe en el infinito de aguas abajo.

Cambio de rugosidad: Si la rugosidad cambia la nueva altura normal será diferente; el efecto es semejante a un cambio de pendiente; para analizar estos casos basta tener presentes los principios fundamentales del escurrimiento variado; eventualmente el cambio de rugosidad podría modificar la significación de la pendiente pasando de suave a fuerte o viceversa; se estudiaría como si fuese un auténtico cambio de pendiente; frecuentemente los cambios de rugosidad están asociados a un cambio de sección y/o a un cambio de pendiente según tu quinta foto 18.23. Si la rugosidad cambia la nueva altura normal será igual; el efecto es semejante a un cambio de sección por estrechamiento con k=0,3 a 0,6 Fig.18.2 a y k=0,05 a 0,15 Fig.18.2 b; para analizar estos casos basta tener presentes los principios de entrada ordinaria k=0,5 y tubo entrante k=1 según Weisbach Fig.17.9; eventualmente el cambio de rugosidad podría modificar la significación de la pendiente pasando de suave a fuerte.

Derivaciones en canales: Llamamos derivaciones a la bifurcación o división de una corriente en otras varias; eso se realiza en los llamados partidores o marcos partidores; los aliviaderos laterales son también, en realidad, derivaciones, se han estudiado en el apartado 16.8 según tu primera foto 18.8. Llamamos derivaciones a la unión de dos o más aducciones en una sola; la figura 18.21 muestra la planta de una confluencia de canales resuelta con aristas vivas; lo lógico es que el posible redondeo disminuya la pérdida según tu segunda foto 18.9.

Derivación con una tubería lateral Fig.18.19 - ¿cómo se estudia según tu primera foto?. A veces se deriva o toma agua de un canal en base a un tubo profundo Fig.18.19; el caudal tomado depende de la altura o desnivel H y de las características de la tubería tal como se estudiará en el capítulo XX; el efecto producido por la pérdida de agua en el canal es fácilmente estudiable; comúnmente el canal escurrirá como río: conocido el gasto afluente y el que se toma se conocerá la diferencia que sigue por el canal; las características normales de este gasto se extenderán desde el punto de toma hacia aguas abajo del canal; hacia aguas arriba con el gasto total existirá un río deprimido caso 2º ap.12.2.2 según tu primera foto Fig.18.19 con H. A veces se deriva o toma agua de un canal en base a un tubo profundo Fig.18.19; el caudal tomado depende de la altura H y de las características de la tubería tal como se estudiará en el capítulo XX; el efecto producido por la pérdida de agua en el canal es fácilmente estudiable; comúnmente el canal escurrirá como torrente: conocido el gasto afluente y el que se toma se conocerá la diferencia que sigue por el canal; las características normales de este gasto se extenderán desde el punto de toma hacia aguas arriba del canal; hacia aguas abajo con el gasto total existirá un río peraltado caso 4º ap.12.2.4.

Marcos partidores - ¿qué son según tu primera foto?. Los marcos partidores o simplemente partidores son unas construcciones especiales colocadas en un canal de forma que, cualquiera que sea el caudal que circule, siempre sea dividido en dos o más partes que signifiquen un porcentaje fijo del caudal total; el marco partidor fue llevado a Chile por los conquistadores españoles y en ese país ha sido mejorado notablemente según tu primera foto 18.8.2. Los marcos partidores o simplemente partidores son unas construcciones especiales colocadas en un canal de forma que, cualquiera que sea el caudal que circule, siempre sea dividido en dos o más partes que signifiquen un porcentaje variable del caudal total; el marco partidor fue llevado a Chile por los conquistadores españoles y en ese país ha sido mejorado notablemente.

Confluencias Fig.18.21 - ¿qué son y qué muestra la figura según tu segunda foto?. Hay confluencias cuando se juntan dos o más aducciones en una sola; la figura 18.21 muestra la planta de una confluencia de canales resuelta con aristas vivas; lo lógico es que el posible redondeo señalado en la figura con flecha posible redondeo disminuya la pérdida; v₁ canal principal, v₂ canal secundario que entra con ángulo α, v₃ salida aguas abajo con caudal suma según Fig.18.21. Hay confluencias cuando se divide una corriente en otras varias; la figura 18.21 muestra la planta de una derivación de canales resuelta con aristas vivas; lo lógico es que el posible redondeo aumente la pérdida; v₁ canal principal, v₂ canal secundario que sale con ángulo α, v₃ salida aguas arriba con caudal resta según Fig.18.21.

Canal colector o canal de pie de aliviadero Fig.18.22 - ¿qué es y qué se conoce según tu tercera foto?. El canal colector o canal de pie de aliviadero es un canal que recoge las aguas que desbordan sobre un aliviadero lateral; su cálculo es incierto por la perturbación que crea el agua al caer desde cierta altura desde la coronación del aliviadero Fig.18.22 y Figs.16.27 a y b; lo más frecuente es que se conozca o se suponga un caudal q por metro de longitud del aliviadero; se supone q constante lo que equivale a que la carga sobre el vertedero sea constante también sabemos que en la práctica no ocurre exactamente así; conociendo también la longitud total L sabremos el gasto total Q y la altura final h₂; esta última se conocerá si al canal colector sigue un río normal o si hay una crisis próxima motivada por aumento posterior de pendiente, caída u otra causa; bajo estas hipótesis como primera aproximación puede adoptarse el siguiente valor de la pendiente I aproximación según tu tercera foto. El canal colector o canal de pie de aliviadero es un canal que recoge las aguas que desbordan sobre un aliviadero lateral; su cálculo es cierto por la perturbación que crea el agua al caer desde cierta altura desde la coronación del aliviadero Fig.18.22; lo más frecuente es que se conozca o se suponga un caudal q por metro de longitud del aliviadero; se supone q variable lo que equivale a que la carga sobre el vertedero sea variable; conociendo también la longitud total L sabremos el gasto total Q y la altura final h₂; esta última se conocerá si al canal colector sigue un torrente normal o si hay una crisis próxima motivada por disminución de pendiente.

Cambios de dirección: curvas y codos en canales - ¿cómo se tienen en cuenta las pérdidas según tu quinta foto?. Las pérdidas en las curvas de los canales suelen ser pequeñas; además resulta molesto o difícil apreciar todas las curvas que tiene o ha de tener un canal cuando se calcula o se proyecta; en la práctica se procede aumentando un poco el valor de rugosidad n si se calcula con la fórmula de Manning; por ejemplo: un canal de hormigón de tamaño regular Q=5 a 15 m³/seg con frecuentes curvas quebradas angulosas unos 10º cada desvío puede ofrecer un valor de n=0,0155 en circunstancias que el mismo canal recto tendría n=0,0135 aproximadamente según tu quinta foto 18.12. Las pérdidas en las curvas de los canales suelen ser grandes; además resulta molesto o difícil apreciar todas las curvas que tiene o ha de tener un canal cuando se calcula o se proyecta; en la práctica se procede disminuyendo un poco el valor de rugosidad n si se calcula con la fórmula de Manning; por ejemplo: un canal de hormigón de tamaño regular Q=5 a 15 m³/seg con frecuentes curvas quebradas angulosas unos 10º cada desvío puede ofrecer un valor de n=0,0135 en circunstancias que el mismo canal recto tendría n=0,0155 aproximadamente.