Rapidas

UNIVERSIDAD SAN PEDRO

ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

TEMA: RÁPIDAS

DEFINICIÓN: Las rápidas son estructuras que sirven para enlazar dos tramos de un canal donde existe un desnivel considerable en una longitud relativamente corta. La decisión entre la utilización de una rápida y una serie de caídas escalonadas está supeditado a un estudio económico comparativo.

FINALIDAD

Se diseñan para generar pérdidas hidráulicas importantes en los flujos de alta velocidad. El objetivo es reducir la velocidad y pasar el flujo de régimen supercrítico a subcrítico.  

Las rápidas son apropiadas cuando la pendiente del terreno es superior al 30%. La estructura del canal debe ser fuerte, para soportar las velocidades mayores de 6 m/s. Al final de las rápidas se coloca un disipador de energía.

CRITERIO CONSTRUCTIVO Las velocidades que se pueden alcanzar en estas estructuras son altas entre 7.5 y 10.0 m/s. Se considera únicamente una protección del concreto con pintura epóxica, a pesar de las altas velocidades, debido a que en estos casos la conducción transporta agua, los sólidos en suspensión son eliminados en estructuras denominadas desarenadores. Al final de las rápidas en los disipadores de energía, se puede proteger el concreto del piso y dados con el blindaje de sus caras.

DATOS DE CAMPO NECESARIOS PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO

Se requiere conocer las propiedades hidráulicas y elevaciones de la rasante y de las secciones del canal aguas arriba y aguas debajo de la rápida, así como un perfil del tramo donde se localizará la estructura.

ELEMENTOS DE UNA RÁPIDA Transición de Entrada Sección de Control Canal de la Rápida Trayectoria Tanque amortiguador. Transición de Salida Zona de Protección.

ELEMENTOS DE UNA RÁPIDA

TRANSICIÓN DE ENTRADA Une por medio de un estrechamiento progresivo la sección del canal superior con la sección de control.

SECCIÓN DE CONTROL Es la sección correspondiente al punto donde comienza la pendiente fuerte de la rápida, manteniéndose en este punto las condiciones críticas. En la rápida generalmente se mantiene una pendiente mayor que la necesaria para mantener el régimen crítico, por lo que el tipo de flujo que se establece es el flujo supercrítico. Es la sección donde se presenta el cambio brusco de pendiente y se caracteriza porque en esta sección se produce el tirante crítico.

CANAL DE LA RÁPIDA Es la sección Comprendida entre la sección de Control y el principio de la trayectoria, puede tener de acuerdo a la configuración del terreno una o varias pendientes. Son generalmente de sección rectangular o trapezoidal.

TRAYECTORIA

Es la curva vertical parabólica que une la última pendiente de la rápida con el plano inclinado del principio del colchón amortiguador. Debe diseñarse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan vacíos. Si la trayectoria se calcula con el valor de la aceleración de la gravedad como componente vertical, no habrá presión del agua sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentará limitándose así la capacidad de conducción del canal, por lo que se acostumbra usar como componente vertical un valor inferior a la aceleración de la gravedad o incrementar el valor de la velocidad para que la lámina de agua se adhiera al fondo del canal.

TANQUE AMORTIGUADOR, COLCHÓN DISIPADOR O POZA DE DISIPACIÓN:   Es la depresión de la profundidad y longitud suficiente diseñada con el objetivo de absorber parte de la energía cinética generada en la rápida, mediante la producción del resalto hidráulico y contener este resalto hidráulico dentro de la poza. Se ubica en el extremo inferior de la trayectoria.

TRANSICIÓN DE SALIDA: Tiene el objetivo de unir la poza de disipación con el canal aguas abajo.

ZONA DE PROTECCIÓN: Con el fin de proteger el canal sobre todo si es en tierra, se puede revestir con mampostería.

PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE UNA RÁPIDA

1: DISEÑO DEL CANAL AGUAS

ARRIBA Y AGUAS DEBAJO DE LA RÁPIDA Utilizar las consideraciones prácticas que existen para el diseño de canales.

2: CÁLCULO DEL ANCHO DE LA SOLERA EN LA RÁPIDA Y EL TIRANTE EN LA SECCIÓN DE CONTROL En la sección de control se presentan las condiciones críticas, para una sección rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes:

Se puede asumir (Energía específica en el canal), para inicio de los cálculos y realizar la verificación.

También se puede suponer un ancho de solera en la rápida, calcular el tirante crítico en la sección de control y por la ecuación de la energía calcular el tirante crítico de la transición. Para que se dé en la sección de control el tirante crítico, al aplicar la ecuación de la energía puede requerirse que se produzca una sobre elevación del fondo.

Existen fórmulas empíricas para el cálculo del ancho de la rápida, las cuales son: Dadenkov:

Otra fórmula:

3:CÁLCULO DEL TIRANTE CRÍTICO EN LA SECCIÓN DE CONTROL Para obtener este tirante mediante la gráfica 1, debe calcularse el factor de sección Z

Entrando  en  la  gráfica  1  con              ,  si  es  de  sección  rectangular  o  trapezoidal  o  con  el  valor  de            ,    si  es  circular  siendo  “d”  el  diámetro,  luego  se  obtiene          o        respectivamente  de  donde de despeja el valor del tirante crítico .

GRAFICO #01 : CURVAS PARA EL CÁLCULO DE PROFUNDIDAD CRÍTICA

4: DISEÑO DE LA TRANSICIÓN DE ENTRADA

Espejo de agua en el canal. Ancho de la solera en la rápida.

5: CÁLCULO HIDRÁULICO EN EL CANAL DE LA RÁPIDA 5.1: CÁLCULO DE TIRANTES Y DISTANCIAS Se pretende calcular los tirantes para los diferentes tramos (distancias) con respecto a la sección de control. Y

A

R

v

E

5.2: BORDE LIBRE El borde libre en el canal de la rápida se puede obtener utilizando la fórmula empírica:

Para utilizar la fórmula es necesario determinar los tirantes de agua “y”, y las velocidades “v” existentes en distintos puntos a lo largo de la rápida. Estas se pueden obtener considerando un tirante crítico en la sección de control y mediante la aplicación de la ecuación de la energía en los tramos sucesivos. Los tirantes obtenidos se deben considerar perpendicular al fondo, las velocidades y las longitudes se miden paralelas a dicha inclinación, el borde libre se mide normal al fondo.

6: CÁLCULO DE LA PROFUNDIDAD DEL COLCHÓN AMORTIGUADOR

Elevación del canal

Elevación colchón

1 Z

7: CÁLCULO DE LA LONGITUD DEL COLCHÓN AMORTIGUADOR Puede usarse la fórmula :

Siendo K=5 para un canal de sección rectangular.

En la siguiente tabla se dan los valores recomendables para la profundidad (p) y la longitud (L) del colchón amortiguador en función del ancho de plantilla (b) y el desnivel (F). F (cm) b=75 b=90 b=100 b=110 b=130 b=140

P L P L P L P L P L P L

100

150

200

250

300

20 275 20 320 20 340 20 405 20 210 20 460

25 305 25 350 25 375 25 445 25 460 25 500

30 335 30 375 35 405 35 490 30 495 30 545

35 355 35 400 35 435 40 520 40 525 40 585

35 370 40 420 40 450 45 540 40 545 45 610

LONGITUD Y PROFUNDIDAD DEL COLCHÓN AMORTIGUADOR Para determinar las dimensiones del colchón amortiguador debemos conocer las condiciones en que el agua llega a pie de la trayectoria es decir su tirante y su velocidad .

Estableciendo Bernoulli entre el inicio trayectoria y el final del plano se llega a :

de

la

Carga de velocidad al final del plano = carga de velocidad en la rampa d

= tirante en la rampa     = proyección vertical de la trayectoria     = altura el plano     = tirante

Suponiendo valor de (aproximadamente pueden calcular y comprobar el valor de mediante:

Hasta obtener el valor correcto de

) se

, ,

Ya obtenido el valor de , lo que procede es obtener el tirante conjugado que forma el salto hidráulico. Esto se facilita usando la gráfica número 2 que da la relación de los tirantes conjugados entrando con el valor:

Obtenemos el valor de la relación despeja .

de donde se

La gráfica numero 3 nos da también en función del valor F la relación siendo L la longitud del colchón amortiguador.

Si conocemos el tirante en el canal de salida podemos obtener la profundidad. (P) del colchón.

GRÁFICO NÚMERO #03 PARA DETERMINAR LA LONGITUD DEL SALTO HIDRÁULICO

8: CÁLCULO DE LAS COORDENADAS Y ELEVACIONES DE LA TRAYECTORIA PARABÓLICA La trayectoria parabólica pares (x,y) de la rápida como se muestra en la figura, se calcula dando valores de “x” e “y” y calculando con la siguiente ecuación: S

Donde: y= coordenada vertical (ordenada) x= coordenada horizontal (abcisa) Θ = ángulo formado por la horizontal y el fondo del canal de la rápida V max = 1.5 al principio de la trayectoria

Dándole los valores a x obtenemos la siguiente tabla: X

Y

Elevación

CÁLCULO DEL PERFIL DE LA TRAYECTORIA Para definir el perfil de la trayectoria usaremos un sistema de ejes como se muestra en la figura, cuyo origen coincide con el final de la rampa.

La longitud horizontal de la trayectoria se obtiene con la expresión:

Y pueden obtenerse unas series de puntos para trazar la curva parabólica con la expresión:

Siendo en ambas expresiones S y V la pendiente y velocidad correspondiente de la rampa.

9: CÁLCULO DE LA TRANSICIÓN DE SALIDA Se realiza de la misma manera que la transición de entrada.

GRACIAS