Sifones

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OBRAS HIDRÁULICAS

CONTENIDO SIFONES............................................................................................................ 2 1.

INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 2

2.

DEFINICIÓN ............................................................................................... 3

3.

TIPOS ......................................................................................................... 3 3.1. EL SIFÓN (NORMAL) ........................................................................... 3 3.2. EL SIFÓN INVERTIDO ......................................................................... 4 RAMAS OBLICUAS .................................................................................... 4 POZO VERTICAL ....................................................................................... 4 RAMAS VERTICALES ................................................................................ 5 CON CÁMARAS DE LIMPIEZA .................................................................. 5

4.

PARTES ...................................................................................................... 5 4.1. COMPUERTA DE EMERGENCIA Y REJILLA DE ENTRADA .............. 6 4.2. CONDUCTO O BARRIL ........................................................................ 6 4.3. DESARENADOR................................................................................... 8 4.4. TRANSICIONES DE ENTRADA Y SALIDA .......................................... 8 4.5. DESAGÜE DE EXCEDENCIAS ............................................................ 8 4.6. REGISTRO PARA LIMPIEZA Y VÁLVULA DE PURGA ....................... 9

5.

DISEÑO HIDRÁULICO ............................................................................... 9

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SIFONES

1. INTRODUCCIÓN El sifón surge como solución a la necesidad de burlar un obstáculo topográfico y su funcionamiento se debe a la presión atmosférica que actúa en la superficie del agua, a la entrada. Es notable la utilidad que tiene este tipo de estructuras no solo porque resuelve el problema de realizar grandes tramos de canal cuya construcción demandaría mayores costos elevando el monto del proyecto. Los sifones son usados para transportar agua proveniente de canales por debajo de carreteras y vías de tren debajo de ríos y quebradas, etc. Para que una estructura de este tipo llegue a su funcionamiento tiene que haber una diferencia de presiones entre la entrada (Presión atmosférica) y en el interior del conducto (Presión cero o próxima a cero). Los estudios económicos y las consideraciones topográficas, geológicas e hidrológicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructura.

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2. DEFINICIÓN Los sifones son estructuras hidráulicas que se utilizan en canales para conducir el agua a través de obstáculos tales como un río, una depresión de terreno u otro canal. Se puede diferenciar dos tipos de sifones en cuanto al principio de su funcionamiento: Sifón (Normal) y Sifón invertido.

3. TIPOS Según su Funcionamiento:

3.1.

EL SIFÓN (NORMAL)

El sifón normal, llamado simplemente sifón por la mayoría de los autores conduce el agua pasando sobre el obstáculo (como se muestra en la figura) y 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, entonces la diferencia de presión entre la entrada (Presión atmosférica) y en el interior del conducto (Presión cero o próxima a cero) hace que el agua fluya en sentido ascendente al llegar a la cresta A, el agua cae por gravedad hacia la rama derecha dejando un vacío en la cresta lo que hace que el flujo sea continuo mientras no se introduzca aire en el conducto, por esta razón la entrada al sifón debe estar siempre ahogada. Un ejemplo muy común de este tipo de sifones es el empleado por los agricultores para aplicar el agua a los surcos a través del bordo del canal.

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UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO 3.2.

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EL SIFÓN INVERTIDO

Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión y se utilizan para conducir aguas en el cruce de una tubería por una depresión topográfica en la que se ubica un canal, una vía, etc.

Los principales tipos de sifones invertidos son los que se indican a continuación:

RAMAS OBLICUAS Se emplea para cruces de obstáculos, para lo que se cuenta con suficiente desarrollo y en terrenos que no presenten grandes dificultades de ejecución.

POZO VERTICAL Con una o dos ramas verticales, son preferidos para emplazamientos de poco desarrollo en caso de grandes dificultades constructivas. Debido a sus características de fácil y reducido espacio, son muy aconsejables.

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RAMAS VERTICALES Lo mismo que pozos verticales.

CON CÁMARAS DE LIMPIEZA Tiene su aplicación en obras de cruce de vías subterráneas.

4. PARTES a. Compuerta de emergencia y rejilla de entrada Desarenador. b. Conducto o barril. c. Desarenador. d. Transición de entrada. e. Desagüe de excedencias. f. Registros para limpieza y válvulas de purga. g. Transición de salida ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

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No siempre son necesarias todas las partes indicadas pudiendo suprimirse algunas de ellas.

4.1.

COMPUERTA DE EMERGENCIA Y REJILLA DE ENTRADA

Por facilidad de construcción se localizan a la entrada del conducto, o sea al finalizar la transición de entrada. La compuerta de emergencia consiste en una o varias compuertas deslizantes o agujas de madera que corren sobre ranuras hechas en las paredes laterales o en viguetas de hierro y que en un momento determinado puedan cerrar la entrada al conducto para poder hacer limpieza o reparaciones al mismo. La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8” de diámetro o varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 (3/8” x 3/8”) colocados a cada 10 cm., y soldadas a un marco de 2.54 x 1.27 (1” x 1/2”). Su objeto es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y objetos extraños que impidan el funcionamiento correcto del conducto. La rejilla permite también proteger a las personas que por una u otra razón están usando el canal.

4.2.

CONDUCTO O BARRIL

Forma la parte más importante y necesaria de los sifones. Se recomienda profundizar el conducto, dejando un colchón mínimo de 1 m en las laderas y de 1.5 m en el cruce del cauce para evitar probables fracturas que ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

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pudieran presentarse debido a cargas excesivas como el paso de camiones y tractores.

Sección transversal Por cuestiones de construcción pueden ser: 1. Cuadradas 2. Rectangulares H/B = 1.5 3. Circulares

Velocidades en el conducto Las velocidades de diseño en sifones grandes son de 2 a 3m/seg, mientras que en sifones pequeños es de 1.6 m/s. Un sifón se considera largo, cuando su longitud es mayor a 500 veces el diámetro.

Funcionamiento El sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida. Ahogamiento > 10 %, puede tenerse ahogamiento las pérdidas totales.

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UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO 4.3.

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DESARENADOR

Consiste en una o varias compuertas deslizantes colocadas en una de las partes laterales, que descargan a un canal con pendiente superior a la del propio canal. Sirven a la vez para desalojar el agua del sifón, cuando por reparaciones en éste sean cerradas las compuertas o agujas de emergencia, se recomienda hacerlos de las dimensiones convenientes para que pase el caudal por desalojar y unirlos al canal colector de la obra de excedencias. Conviene localizarlo antes de la transición de entrada.

4.4.

TRANSICIONES DE ENTRADA Y SALIDA

Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es diferente a la adoptada en el conducto o barril, es necesario construir una transición de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda. 𝐿=

𝑇1 − 𝑇2 2𝑇𝑔 22.5°

En el diseño de una transición de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifón un poco más abajo de la superficie normal del agua. Esta práctica hace mínima la posible reducción de la capacidad del sifón causada por la introducción del aire. La profundidad de sumergencia de la abertura superior del sifón se recomienda que esté comprendida entre un mínimo de 1.1 h y un máximo de 1.5 h. donde:

Hv = carga de velocidad

4.5.

DESAGÜE DE EXCEDENCIAS

Es una estructura que evita que el nivel del agua suba más de lo tolerable en el canal de llegada, evacuando el caudal que no pueda pasar por el ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

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sifón. Generalmente consiste en un vertedor lateral construido en una de las paredes del canal. Para el caudal normal, la cresta del vertedor estará al nivel de la superficie libre del agua.

4.6.

REGISTRO PARA LIMPIEZA Y VÁLVULA DE PURGA

Se coloca en la parte más baja del barril, permite evacuar el agua que quede almacenada en el conducto cuando se deja de usar el sifón, con fines de limpieza o reparación, y consistirá en válvulas de compuerta deslizante, de las dimensiones que se estime conveniente de acuerdo con el caudal a desalojar. Se pueden usar para desalojar lodos. Algunas veces estas válvulas no se pueden colocar en la parte más baja del sifón por tratarse del fondo del cauce del río por salvar, habiendo necesidad cuando se presente el caso, de alguna bomba que succione el agua restante. Estas válvulas se protegen por medio de un registro de tabique o concreto que llega hasta la parte superior del terreno. Deben abrirse gradualmente para evitar aumentos de velocidades fuertes en las tuberías.

5. DISEÑO HIDRÁULICO Para que cumpla su función el diseño del sifón, se debe de proceder como sigue:

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Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplicamos la ecuación de la energía específica: 𝐏𝟏 𝐕𝟏 𝟐 𝐏𝟐 𝐕𝟐 𝟐 + + 𝐙𝟏 = + + 𝐙𝟐 + 𝐡 𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥𝐞𝐬 𝛄 𝟐𝐠 𝛄 𝟐𝐠

∆𝐡 =

𝐏𝟏 𝐕𝟏 𝟐 𝐏𝟐 𝐕𝟐 𝟐 + + 𝐙𝟏 − ( + + 𝐙𝟐 ) 𝛄 𝟐𝐠 𝛄 𝟐𝐠

Se lo puede definir también como una estructura hidráulica que permite conducir un líquido desde un nivel de cota topográfica alta hasta un punto más bajo; pero atravesando puntos más altos que los del nivel de entrada.

Pasando el plano referencial por el extremo de salida de la tubería y aplicando la ecuación de la energía entre la fuente y la sección de salida del conducto.

P1



+ Z1 + 1

V1

2

2g

=

P2



2

+ Z

2

+

V2 2

+

2g



pérdidas

1→ 2

Condiciones de frontera: P1 = P2 = Pat = 0

Z1 =

(Presiones manométricas)

Constante (flujo permanente)

Z2 = 0

(El plano de referencia pasa por el centroide del extremo

de descarga) ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

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UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO V1 = 0 V2 = V

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(Flujo permanente) (Velocidad en cualquier sección del conducto)

 = 1 (Flujo turbulento)

Sustituyendo las condiciones de frontera en la ecuación de la energía y teniendo en cuenta además que el término de pérdidas incluye las pérdidas por fricción y las singulares, se llega a la siguiente expresión.

H =

8Q

2

 gD 2

L   f + K  1 + D  

4

H =

Desnivel entre la fuente y el extremo de salida

Q =

Caudal de diseño

g =

Gravedad terrestre

D =

Diámetro del sifón

L =

Longitud del sifón

f =

Factor de fricción de Darcy

K =

Suma de coeficientes de pérdidas en accesorios del

sifón.

Aplicando la ecuación de la energía entre la fuente y la sección crítica “ c ” de presiones negativas.

P1



+ Z1 +

 V1 2g

2

=

P2



+ Zc +

Vc 2g

+



pérdidas

1→ c

En la fuente se tiene las mismas condiciones de frontera, sólo que ahora consideramos presiones absolutas para compatibilizar con la presión de vapor del líquido que tiene valor absoluto. Reemplazando estas condiciones en la ecuación de la energía y despejando la presión crítica del punto

c

.

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8Q  Pc   P  =  atm  − h c − 2    gD    abs   

Pc

=

Patm=

4

L´   f + K ´ 1 + D  

Presión absoluta en la sección crítica c Presión barométrica

hc

=

Desnivel entre la fuente y la sección crítica c

Q

=

Caudal del diseño del sifón

g

=

Gravedad terrestre

D

=

Diámetro del sifón

L´ =

Longitud de la tubería desde la entrada hasta la sección crítica c

K´=

Suma de coeficientes de accesorios desde la entrada hasta la sección crítica c.

En el caso de sifón, la fuente de energía externa lo constituye la presión atmosférica local para el tramo de ascenso y la carga hidráulica para el ramal de descenso. Los accesorios imprescindibles en el sifón normal son: una pichincha, constituida por una coladera y una válvula check o de pie; un tapón de cebado en la parte más alta, una válvula de aire y una válvula de compuerta o de purga.

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