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DISEÑO DE SIFON INVERTIDO

I.

INTRODUCCIÓN:

El diseño de algunas obras hidráulicas es fundamental en el desarrollo de una población es un aspecto importe al cual se debe dar solución por ello la ingeniera se ha caracterizado por que a lo largo del tiempo ha solucionado los distintos problemas que la sociedad demanda, el aumento de población y la escasez de lluvias traen consigo en consecuencia la ausencia de agua en la localidad por lo que se opta construir estructuras hidráulicas tales reservorios, sifones con el fin de solucionar este problema. Para que una estructura hidráulica funcione es indispensable que cumpla con ciertos requisitos, los sifones no son ajenos a estos conceptos es fundamental tener una cierta diferencia topográfica de niveles así como un caudal considerable, presión, temperatura, etc. El presente trabajo se trabajara con un sifón invertido el cual se encuentra ubicado en el distrito de Jesús departamento de Cajamarca con el fin de analizarlo y debatir sus virtudes y desventajas que este posee. El diseño realizado se fundamenta en los criterios de diseño de la autoridad nacional del agua.

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II.

RESUMEN

En el siguiente informe hablamos del sifón situado en el distrito de Jesús el cual es un distrito peruano y es uno de los 12 distritos que forman la provincia de Cajamarca ubicada en el departamento de Cajamarca, Perú.

Durante la práctica de campo se pudo reconocer una de las clases de sifones existentes en la localidad ya antes mencionada, se reconoció el sistema de funcionamiento, partes del sifón, los materiales empleados y las deficiencias que este presenta.

Los materiales empleados en el sifón el concreto simple normalizado empleado en tubos de 20 pulg. De diámetro y con un espesor de 2 pulg. , posee en los extremos dos cajas de concreto armado las cuales sirven de entrada de agua y salida de agua, y están compuestos en su estructura de rejillas para evitar así el paso de material sólido, posee también elementos de cierre para el control del caudal de agua.

En adelante se plantea también alternativas de solución ante los problemas constatados in situ como lo es la falta de limpieza, la no existencia de una válvula de purga y quizás un replanteo del material empleado.

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III.

OBJETIVOS:  Diseñar hidráulicamente un sifón invertido en la zona de jesus-chico.  Conocer el fundamento teórico para el diseño de un sifón invertido.  Calcular hidráulicamente el sifón invertido ubicado en el distrito de Jesús.  Determinar los parámetros de diseño necesarios para un buen funcionamiento de este sistema de transporte de masas de agua.

IV.

IV.JUSTIFICACION Los sifones invertidos son usados para transportar agua proveniente de canales por debajo de carreteras y vías de tren debajo de ríos y quebradas, etc. Cuando existen quebradas poco anchas profundas conviene cruzarlas con acueductos, pero cuando el cruce es ancho arriba y profundo en el centro muchas veces conviene proyectar un sifón invertido. Los estudios económicos y consideraciones topográficas, geológicas e hidrológicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructura.

V.

ACCESIBILIDAD

Para llegar al lugar de estudio se tomara un vehículo como medio transporte, por medio de la carretera Cajamarca-Jesús con un tiempo aproximado de 45 min, una vez situado en la plaza de armas se caminara aproximadamente 2.5 km hacia la zona de estudio. VI.

UBICACIÓN

El lugar de estudio se encuentra a 2km aproximadamente al sureste del distrito de Jesús – provincia de Cajamarca – departamento de Cajamarca.

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VII.

ALCANCES     

GPS WINCHA LIBRETA DE APUNTES LAPIZ CAMARA FOTOGRAFICA

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VIII.

MARCO TEÓRICO:

TEORIA DEL SIFON INVERTIDO Para cruzar una depresión, se debe recurrir a una estructura de cruce en cada caso se escoge la solución más 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

Perfil de un sifón invertido ELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA  Cuando 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 ras ante 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 ras ante del obstáculo. MECANICA DE FLUIDOS II

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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. CRITERIOS DE DISEÑO  Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida.  En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiere un 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.  En el caso particular del cruce con una quebrada o río de régimen caudaloso, deberá 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.  La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima 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.  Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita 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.  Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierras, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una velocidad de 1 m3  Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo “Cubierta Partida”, se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4 y 0.65 hv respectivamente 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 con o sin control en la entrada.

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 A fin de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales computadas se incrementan en 10%.  En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la 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”.  En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6.  En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento.  En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse ya sea que el 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.  Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse.  Con respecto a las pérdidas de carga totales, se recomienda la condición de que estas sean iguales o menores a 0.30 m Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la creciente.  Se debe considerar un aliviadero de demasías y un canal de descarga inmediatamente aguas arriba de la transición de ingreso.  Se recomienda incluir una tubería de aeración después de la transición de ingreso  Se debe analizar la necesidad de incluir válvulas rompe presión en el desarrollo de la conducción a fin de evitar el golpe de ariete, que podría hacer colapsar la tubería (solo para grandes caudales).  Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el diseño hidráulico  Se debe tener en cuenta los criterios de sumergencia (tubería ahogada) a la entrada y salida del sifón, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubería.

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DISEÑO HIDRÁULICO DEL SIFÓN INVERTIDO

El desnivel entre las gradientes de energía en la entrada y la salida algunas veces se predetermina y en otras será igual a la suma de todas las pérdidas producidas en el contorno. Las pérdidas de carga importantes son:

a. b. c. d. e. f.

En la transición de entrada y salida Perdida rejilla de ingreso y salida Por fricción en transiciones Por fricción en el sifón En los codos o cambios de dirección Por cambio de sección en la salida.

La simbología a emplearse

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a. Perdidas de carga en las transiciones de entrada y salida: Las pérdidas de carga en las transiciones son:

Donde : kt : 0.1 en la transición de entrada kt : 0.2 en la transición de salida

b. Perdidas de carga en las rejillas: Se calcula según Kirschmer:

De donde: Kr: coeficiente que depende de la forma de la reja : Ángulo que hace la reja con la horizontal s : espesor de la reja b : luz entre rejas Para rejillas completamente sumergidas se emplea la formula de Creager:

Siendo:

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Dónde: ag = área bruta de la estructura de rejillas an = área neta de paso entre rejillas V = velocidad neta a través de rejillas.

c. Perdida de carga en la entrada y salida:

De donde: h3 = pérdida de carga por entrada al conducto v = Velocidad del agua en el barril Ke = Coeficiente que depende de la forma de entrada d. Perdida de carga de fricción en el sifón

R= radio hidráulico L = longitud total del conducto MECANICA DE FLUIDOS II

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v = velocidad del agua en el conducto S = pendiente de la línea de energía e. Perdida de carga debida a codos y cambios de dirección:

VALORES DE Ke Compuerta en pared delgada - contracción suprimida en lados 1,0 y en el fondo entradas con arista en ángulo recto

0,5

Para entrada con arista ligeramente redondeada

0,23

Para entradas con arista completamente redondeada R/D = 0,15

0,1

para entrada abocinada circular

0,004

IX.

DESARROLLO DE LA PRACTICA:

IV.1 PROCEDIMIENTO: a) Calculo del gradiente hidráulico: Para calcular el gradiente hidráulico procedimos a reconocer el terreno para tomar las cotas tanto de la transición inicio como del final: ∆H = E1 – E2 = Z1 – Z2 = 2651 – 2647 = 4.00 m

∆𝐻 > 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠

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b) Calculo del diámetro de la tubería. Teniendo en cuenta que: Q=1.00 m3/seg ---- ya que es un sifón pequeño.

V= 1.6m/ seg

Ya que es un sifón pequeño. √

√

b.2) Calculo del Área Hidráulica:

b.3) Calculo del Perímetro mojado: P=D*π = 0.89*π = 2.80 m

b.4) Calculo del Radio Hidráulico:

b.5) La velocidad dentro de la tuberia de será (Ecuacion de continuidad): MECANICA DE FLUIDOS II

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b.6) Número de Reynolds:

√

√ b.7) Velocidad en el canal rectangular

Donde: Velocidad en el canal trapezoidal Área mojada del canal

La altura mínima de ahogamiento a la entrada

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√

√

√

√

Por lo tanto: Hmin