DISEÑO HIDRÁULICO Y ESTRUCTURAL DE UNA TOMA LATERAL

Curso: estructuras hidráulicas. Docente: ing. Orlando Suarez.

Las obras de toma lateral para canales, son dispositivos hidráulicos construidos en la cabecera de un canal de riego. la finalidad de estos dispositivos es derivar y  regular el agua de un canal principal, estas obras pueden servir también para medir la cantidad de agua que circula por ellas.

OBRA DE TOMA LATERAL

SECCIÓN A-A

SECCIÓN B-B

CONSIDERACIONES HIDRÁULICAS En una red de riego, en especial en los canales secundarios o terciarios, las tomas se instalan normales al canal alimentador, lo que facilita la construcción de la estructura. Generalmente se utilizan compuertas cuadras las que se acoplan a una tubería, las dimensiones de las compuertas son iguales al diámetro de la tubería.

DISEÑO HIDRÁULICO 1.

Ecuación de las cargas de energía total ( ∆h)

 Aplicando la ecuación de Bernoulli en las secciones 1 (entrada al conducto, y 2 (salida), y considerando como nivel de referencia al eje del conducto (figura 10.3), se tiene:

ECUACIÓN DE BERNOULLI    += ++∑ℎ−

Ya que  ≈ 0 (esto debido a que la velocidad en el canal es perpendicular a la dirección de flujo en la alcantarilla, se tiene:

 =

  ++∑ℎ−

   =

 +∑ℎ− 

De la figura (10.3): ∆h=   ∆h=

 +∑ℎ− 

….(10.1)

donde: ∆h=carga total, diferencia de altura entre la superficie

libre de agua en el canal principal y el canal lateral.  

=carga de la velocidad en el conducto (tubería)

∑− =sumatoria de perdida entre los puntos 1 y 2

En la sumatoria de perdidas se tienen que considerar; perdida de carga por entrada (ℎ ),   de carga por  fricción (ℎ ) y perdida de carga por salida (ℎ ), siendo esta ultima despreciable, es decir se tiene: ∑ℎ− = ℎ +ℎ

…. (10.2)

a. las perdidas por entrada se calculan con la siguiente relación:  ℎ = 

…. (10.3)

donde:

entrada

 =perdidas por entrada.  =velocidad en la tubería.  =coeficiente que depende de la forma de

(10.1)

Tabla 10.1. valores de   Compuerta en pared delgada-contracción suprimida en

1.00

los lados y en el fondo. Tubo de entrante.

0.78

Entrada con arista en ángulo recto.

0.50

Entrada con arista ligeramente redondeada.

0.23

Entrada con arista completamente redondeada r/D=0.15

0.10

Entrada abocina circular

. Las perdidas por fricción se calcula con la ecuación:   =   Donde:   = Perdida por fricción.  = Longitud de la tubería.  = Pendiente de la línea de energía.

0.004

La ecuación de Manning establece que: =

      

de donde: =

  

²

Para el caso de una tubería que trabaja llena, se tiene: =

 

Luego, la pendiente de la línea de energía, se expresa: =

    

²

=

     

entonces, las perdidas por fricción, será:  =

  ²    

ordenando los factores en forma adecuada, se tiene: ℎ =

ℎ =

 3  ²   3

 2 

.79     .333 

…. (10.4)

Sustituyendo (10.3) y (10.4) en (10.2), resulta:

 ℎ− =

  

.79    + .333 

…. (10.5)

Reemplazando (10.1) en (10.1), se obtiene: ∆h=

∆h=(1+

 

 +  

.79    + .333 

.79     + .333 ) 

haciendo:

  

= hv

 Además, considerando una tubería de concreto con n = 0.015 y que existe entrada con arista en ángulo recto, es decir, Ke =0.5, se tiene: .79×.   ∆h =(1+ 0.5+ )ℎ .333 ∆h =(1.5 +0.028

 .333

)hv

….(10.6)

que es la expresión para la carga total.

2. Velocidad en el conducto ( ) Según el Bureau of Reclamatión, la velocidad en el conducto no debe superar a 1.07 m/s.

3. Diámetro (D) y área (A) del conducto  Aplicando la ecuación de continuidad: Q = vA

→

 A =

…. (10.7)

de otro lado: π

 A =



→

D=

 π

 

…. (10.8)

Procedimiento de cálculo Para los cálculos, con el dato de Q y suponiendo v = 1.07 m/s, de la ecuación (10.7) se encuentra A, con la ecuación (10.8) se determina D, este valor se redondea de acuerdo al diámetro superior inmediato que ofrecen los fabricantes. Con este valor se recalcula A y posteriormente v.

4. Sumergencia a la entrada (Sme) Puede usarse cualquiera de los siguientes criterios: Sme = D Sme =1.78 hv +0.0762

…. (10.9) …. (10.10)

5. Sumergencia a la salida (Sms) Sms =0.0762 6. Ancho de la caja de entrada a la toma (B) B = D + 0.305

….

(10.11)

7. Carga en la caja (h) Se calcula como un vertedero de pared delgada Q =1.84ℎ

3 

→ ℎ=

 .

 3

.(10.12)

Procedimiento de cálculo El diseño de la toma lateral implica dar dimensiones a la tubería (diámetro y longitud), calcular la velocidad en el conducto, la dimensiones de la caja, la sumergencia la entrada y salida, las dimensiones de transición de salida y su inclinación y las cotas de fondo correspondientes, conforme se indica en la figura 10.4.

El U.S. Bureau of Reclamation proporciona ciertas recomendaciones para el diseño, del cual se ha adaptado el siguiente proceso de calculo. 1. Aceptar la recomendación para la velocidad del conducto v = 1.07 m/s para iniciar cálculos. 2. Calcular el área A =Q/v. 3. Calcular el diámetro de la tubería.  A =Π

 

→D=

 Π

4. Redondear el diámetro a uno superior inmediato que se encuentre disponible en el mercado. 5. Recalcular el área.   A = π 

6. Recalcular la velocidad v =Q/A. 7. Calcular la carga de velocidad en la tubería.  hv = 8. Calcular la carga total ∆h. ∆h = 1.5 + 0.028

 .333

ℎ

9. Calcular la semergencia a la entrada (Sme). Sme = 1.78hv + 0.25 pies Sme = 1.78hv + 0.0762m 10. Calcular la sumergencia de la salida (Sms). Sms =0.0762m

(3”)

11. Calcular los lados de la caja de entrada. b= D + 0.305m

(D+1′)

12. Calcular la carga en la caja. 3 

Q =1.84 Bℎ → h =

3  (.) 

Donde B, es la longitud de cresta 13. Calcular cotas SLAC = cota fondo del canal +  Cota A = SLAC – D Cota B =SLAC – Sme – D Cota B′= cota B + D

Cota C =cota B – 4 pulg. =cota B – 0.1016m SLAL =SLAC - ∆h Cota D = SLAL – Sms –D Cota E = SLAL -  14. Calcular la longitud de salida.  =1.525 m (5′) De acuerdo a Hinds − L = .° donde : T = espejo de agua en el canal D = diámetro de la tubería

GRACIAS