Ing. R.

Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

SEGUNDA UNIDAD

DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS DE CRUCE Y DESNIVEL

2.2.2. DISEÑO DE CAÍDAS

Las caídas o gradas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario salvar desniveles bruscos en
la rasante de un canal; permite unir dos puntos, uno superior y otro inferior, por medio de un plano vertical,
permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo.

2.2.2.1. CAÍDAS VERTICALES

Cuando se requiere unir dos tramos de canales, uno más alto que el otro, se proyectan las caídas verticales. Estas
estructuras permiten disipar la energía del agua para el control del flujo de agua y minimizar el proceso de erosión
en el cuerpo del canal.
En una caída el agua se precipita libremente formando un colchón de amortiguación y aguas abajo se produce un
resalto hidráulico en donde se disipa parte de la energía que lleva el agua.

Elementos de una caída vertical

Se puede distinguir los siguientes elementos:
• 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 se inicia la caída, cercano a este punto
se presentan las condiciones críticas. La sección de control tiene por finalidad, mantener el flujo aguas
arriba en régimen tranquilo, de manera que es en la misma sección de control donde ocurre el cambio
de régimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad critica.
• Caída en sí: la cual es de sección rectangular.
• Poza o colchón amortiguador: es de sección rectangular, siendo su función la de absorber la energía
cinética del agua al pie de la caída.
• Transición de salida: une la poza de disipación con el canal aguas abajo.

2.2.2.2. CRITERIOS DE DISEÑO

El diseño se realiza en dos etapas, primero se inicia dimensionando la sección de control y luego se procede a
dimensionar el pozo amortiguador.
 Se construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un desnivel de 1 a 2 metros como máximo, sólo
en casos excepcionales se construyen para desniveles mayores.
 Se recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000 l/s por metro de ancho, siempre se debe
construir caídas inclinadas, además la ejecución de estas obras debe limitarse a caídas y caudales
pequeños, principalmente en canales secundarios construidos en mampostería de piedra donde no se
necesita ni obras de sostenimiento ni drenaje.
 Cuando el desnivel es ≤ 0.30 m y el caudal ≤ 300 l/s por metro de ancho de canal, no es necesario poza de
disipación.
 La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua que vierte sobre ella si se coloca un
vertedero calibrado.
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 Por debajo de la lámina vertiente en la caída se produce un depósito de agua de altura Yp que aporta el
impulso horizontal necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo.

Figura de características de la caída vertical

 Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de la cámara indicada en la Fig. 1, el cual
se debe reemplazar para evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura.
 Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las soluciones siguientes:
a) Contracción lateral completa en cresta vertiente, disponiéndose de este modo de espacio
lateral para el acceso de aire debajo de la lámina vertiente.

3
b) Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m /s por metro de ancho
de cresta de la caída, según ILRI (5) Pag. 210, es igual a:

Donde: qa = suministro de aire por metro de ancho de cresta

y = tirante normal aguas arriba de la caída
qw = máxima descarga unitaria sobre la caida

El resalto hidráulico se inicia con una profundidad (Y1) y finaliza con una profundidad (Y2) y la distancia que separa
los tirantes se denomina longitud del resalto hidráulico (L J), la cual se determina con las gráficas respectivas que
se tiene para la poza disipadora.

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2.2.3. DISEÑO DE RAPIDAS

Las rápidas son estructuras utilizadas para enlazar dos tramos de canal donde existe un desnivel considerable,
desde una elevación mayor a una más baja en una longitud relativamente corta. Las rápidas son similares a las
caídas, excepto que ellas transportan el agua sobre distancias más largas, con pendientes más suaves y a través de
distancias más largas. 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

Elementos de una rápida

Se puede distinguir los siguientes elementos:
• Transiciones, tanto de entrada como de salida, tienen como objetivo unir en forma gradual el canal superior
con la sección de control y la poza disipadora con el canal aguas abajo. La sección donde comienza la
pendiente fuerte de la rápida se denomina sección de control, manteniéndose en este punto las condiciones
críticas.
• Sección de control, es la sección correspondiente al punto donde se inicia el tramo inclinado, cercano a este
punto se presentan las condiciones críticas. La sección de control tiene por finalidad, mantener el flujo aguas
arriba en régimen tranquilo, de manera que es en la misma sección de control donde ocurre el cambio de
régimen y el agua alcanza la profundidad y velocidad critica.
• Tramo inclinado, viene a ser el canal de la rápida generalmente de sección rectangular, siendo 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.
• 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 tal modo que la corriente de agua permanezca
en contacto con el fondo del canal y no se produzca vacíos.
• Disipador de energía o Poza disipadora, es la depresión de profundidad y longitud suficiente diseñada con
el objeto de absorber parte de la energía cinética generada en la rápida, mediante la producción de resalto
hidráulico, y contener este resalto dentro de la poza. Inicia con plano inclinado 1.5:1, después por un fondo
plano de nivel inferior al canal de salida con el cual se une a través de un escalón que será la profundidad
de la poza disipadora.

Consideraciones de diseño
La parte de la entrada de la estructura transiciona el flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el
tramo inclinado. Debe proveer un control para impedir la aceleración del agua y la erosión en el canal.
El control es logrado por la combinación de una retención y un vertedero en la entrada. La entrada usada debería
ser simétrica con respecto al eje de la rápida, permitir el paso de la capacidad total del canal aguas arriba hacia la
rápida con el tirante normal de aguas arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuación de las aguas del canal
cuando la operación de la rápida sea suspendida. Debería tener uñas para proveer una suficiente longitud de
camino de percolación, calculado según el método de LANE.

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Las pérdidas de carga a través de la entrada podrían ser despreciadas en el caso que sean lo suficientemente
pequeñas que no afecten el resultado final. De otra manera, las pérdidas a través de la entrada deberían ser
calculadas y usadas en la determinación del nivel de energía en el inicio del tramo inclinado. Si la pendiente del
fondo de la entrada es suave puede asumirse que el flujo crítico ocurre donde la pendiente de la entrada cambia
a la pendiente más fuerte del tramo inclinado. En el caso que la pendiente de la entrada sea suficientemente
pronunciada para soportar una velocidad mayor qua la velocidad crítica, debería calcularse dicha velocidad y
tirante correspondientes, para determinar la gradiente de energía al inicio del tramo inclinado.
El tramo inclinado con tubo o canal abierto, generalmente sigue la superficie original del terreno y se conecta con
un disipador de energía en un extremo más bajo. Muchos libros sobre mecánica de fluidos discuten el
comportamiento del agua la pendiente pronunciada y en saltos hidráulicos, y derivan las ecuaciones usadas para
determinar las características del flujo bajo las condiciones. Algunas de las soluciones son obtenidas por tanteo.
Pozas disipadoras o salidas con obstáculos son usadas como disipadoras de energía en este tipo de estructuras.
Una transición de salida es usada cuando es necesario para transicionar el flujo entre el disipador de energía y el
canal aguas abajo. Si es necesario proveer el tirante de aguas abajo al disipador de energía, la superficie de agua
en la salida debe ser controlada. Si se construye una transición de salida de concreto y cuando no hay control del
flujo después en el canal, la transición puede ser usada pare proveer al remanso elevando el piso de la transición
en el piso de la uña. El tirante de aguas abajo también puede ser provisto por la construcción de un control dentro
de la transición de salida. La pérdida de carga en la transición de salida es despreciable.

2.2.3.1. PROCEDIMEINTO DE DISEÑO

a). Coeficiente de rugosidad de MANNING
• En el cálculo de las características de flujo en una estructura de este tipo son usados valores conservadores
del coeficiente de rugosidad de Manning “n” cuando se calcula la altura de muros en una rápida de
concreto, se asume valores de n=0.14 y en el cálculo de niveles de energía valores de n=0.010.
• Para caudales mayores de 3 m3/s, deberá chequearse el número de Froude a lo largo del tramo rápido,
para evitar que el flujo no se despegue del fondo.
b). Transiciones
Las transiciones en una rápida abierta, deben ser diseñadas para prevenir la formación de ondas. Un cambio
brusco de sección, sea convergente o divergente, puede producir ondas que podrían causar perturbaciones,
puesto que ellas viajan a través del trazo inclinado y el disipador de energía. Para el caso de transición recta
utilizar la referencia del caso.
c). 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:

Yc3 = Q2/(gb2)
Por otro lado se tiene:
b2 = 27Q2/(8gE3min)
Se puede asumir que Emin = En (energía específica en el canal), para inicio de los cálculos y realizar la
verificación.
Existen otras fórmulas empíricas para el cálculo del ancho de la rápida, como la de Dadenkov:
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b = 0.765Q2/5

d). Obtención de la sección transversal de la rápida.

La sección transversal de una rápida puede adoptar diferentes formas, pero sin lugar a dudas las más empleadas
son la trapecial y la rectangular.
La definición del ancho (b) de la rápida, resulta ser eminentemente económica y se obtiene luego de conjugar el
volumen de hormigón a utilizar, con el volumen de excavación de la misma.
En relación con lo antes mencionado, es importante tener presente que no necesariamente la rápida más barata
conduce al aliviadero más barato y muestra de ello pudieran ser los siguientes ejemplos:
 Un ancho impuesto por la rápida puede generar un funcionamiento inadecuado de la transición o de la
sección de control o de ambas inclusive, lo cual pudiera encarecer la obra en su conjunto.
 Un ancho pequeño de rápida provoca un gasto específico grande en el disipador de energía, lo que en
general encarece significativamente este último.
Basado en la experiencia, Grishin recomienda para la obtención del ancho mínimo de la rápida, el uso de la
siguiente expresión:

Donde el término (bcs), es el ancho del canal de salida y se determina de la siguiente manera:

Siendo:
Q = gasto de diseño que circula por el aliviadero
qcs = Gasto especifico del canal de salida que se fija en función del tipo de terreno que se disponga en la
zona donde será ubicado éste.
A continuación se presenta una tabla en la que según Grishin, los valores de q cs que allí aparecen provocan una
erosión tolerable sobre el terreno.

e). Cálculo del tirante (h).

Donde:
Q = gasto de diseño que circula por el aliviadero
b = ancho de la rápida
Vmáx = Velocidad máxima permisible

f). la trayectoria
En caso de emplearse un pozo o un estanque como disipador de energía es práctica frecuente que un tramo
final de la rápida se haga curvo, con el objetivo de dirigir el chorro de agua hacia el fondo del disipador pues
con ello se incrementa la eficiencia en la disipación de energía por impacto. A esta parte curva se le
denomina trayectoria y su punto de inicio se ubica 0.3H por encima del fondo del canal de salida y su forma
viene dada por la ecuación:

En la que v1 es la velocidad del flujo al inicio de la trayectoria en (m / s) y αo es el ángulo que forma el fondo
de la rápida con la horizontal en el tramo donde se ubica la trayectoria.

g). altura del muro lateral de la rápida

Desde el punto de vista hidráulico, la altura de los muros laterales se determina de la siguiente manera:
AM = Y + BL
Donde:

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BL = Bordo libre. Generalmente los conductos de descarga de aliviaderos asumen un valor que se
encuentra entre 0.2- 0.5 m.
Se puede obtener utilizando la fórmula:
BL = 0.61 + 0.037 v √𝑦
Y = Profundidad de circulación en la rápida, que se obtiene inicialmente a partir de la cota de la superficie
libre del agua en la rápida, calculado por la curva superficial, pero puede variar según los siguientes
criterios que se aplican en el diseño de una rápida:
a) Velocidad máxima permisible.
b) Aireación del flujo.
Si los muros laterales de la rápida desempeñaran la función de muros de contención, su altura puede
ser superior a la que se obtenga según el criterio hidráulico.
Velocidad máxima permisible:
Producto de las fuertes pendientes que se presentan en la rápida, en ella se producen altas
velocidades que pueden acarrear consecuencias negativas tales como la abrasión del hormigón y la
cavitación, que ponen en peligro la integridad de la estructura.
Para eliminar tales fenómenos, resulta muy frecuente en la práctica, el diseño de rápidas con
velocidad no superior a los 15.0 m/s para hormigones convencionales y hasta 30 m/s para
hormigones de alta calidad. Altas velocidades en el flujo que puedan dar lugar a la ocurrencia de la
cavitación. Se debe evitar la obtención de pendientes muy fuertes (30%), pues las mismas pueden
dificultar los trabajos de construcción de la rápida y producir una vez en explotación,

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2.3. ESTRUCTURAS DE CRUCE

Son las obras mediante las cuales es posible cruzar un canal con cualquier obstáculo (una vía de ferrocarril, un
camino, un río, un dren, una depresión o sobre elevación natural o artificial del terreno) que se encuentra a su
paso. Para salvar el obstáculo, se debe recurrir a una estructura de cruce que puede ser:
- Acueducto - Alcantarilla - Sifón - Túnel

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 rasante 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 rasante del obstáculo.
 La decisión que se debe tomar sobre cuál de las estructuras es mejor en un caso determinado depende
también de consideraciones de tipo económico y de seguridad.

2.3.1. DISEÑO DE ACUEDUCTOS

El Acueducto o puente canal es un conducto que fluye como canal encima de un puente. Es una estructura utilizada
para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresión. La depresión puede ser otro canal, un camino,
una vía de ferrocarril o un tren. El puente canal es un conjunto formado por un puente y un conducto, el conducto
puede ser de concreto, hierro, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad.
El alineamiento del canal no se modifica y se conservan los diseños de la sección transversal y de la pendiente.

2.3.1.1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS

La principal ventaja de un acueducto es que al cruzar el canal o dren, no obstaculiza el flujo libre del agua a través
de ellos. La desventaja es que su construcción es una solución cara ya que se diseña como puente y los apoyos de
este deben calcularse teniendo en cuenta todas las cargas y asegurar que soporten todos los esfuerzos de la
superestructura. En el caso que se optara por un acueducto con varios conductos circulares, en los extremos será
necesario proyectar tanques o cámaras para mejorar su funcionamiento. Deberá verificarse si no hay otra solución
más barata como por ejemplo una alcantarilla o un sifón invertido.

2.3.1.2. CRITERIOS HIDRÁULICOS

En el diseño hidráulico del acueducto se puede distinguir las siguientes componentes:
1. Transición de entrada, une por un estrechamiento progresivo el canal con el puente canal, lo cual provoca
un cambio gradual del agua en el canal.
2. Conducto o tramo elevado, generalmente tiene una sección hidráulica más pequeña que la del canal.
3. Transición de salida, une el puente canal con el canal.
La forma de la sección transversal, por facilidades de construcción se adopta una sección rectangular, aunque
puede ser semicircular o cualquier otra forma.

El diseño hidráulico de un acueducto se hace antes del diseño estructural. Para el diseño hidráulico de esta
estructura es suficiente cambiar la sección de canal por un canal de sección rectangular y para disminuir su sección
aumentar la pendiente hidráulica. Con este objeto, después de diseñar la sección más conveniente del acueducto,
se determina las transiciones de entrada y salida para empalmar la sección del canal con la sección del acueducto
tanto a la entrada como a la salida.
La información mínima para el diseño hidráulico consiste de:
- Las características hidráulicas del canal de riego.
- Las elevaciones del fondo del canal de riego, tanto aguas arriba como aguas debajo de la estructura.
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En cuanto a la ubicación del acueducto debe asegurarse que el flujo de agua hacia la estructura sea lo más uniforme
posible, orientar y alinear el acueducto de tal forma que no sea obstáculo ni para el canal que pasa por la estructura
ni para el canal que cruza.
Por lo general un acueducto se diseña para las condiciones del flujo subcrítico (aunque también se puede diseñar
para flujo supercrítico), por lo que el acueducto representa una singularidad en el perfil longitudinal del canal, que
crea efectos hacia aguas arriba.
Por lo anterior en la sección 4 de la figura, se tienen las condiciones reales, siendo su tirante real de flujo el
correspondiente al Yn del canal, por lo que esta sección representa una sección de control.
La ubicación de una sección de control, resulta importante para definir el sentido de los cálculos hidráulicos, en
este caso, desde la sección 4 hacia la sección 1 aguas arriba. Cabe recalcar que para el caso de un diseño en flujo
supercrítico, el acueducto sería una singularidad que crea efectos hacia aguas abajo, por lo que la sección de
control estará en la sección 1, y los cálculos se efectuarían desde 1 hacia la sección 4 aguas abajo.
Se recomienda no cambiar el tipo de régimen y que el tirante en el puente canal sea igual al del canal aguas arriba
para evitar la producción de la curva de remanso, se puede variar b.
La transición aguas arriba y abajo del acueducto debe producir en cambio gradual de la velocidad del agua en el
canal mismo, hacia el tramo elevado, cambiando también la sección trapezoidal del canal rectangular si está fuera
el caso. En cuanto más alta sea la velocidad del agua en el canal, más importante sería disponer de una buena
transición. Los cálculos pueden realizarse aplicando los criterios presentados en el acápite correspondiente.
a) La Entrada
Por lo general las velocidades del agua son más altas en el acueducto que en el canal, resultando en una aceleración
del flujo en la transición de entrada y una disminución del pelo de agua en una altura suficiente para producir el
incremento de la velocidad necesario y para superar las pérdida de cargas por fricción y transición. Cuando se
desprecia la perdida por fricción, que generalmente es mínima, se puede calcular esta disminución (Δy) del pelo
de agua con la ecuación:
Δ y = (Δhv + CI Δhv) = ( 1 + CI ) Δ hv
Donde:
Δy = Disminución del pelo de agua (m)
Δhv = Diferencia en la carga de velocidad (m)
CI = Coeficiente de pérdida en la entrada (Ver cuadro 1)
Δhv = (V2² -V12) /2g
V1 = Velocidad del agua en el canal aguas arriba (m/s)
V2 = Velocidad del agua en el acueducto (m/s)
La elevación A1 en el inicio de la transición de entrada, coincide con la elevación del fondo del canal en esta
progresiva. La elevación B1 la final de la transición de entrada, o el inicio del acueducto, se determina según la
expresión:
Cota B = Cota A + Y1 – (Y2 + Δy )
Donde:
Y1 = Tirante de agua en el canal aguas arriba (m)
Y2 = Tirante de agua en el acueducto (m)
Δy = Disminución del pelo de agua (m)
b) La Salida
Para estructuras de salida, la velocidad se reduce, por lo menos en parte, a los efectos de elevar la superficie del
agua. Esta elevación en la superficie del agua, conocida como la recuperación de la altura de velocidad está
normalmente acompañada por una pérdida de conversión, conocida como la pérdida de salida. El incremento (Δy)
de la superficie del agua para estructuras de salida se puede expresar como:
Δ y = Δhv + Co Δhv = (1 + Co) Δ hv
Donde:
Δy = Incremento del pelo de agua (m)
Δhv = Diferencia de la carga de velocidad (m)
Co = Coeficiente de pérdida de la salida (ver cuadro 1)
Δhv = (V2² -V32) /2g
V2 = Velocidad del agua en el acueducto (m/seg.)
V3 = Velocidad del agua en el canal aguas abajo (m/seg.)
La elevación C2, en el inicio de la transición de salida, coincide con la elevación del fondo final del acueducto. La
elevación D2, al final de la transición de salida, o el inicio del canal aguas abajo del acueducto, se determina según:
Cota D = Cota C – (Y3 – (Y2 + Δy)
Donde:
Y3 = Tirante de agua en el canal aguas abajo (m)
Y2 = Tirante de agua en el acueducto (m)
Δy = Incremento de la superficie del agua (m)
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Los coeficientes recomendados de CI y Co para usar en los cálculos se dan en el siguiente cuadro 1:

Cálculo de pérdidas de carga en las transiciones, estas pérdidas se calculan con la ecuación

Siendo v1 > v2
Para una transición de salida (expansión): K = Ks = 0.20.
Para una transición de entrada (contracción): K = Ke = 0.10.
y utilizando la Tabla, para los valores Ke y Ks, coeficientes de entrada y salida respectivamente.

c) Tramo elevado
Los acueductos se construyen generalmente de concreto armado. Desde el punto de vista constructivo, la sección
más apropiada en concreto armado es una sección rectangular.
El diseño del conducto elevado por condiciones económicas debe ser del menor ancho posible, pero manteniendo
siempre el mismo tipo de flujo, en este caso flujo subcrítico. A fin de que las dimensiones sean las mínimas posibles
se diseña para condiciones cercanas a las críticas.
Para una sección rectangular, en condiciones críticas se cumplen las siguientes ecuaciones:

Igualando ambas ecuaciones, se tiene:

De donde despejando b, se tiene:

De la ecuación anterior, como Q es conocido (se debe conocer el caudal de diseño), para calcular b, se requiere
conocer Emin. Entonces se toma como una aproximación de Emin el valor de E4 calculado como:

Calculado el valor de b crítico, para propiciar un flujo subcrítico en el conducto, se toma un valor mayor que este.
Un valor mayor del ancho de solera reduce el efecto de la curva de remanso que se origina en el conducto. Resulta
aceptable que la curva de remanso afecte el 10% del borde libre. En resumen, para definir el ancho del conducto,
se calcula b utilizando la ecuación respectiva, luego se amplía su valor en forma adecuada, recordando que un
valor disminuye el efecto por curva de remanso, pero disminuye la velocidad en el conducto.
La sección hidráulica más eficiente es aquella cuya relación entre el ancho (b) y el tirante (y) esa entre 1.0 y 3.0.
Para cualquier relación b/y en este rango, los valores del área mojado, velocidad y perímetro mojado son casi

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Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

idénticos, cuando la pendiente del fondo del acueducto varía entre 0.0001 y 0.100 y para caudales pequeños hasta
2.85 m³ / seg.
La sección más económica del acueducto tendrá una velocidad de agua más alta que la velocidad de agua en un
canal en tierra y consecuentemente la pendiente del acueducto será también mayor que la pendiente del canal.
Estudios realizados muestran que, con una relación b/y igual a 1, 2 ó 3, la pendiente del acueducto no debe ser
mayor de 0.002 para evitar un flujo supercrítico. Usando un valor para el factor de rugosidad (n), reducido en un
20%, se recomienda verificar si el flujo no se acerca mucho al flujo supercrítico, para evitar un flujo inestable en el
acueducto.
El valor común del factor rugosidad para un acueducto de concreto armado es n=0.014. La pendiente del
acueducto se determina con:
Sr = (Cota B – Cota C)/ L
Donde:
Sr = Pendiente de la rasante del acueducto
Cota B = Elevación en el inicio del acueducto (m.s.n.m.)
Cota C = Elevación al final del acueducto (m.s.n.m.)
L = Longitud del acueducto entre los puntos B y C (m)
La pendiente calculada con la formula anterior debería ser menor de 0.002; caso contrario habrá que modificar el
diseño. El cálculo hidráulico se hace con la conocida fórmula de MANNING:
c.1. Cálculo de los efectos de la curva de remanso
El efecto de la curva de remanso incide en los tirantes de las secciones 1, 2, 3 y 4 de la figura
Para el cálculo de y3, se debe aplicar la ecuación de la energía entre las secciones 3 y 4:

Donde:

Para determinar el valor de y3 de la ecuación, se resuelve por medio de tanteos.

Para el cálculo de y2, se debe aplicar la ecuación de la energía entre las secciones 2 y 3:

Donde:

Para determinar el valor de y2 de la ecuación ∆Z, se resuelve por medio de tanteos.

Para el cálculo de y1, se debe aplicar la ecuación de la energía entre las secciones 1 y 2:

Donde:

Para determinar el valor de y1 de la ecuación se debe realizar por medio de tanteos.

El cálculo de la altura de remanso es:
Hremanso = y1- y4.

c.2.) Pérdida de carga por fricción en el puente canal

El comportamiento hidráulico corresponde al de un canal o tubería que trabajan sometidos a la presión
atmosférica y bajo la acción de la gravedad (por esto es aplicable la ecuación de Manning), en consecuencia las
pérdidas de carga por fricción se determinan así:

2.3.1.3. CRITERIOS ESTRUCTURALES

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a) Condiciones del suelo

Para diseñar una estructura de acueducto se tiene que conocer las condiciones del suelo sobre lo cual se construirá
la estructura. Se tiene que hacer como mínimo una perforación en el sitio de construcción de cada obra de arte y
hasta una profundidad de por lo menos de dos metros por debajo del nivel de cimentación de la estructura.
También se debe anotar el nivel de la napa freática encontrado al momento de la perforación.
En base a los datos de perforación se puede calcular o estimar la capacidad de carga del terreno, y calcular la
presión lateral en las paredes.
Loa datos necesarios que se tiene determinar o estimar en base de las perforaciones son:
- La textura
- El peso especifico del material seco.
- El peso especifico del material bajo agua
- El anulo de fricción interna.
- La capacidad portante del suelo.
b) Características Estructurales.
Las características de los materiales que se usarán en la construcción: concreto, armadura, madera, etc.
- Concreto (para concreto armado)
- Concreto ciclópeo
- Armaduras
- Densidad del concreto.
Además se tiene que mencionar el tipo de cemento y el recubrimiento necesario que depende de las condiciones
que debe resistir el concreto.
c) Diseño Estructural
El diseño estructural del acueducto comprende en tres elementos que forman la estructura, como son:
- La caja que conduce el agua o el acueducto.
- Las columnas.
- Las zapatas.
Para cada uno de estos elementos debería verificarse cuál sería el caso crítico.
Para iniciar el cálculo de cada elemento, se debe estimar un valor para su espesor. Como valor inicial para la losa
y las vigas de la caja de acueducto se recomienda tomar un espesor d = 0.15 m, básicamente por razones
constructivas.
d) La caja del Acueducto
La caja consiste de una losa soportada por dos vigas laterales, formando así una canaleta de sección rectangular
para transportar el agua. Las vigas están soportadas en ambos extremos por las columnas. El caso crítico para el
diseño es cuando la caja está llena de agua hasta la parte superior de las vigas laterales, es decir sin considerar el
borde libre.
El cálculo de la caja se hace en dos etapas, considerando primero las cargas en la sección transversal y luego las
cargas que actúan sobre las vigas en el sentido longitudinal.
Las cargas de sección transversal.
- La presión lateral del agua sobre las vigas.
- El peso del agua sobre la losa.
- El peso propio de la losa.
e) La Columnas
La columna transmite las cargas de caja hacia la zapata, y cuenta con una viga en la parte superior, la cual forma
el soporte para la caja.
Las cargas que actúan sobre la columna son:
- Las reacciones de las vigas de la caja.
- El peso propio.
f) La Zapata
La zapata debe transmitir todas las cargas de la estructura hacia el terreno, sin aceptar asentamientos
inaceptables. El área portante de la zapata debe ser suficiente para garantizar dicha transmisión y
consecuentemente la presión de la zapata debe ser menor que la capacidad que la carga del terreno, considerando
un factor de seguridad mayor de tres metros

2.3.2. DISEÑO DE SIFONES INVERTIDOS

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Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, son estructuras que se utilizan para conducir
el agua con la finalidad de atravesar el cruce de un canal con una depresión topográfica o quebrada, también para
pasar por debajo de vías de comunicación, una vía de ferrocarril, un dren o incluso otro canal cuando el nivel de la
superficie libre de agua del canal es mayor que la rasante del cruce y no hay espacio para lograr el paso de vehículos
o del agua.
Los sifones se diferencian de los acueductos en que la sección del sifón se apoya directamente al perfil del terreno
y sólo aprovechan la carga de agua para el movimiento del flujo.
Generalmente hay cambio de sección con respecto a los canales, por lo cual es necesario proyectar transiciones
aguas arriba y abajo. Tanto en el ingreso y a la salida se instalan rejas para evitar el ingreso de troncos, malezas y
otros objetos.
Las secciones más recomendadas son:
- Sección Rectangular; con una relación H/B = 1.25 y con una sección mínima de H=1.0 m y B=0.80 m.
- Sección Circular; con un diámetro mínimo de 30"; pueden en algunos casos proyectarse baterías de
conductos circulares.

Hay necesidad de construir un tanque 1 que opera como tanque de carga para alimentarlo. El sifón es una tubería
a presión que reemplaza el canal y descarga sumergido en un tanque 2. A partir de este tanque continúa la
conducción en canal.
Entre los tanques 1 y 2 se desarrolla la línea piezométrica; esta permite determinar las presiones a lo largo del
sifón. La presión máxima admisible depende de la presión de trabajo de la tubería.

2.3.2.1. PARTES DE UN SIFÓN

Los sifones invertidos, constan de las siguientes partes:
1. Desarenador
2. Desagüe de excedencias
3. Compuerta de emergencia y rejilla de entrada
4. Transición de entrada
5. Conducto o barril
6. Registro para limpieza y válvulas de purga
7. Transición de salida
No siempre son necesarias todas las partes indicadas pudiendo suprimirse algunas de ellas.
1. 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 este 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.
2. 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 sifón. Generalmente consiste en un
vertedor lateral construido en una de las paredes del canal. Para el caudal normal la cresta del vertedor
estará a nivel de la superficie libre del agua.
3. 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 pueden cerrar la entrada al conducto para poder
hacer limpieza o reparaciones al mismo tiempo. La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas

74
Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

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.
4. Transición de entrada y salida. Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es diferente a la
adoptada en el conducto, es necesario construir una transición de entrada y otra de salida para pasar
gradualmente de la primera a la segunda. Para el cálculo de la longitud de las transiciones que son
simétricas se sigue el criterio de Julián Hinds:

En el diseño de una transición generalmente es aconsejable tener la abertura de la parte superior del
sifón un poco más debajo 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 hv y un máximo
de 1.5 hv. (hv = carga de velocidad).
5. Conducto. 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 pudieran presentarse debido a cargas excesivas como el paso de camionetas o
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 es de 2 – 3 m/s, mientras que
en sifones pequeños es de 1.6 m/s. Un sifón se considera largo, cuando su longitud es mayor que 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 < 50%

El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas en
el sifón. La diferencia de carga ΔZ debe ser <= a las pérdidas totales.
6. Registro para limpieza y válvula de purga; Se coloca en la parte más baja de los conductos, permite
evacuar el agua que se quede almacenada en el conducto cuando se para el sifón, para su 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.

2.3.2.2. NORMAS PARA EL DISEÑO

 Cuando el canal por conducir es grande y supera un conducto de 6.00 m de diámetro se diseña una batería
de sifones.
 Para cargas pequeñas entre 0 y 5 m, se prefiere las secciones cuadradas y rectangulares, sin embargo
cuando los momentos negativos no pueden absorberse en las esquinas interiores del sifón se prefiere
secciones circulares.
 Las normas para diseño de sifones indican:
a) Cruce de Carreteras: El relleno de tierra que debe cubrir el sifón deberá tener un espesor mínimo de
1.0 m y su longitud ser mayor que el ancho del derecho de vía más un metro a cada lado.
b) Cruce de vías férreas: El espesor mínimo de relleno sobre sifón debe ser como mínimo 0.90 m y
sobrepasar el ancho de la línea más el drenaje.
c) Cruce con canal o dren: El relleno medido desde la rasante del canal a la parte superior del sifón
debe ser por lo menos de 1.50 m y tener una longitud igual al ancho del canal, más sus bermas y
bordes.
d) Cruce de ríos y arroyos: El espesor del relleno en la zona del cauce no debe ser menor de la
profundidad de socavación y en las laderas no menor de 1.0 m; cuidando que las transiciones del
canal a sifón queden en excavación.
75
Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

2.3.2.3. 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 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 cono sin control en la entrada.
• 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.

2.3.2.4. CÁLCULO HIDRÁULICO DE UN SIFÓN

Con el plano a curvas de nivel y el perfil del terreno en el sitio de la obra, se traza el sifón y se procede a diseñar la
forma y dimensiones de la sección del conducto más económica y conveniente, esto se obtiene después de hacer
varios tanteos, tomando en cuenta las pérdidas de carga que han de presentarse.
Las dimensiones de la sección transversal del conducto dependen del caudal que deba pasar y de la velocidad que
se pueda dar. En sifones grandes se considera una velocidad conveniente de agua en el conducto de 2 a 3 m/s que
evita el depósito de azolves en el fondo del conducto y que no es tan grande que pueda producir la erosión del
material de los conductos. Cuando por las condiciones del problema, no sea posible dar el desnivel que por éstas
limitaciones resulten, se puede reducir las pérdidas, disminuyendo prudentemente la velocidad del agua, teniendo
en cuenta que con esto se aumenta el peligro de asolvamiento del sifón, por lo que habrá necesidad de mejorar
las facilidades para limpiar el interior del barril.

76
Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

El sifón funciona por diferencia de cargas, ésta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas en el sifón.
La diferencia de cargas ΔZ debe ser mayor o igual que las pérdidas totales o preferentemente igual para evitar
impulso en la salida.
Para que cumpla su función el diseño del sifón, se debe de proceder como sigue:

Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplicamos la ecuación de energía especifica:

Donde:
Z1: carga de posición
Y1: carga de presión
V12/2g: carga de velocidad (g =9.81 m/s2)
ΔH: carga hidráulica (puede calcularse por topografía)

Se debe de cumplir que la ∆H debe de ser mayor a la suma de todas las pérdidas que se generen en el sifón.

CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LA TUBERÍA

Para encontrar el conducto más adecuado económicamente y conveniente, se determinan sus dimensiones en
función de la descarga que pasará y de la velocidad que resulta.

Las propiedades hidráulicas del conducto serán:

El sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida. Aplicamos Energía
en 1 y 2:
77
Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

Fig. Altura mínima de ahogamiento

Por tanto, la altura mínima de ahogamiento será:

𝐷
Otras fórmulas utilizadas son: para comprobar Hmin < y -
2

Polikouski y Perelman

Donde:
Vt= velocidad media en la tubería (m/s)
D= diámetro de la tubería de acero (m)
El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas en
el sifón. La diferencia de carga AZ debe ser mayor a las pérdidas totales.

2.3.2.5. PÉRDIDAS EN EL SIFÓN

1. Pérdidas de carga por transición de entrada y salida

Donde:
V1 = velocidad en sección 1 de la transición, de entrada.
V2 = velocidad en sección 2 de la transición, de entrada.
V3 = velocidad en sección 3 de transición de salida.
V4 = velocidad en sección 4 de transición de salida.
En el flujo subcrítico, la sección (4) de la figura, tiene el tirante real igual al tirante normal.
Para encontrar las pérdidas por transición de salida es conveniente aplicar el teorema de Bernoulli entre
los puntos (3) y (4). Para calcular las pérdidas por transición de entrada se aplica el mismo teorema pero
entre los puntos (1) y (2).
El tubo a la entrada y salida, conviene que quede ahogado de un 10 % a un 50 % de hv para evitar la
entrada de aire que pueda producir un funcionamiento defectuoso.
2. Pérdidas por Rejillas
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Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

Cuando la estructura consta de bastidores de barrotes y rejillas para el paso del agua, las pérdidas
originadas se calculan con la ecuación:

Donde:

𝑞
Vn = An = A’n *Atubo
𝐴𝑛
K = Coeficiente de pérdidas en la rejilla
An = Área neta de paso entre rejillas
Ag = Área bruta de la estructura y su soporte, que quede dentro del área hidráulica
Vn = Velocidad a través del área neta de la rejilla dentro del área hidráulica
A’n= Área de rejillas = N° barrotes * Abarrotes
Como las pérdidas en rejillas son 2 (entrada y salida) la ecuación h 2 se debe multiplicar por 2.

3. Pérdidas de Carga por entrada al Conducto

Donde:
V = velocidad media del agua en la tubería o barril
Ke = coeficiente que depende de la forma de entrada, K = 0.23 para ligeramente
redondeados.

4. Pérdidas por Fricción en el Conducto

Una fórmula muy empleada para determinar las pérdidas por fricción es la de Manning:

Donde:
n = coeficiente de rugosidad de Manning para tubo.
S = perdidas por fricción
V = velocidad del agua en el conducto
R = radio hidráulico
L = longitud total del conducto
Por Ley de Darcy – Weisbach:
𝑓𝐿𝑣 2
hf =
2𝑔𝐷

Cuando se trata de un conducto circular, el radio hidráulico es: R = D/4

Luego:

5. Pérdidas de carga por cambio de dirección o codos

Una fórmula muy empleada es:

Donde:
Δ = ángulo de deflexión
Kc = coeficiente para codos comunes = 0.25
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Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

6. Pérdidas por Válvulas de Limpieza

Las pérdidas de carga que se originan en los sifones por el hecho de insertar lateralmente una tubería en
la que se coloca una válvula para desagüe y limpieza se deben considerar como pérdidas por bifurcación
de tuberías.
Esta pérdida existe aun cuando una de las partes esté cerrada por la válvula, ya que se forman turbulencias
dentro de la tubería, pero en vista de que se considera muy pequeña despreciable y no se ha podido
evaluar se olvida.

7. Pérdidas por ampliación (pérdidas por salida)

Algunas veces por exigencias topográficas no es posible localizar una transición a la salida del sifón para
el cambio de sección, haciéndolo en una caja, de la cual saldrá el agua al canal. La pérdida de carga será
motivada por ampliación brusca en la sección y se aplica la fórmula de Borda:

Donde:
v1 = velocidad en el sifón
v2 = velocidad aproximada en la caja

Según Archer:

Forma práctica:
hs = 2 he

Finalmente la pérdida total producida por el sifón es la sumatoria de todas las pérdidas:

En resumen la carga hidráulica disponible debe superar a las pérdidas totales en el sifón

2.3.3. DISEÑO DE ALCANTARILLAS

Las alcantarillas son estructuras de cruce, que sirven para conducir agua de un canal o un dren, por debajo de un
camino u otro canal. Generalmente, la alcantarilla disminuye la sección transversal del cauce de la corriente,
80
Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

ocasionando un represamiento del agua a su entrada y un aumento de su velocidad dentro del conducto y a la
salida.
Las alcantarillas son conductos que pueden ser de sección circulares o de marco (cuadradas o rectangulares)
usualmente enterradas, utilizadas en desagües o en cruces con carreteras, pueden fluir llenas o parcialmente llenas
dependiendo de ciertos factores tales como: diámetro, longitud, rugosidad y principalmente los niveles de agua,
tanto a la entrada como a la salida. Es así como desde el punto de vista práctico, las alcantarillas se han clasificado
en función de las características del flujo a la entrada y a la salida de la misma. Según las investigaciones de
laboratorio, se dice que la alcantarilla no se sumerge si la carga a la entrada es menor que un determinado valor
crítico denominado H, cuyo valor varía de 1.2 D a 1.5 D siendo D el diámetro o altura de la alcantarilla.
El escurrimiento a través de una alcantarilla generalmente queda regulado por los siguientes factores:
- Pendiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo del lugar.
- Pendiente del fondo de la alcantarilla.
- Altura de ahogamiento permitido a la entrada.
- Tipo de entrada.
- Rugosidad de las paredes de la alcantarilla.
- Altura del remanso de la salida.
Todos los factores se combinan para determinar las características del flujo a través de la alcantarilla.

2.3.3.1. TIPOS DE ALCANTARILLA

a) POR EL FLUJO A LA ENTRADA Y A LA SALIDA
Tipo I: Salida sumergida

Figura 1

La carga hidráulica H* a la entrada es mayor al diámetro D, y el tirante Yt a la salida, es mayor a D, en este caso la
alcantarilla es llena:
Luego: H* > D Y t>D Alcantarilla llena

Tipo II: salida no sumergida

Figura 2

H > H* 1.2 ≤ H* ≤ 1.5

Yt < D Alcantarilla llena
Tipo III: Salida no sumergida H > H Yt < D Parcialmente llena
Tipo IV: Salida no sumergida H < H* Yt > yc Flujo subcrítico en la alcantarilla
Tipo V: Salida no sumergida H < H* Yt < Yc Flujo subcrítico en la alcantarilla Flujo supercrítico en
la salida
Tipo VI: Salida no sumergida H < H* Yt < Yc Flujo supercrítico en la alcantarilla Flujo supercrítico
en la entrada

81
Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

En diseños preliminares rápidos se recomienda usar H* = 1.5 D

Los tipos I y II corresponden a flujo confinado en tuberías y los otros tipos a flujo en canales abiertos.
El estudio de los tipos de flujo a través de las alcantarillas ha permitido establecer las relaciones existentes entre
la altura de agua a la entrada del conducto, el caudal y las dimensiones de la alcantarilla.

b) POR SU CAPACIDAD

b.1). Alcantarilla de un tubo. Para caudales iguales o menores a 1.2 m3/s

Q max = Di2 (m3/s)
Longitud de Transiciones
LP ≥ 4 Di
La transición de entrada no lleva protección y la transición de salida lleva una protección de enrocado con
un espesor de la capa igual a 0.20m.
Longitud de protección LP ≥ 3 Di
Diámetro interno mínimo Di = 0.51

b.2). Alcantarilla de 2 tubos. Para caudales que oscilan entre 0.5 m3/s y 2.2 m3/s.
Q max = 2 Di2 (m3/s)
Longitud de las transiciones
Lt ≥ 5 Di
Las transiciones de entrada y salida llevan protección de enrocado con un espesor de la capa de roca de
0.25 m hasta una altura sobre el fondo del canal de 1.2 D.
Longitud de protección en la entrada
Lp ≥ 4 Di
Longitud de protección en la salida
Lp ≥ 5 Di
Diámetro interno mínimo Di = 0.51 m

b.3). Alcantarilla de 2 ojos. Para caudales que oscilan entre 1.5 m3/s y 4.5m3/s
Sección del ojo = Ancho x Altura
D x 1.25 D
Capacidad Máxima de la alcantarilla
Q max = 3.1 D2 (m3/s)
Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de roca de 0.25 m.
Longitud de las transiciones
Lt = D + b
b = plantilla del canal
Longitud de protección en la entrada
Lp = 3 D
Longitud de protección en la salida
Lp = 5 D
Diámetro interno mínimo
Di = 0.80 m D.

2.3.3.2. CRITERIOS DE DISEÑO

a. El diseño hidráulico de una alcantarilla consiste en la selección de su diámetro de manera que resulte una
velocidad promedio de 1.25 m/s., en ciertos casos se suele dar a la alcantarilla una velocidad igual a la del
canal donde ésta será construida, sólo en casos especiales la velocidad será mayor a 1.25 m/s.
b. La cota de fondo de la alcantarilla en la transición de entrada, se obtiene restando a la superficie normal
del agua, el diámetro del tubo más 1.5 veces la carga de velocidad del tubo cuando éste fluye lleno o el
20% del tirante de la alcantarilla.
c. La pendiente de la alcantarilla debe ser igual al a pendiente del canal.
d. El relleno encima de la alcantarilla o cobertura mínima de terreno para caminos parcelarios es de 0.60 m
y para cruces con la panamericana de 0.9 m.
e. La transición tanto de entrada como de salida en algunos casos se conectan a la alcantarilla mediante una
rampa con inclinación máxima de 4:1.
f. El talud máximo del camino encima de la alcantarilla no debe ser mayor de 1.5:1
g. En cruce de canales con camino, las alcantarillas no deben diseñarse en flujo supercrítico.
h. Se debe determinar la necesidad de collarines en la alcantarilla.

82
Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

i. Normalmente las alcantarillas trabajan con nivel del agua libre, llegando a mojar toda su sección en
periodos con caudales máximos.
j. Las pérdidas de energía máximas pueden ser calculadas según la fórmula:

Donde los coeficientes de pérdida pueden ser determinadas según lo explicado anteriormente:
Pe = Pérdidas por entrada
Ps = Pérdidas por salida
Pf = Pérdidas por fricción en el tubo
Va = Velocidad en la alcantarilla

El factor f de las pérdidas por fricción, se puede calcular mediante el diagrama de Moody o por el método
que más se crea conveniente.
k. Para el diseño de una alcantarilla se deberá fijar:
- El caudal de diseño.
- La altura de agua permisible a la entrada.
- La altura de agua a l a salida.
- La pendiente con que se colocará el conducto.
- Su longitud.
- El tipo de entrada.
- Longitud y tipo de transiciones.
- La velocidad del flujo permisible a la salida.

2.4. ESTRUCTURAS DE CONTROL

Actualmente, entre el 80 y 90 % del agua que se extrae de corrientes superficiales y mantos acuíferos se aplica en
la agricultura. Debido a las crecientes necesidades en éste y otros usos, el aprovechamiento del agua en los
83
Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

sistemas de irrigación debe hacerse en forma eficiente, evitando desperdicios y buscando la productividad máxima
del agua aplicada.
Se han ideado diversos métodos de medición del flujo acordes con las características y necesidades de cada caso
particular. Los hay desde los más complicados y costosos, generalmente empleados en laboratorios, hasta los más
sencillos, prácticos y económicos, usados para estimaciones aproximadas. El método más adecuado depende de
la magnitud del flujo y de la precisión deseada. Según el IMTA, Una primera clasificación de las técnicas de medición
más usuales en canales es la siguiente:
a) Estructuras de aforo
b) Métodos de área-velocidad
c) Técnicas de dilución
d) Métodos de pendiente-radio hidráulico-área
e) Métodos electromagnéticos
Todos estos procedimientos tienen la característica común de que permiten establecer una relación entre el gasto
y el o los niveles de la superficie del agua en determinadas secciones, aunque esto se hace en formas diferentes
para cada uno y los resultados observados tienen diversos grados de exactitud.

a) Tipos de dispositivos de medición

En general se puede decir que cualquier estructura hidráulica puede constituir un dispositivo de medición, cuando
tal estructura cambia el régimen hidráulico del flujo y se pueden aplicar principios de continuidad.
Las estructuras hidráulicas son útiles en este sentido cuando se pueden calibrar, es decir, cuando para ellas se
pueden establecer relaciones carga-gasto.
Según el IMTA, las estructuras de medición deben ser de menor costo, de fácil construcción y más comúnmente
empleadas o más ampliamente estudiadas. Tomando estas características como base se puede proponer la
siguiente clasificación:
a) Vertedores
b) Orificios y compuertas
c) Aforadores de sección crítica

b) Teoría de los aforadores a gasto crítico

Los aforadores a gasto crítico son estructuras cuyo único uso es la medición de caudales. Como su nombre lo indica,
se diseñan haciendo uso de los principios hidráulicos del flujo crítico. La estructura produce las condiciones de flujo
crítico mediante el estrechamiento de las paredes del canal o la elevación o hundimiento de la plantilla o ambos,
en una sección transversal o en un tramo del canal o garganta del aforador.
De esta forma, y de acuerdo con la teoría de flujo crítico, existe una relación única entre el nivel del agua medido
aguas arriba de la garganta del aforador y el gasto que fluye.
Existe una gran variedad de medidores de este tipo, siendo más conocidos los medidores Parshall, garganta corta.
Los cuales son construidos por una sección convergente, una sección estrecha y una sección divergente, de estos
aforadores existe abundante literatura por lo que su diseño y construcción son relativamente sencillos.

2.4.1. AFORADOR DE CAUDAL PARSHALL

El canal Parshall o también llamado medidor Parshall, es una estructura hidráulica que permite medir la cantidad
de agua que pasa por una sección de un canal determinado. Es un medidor de régimen crítico, siendo idealizado
por Ralph L. Parshall, ingeniero del servicio de irrigación del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.
Los medidores Parshall son identificados nominalmente por el ancho de su garganta, por ejemplo: un medidor
Parshall de 9 pulg mide 0.23 m.

Para su fabricación, en los medidores Parshall se han utilizado muy diversos materiales, pudiéndose fabricar de
láminas de metal o madera y recientemente de fibra de vidrio. También se pueden construir directamente sobre

84
Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

el terreno con el uso de elementos de mampostería como ladrillos y bloques de concreto y en algunos casos
fundidos con concreto reforzado para mayor durabilidad.

2.4.1.1. Partes del medidor Parshall

Consta de cuatro partes principales:
1. Transición de entrada
2. Sección convergente
3. Garganta
4. Sección divergente

En la transición de entrada es conveniente elevar el piso sobre el fondo original del canal, con una pendiente
ascendente de 1:4 (1 vertical y 4 horizontal), hasta comenzar la sección convergente, con paredes que se van
cerrando en línea recta o circular de radio (R), debido a que el aforador Parshall es una reducción de la sección del
canal, que obliga al agua a elevarse o a remansarse para luego volver a descender hasta el nivel inicial sin el
aforador.

En este proceso se presenta una aceleración del flujo que permite establecer una relación matemática entre la
altura de carga o elevación que alcanza el agua y el caudal que circula a través del dispositivo.
 Para medidores menores a 1 pie o 30 cm (ancho de garganta) R = 0.41 m
 Para medidores de 1 a 3 pies, R = 0.51 m
 Para medidores de 4 a 8 pies, R = 0.61 m
En la sección convergente, el fondo es horizontal y el ancho va disminuyendo.
En la garganta el piso vuelve a bajar con una pendiente de 3:8 (3 vertical y 8 horizontal), (ver figura 14).
En la sección divergente el piso sube nuevamente con pendiente de 1:6 (1 vertical y 6 horizontal), (ver figura 14)
En cualquier parte del medidor Parshall, desde el inicio de la transición de entrada hasta la salida, el medidor tiene
una sección rectangular.

a) Dimensiones del medidor Parshall

Los medidores menos empleados son los de 1 pulg (2.54 cm) de ancho de garganta y el mayor construido hasta
hoy mide 50 pies (15.24 m) y tiene una capacidad para 85,000 l/s.

b) Ventajas de los medidores Parshall

Se puede mencionar como una de las principales ventajas la facilidad con la que pueden ser construidos, además
presentan otras que tienen sus propias características hidráulicas, por ejemplo:
• Una sola medida o determinación de carga es suficiente para determinar el caudal.
• La pérdida de carga es mínima.

85
Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

• El paso del flujo es libre y por lo tanto no presenta problemas de obstrucción con elementos arrastrados
por la corriente.
• Al ser la velocidad de la garganta mayor que la velocidad de aproximación, no existe la posibilidad que
ocurran sedimentaciones que afecten las mediciones.

2.4.1.2. CARACTERÍSTICAS
En general el medidor Parshall consiste de tres tramos principales: un tramo de convergencia uniforme, una
garganta paralela corta y una transición de salida uniforme. Aguas arriba y abajo se construyen canales de entrada
y salida, según sea necesario. La plantilla tiene variaciones de pendiente diversas: entra con pendiente 1:4 en una
rampa ascendente; es horizontal en un tramo anterior a la garganta; en la garganta presenta una rampa
descendente y, posteriormente, en la transición divergente, vuelve a subir hasta el nivel de la plantilla del canal de
salida. La sección de control, donde se presenta el tirante crítico, se localiza al final de la transición convergente,
aguas arriba de la garganta.
En el cuadro 6.2 se presentan 22 diseños estándar que cubren un rango de gastos desde 0.1 a 93 m / s , con
intervalos de traslape entre uno y otro. La ecuación Q=kh es la fórmula para calcular el gasto modular cuyo límite
se consigna en la columna extrema derecha. Las dimensiones para cada diseño se dan en el cuadro 6.3; la lámina
6.2 ilustra el significado de cada variable.
Es conveniente hacer hincapié en el sentido de que cada diseño tiene su calibración particular, y que ninguno es la
escala de otro. Por esta razón, las aplicaciones que se quieran realizar deberán ajustarse a un diseño estándar
particular, respetando las dimensiones señaladas. De otra forma la precisión se verá afectada.

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Ing. R. Quello APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

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