Cap. 5 Manual de Hidraulica de Alcantarilla 2N-2 2011

8/6/2019 Cap. 5 Manual de Hidraulica de Alcantarilla 2N-2 2011

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTADDE TECNOLOGIA DE LA CONSTRUCCIONCARRERA DE INGENIERÍACIVIL

MANUAL DE HIDRAULICA DE ALCANTARILLA

2N-2

DR. NESTOR JAVIER LANZA MEJIA

Junio 2009





viernes, 03 de junio de 2011 ANÁLISIS HIDRAULICO

- 3DR. NESTOR JAVIER LANZA MEJIA

Líneas de energía e hidráulica a flujo lleno

2. CONTROLES DE ENTRADA Y SALIDA

La metodología del diseño contenido en esta sección es para el diseño de alcantarillas con

una descarga constante considerando un control a la entrada y en la salida. Generalmente, el

control hidráulico en una alcantarilla debe ser de salida, si la alcantarilla es trazada con una

pendiente suave. Un control de entrada usualmente ocurre, si la alcantarilla es trazada con

una pendiente empinada.

Para un control a la entrada, las características de entrada de la alcantarilla dependen de las

pérdidas a la entrada que son predominantes en la determinación de la altura de agua en la

alcantarilla (HW). El tubo puede llevar agua a través de la alcantarilla con una mejor

eficiencia cuando el agua pueda entrar a la alcantarilla. Un buen diseño y análisis de la

alcantarilla requiere chequear los controles de entrada y de salida para determinar cuál de

estos debería gobernar particularmente el diseño de la alcantarilla.

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d. La figura 1D es una condición inusual que ilustra, prácticamente tanto la entrada como

la salida de la alcantarilla están sumergidas, lo cual no asegura un flujo lleno. En este

caso, un salto hidráulico se puede formar en el conducto. A la mitad de la entrada

proporciona la ventilación de la alcantarilla. Si el conducto no tuviera ventilación, las

presiones sub-atmosféricas podría desarrollar condiciones inestables, alternando

regímenes de flujo lleno y parciamente lleno.

Figura 1D. – Entrada y Salida sumergidas

4. CONTROL A LA SALIDA

Todos los factores que influyen el funcionamiento de una alcantarilla con control de entrada

también Influyen en el control de salida. Además, las características del conducto (rugosidad,

área, forma, la longitud, y pendiente) y la elevación del agua a la salida (tailwater) afectan

funcionamiento de la alcantarilla en control de salida. La rugosidad del conducto es una

función del material usado para fabricar el conducto. Materiales típicos incluyen el metal

corrugado y concreto. La rugosidad es representada por un coeficiente de resistencia

hidráulica tal como el valor de n de Manning. El área y la forma del conducto se explican por

sí mismo. La longitud del conducto es la longitud total de la alcantarilla de la entrada a la

salida de la alcantarilla. Para el diseño, la altura del conducto y la pendiente influyen en la

longitud real, una aproximación de la longitud del conducto es generalmente necesaria paracomenzar el proceso del diseño. La pendiente del conducto es la pendiente real del conducto

de la alcantarilla. La pendiente del conducto está a menudo igual que la pendiente natural de

la corriente. Sin embargo, cuando se levanta o se baja la entrada de la alcantarilla, la

pendiente del conducto es diferente de la pendiente de la corriente. La altura de agua a la

salida de la alcantarilla (tailwater) se basa en la elevación en la superficie del agua aguas

debajo de la alcantarilla. Los cálculos de un remanso para un control aguas abajo, una

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aproximación de la profundidad normal, u observaciones del campo son usados para definir

la elevación de la salida aguas debajo de la alcantarilla (TW).

Hidráulica del control de salida:

El flujo lleno en el conducto de la alcantarilla, según lo representado en la figura 2A, es el

mejor tipo de f lujo para describir hidráulica del control de salida. Las condiciones del flujo del

control de salida pueden ser calculadas en base del balance de energía. La energía total

(HL) requerido para pasar atreves del conducto de la alcantarilla se compone de la pérdida

de la entrada (He), la pérdida de la fricción a través del conducto (Hf), y la pérdida de la

salida (Ho). Otro pérdidas, incluyendo las pérdidas de la curva (Hb), pérdidas en las juntas(Hj), y pérdidas en las puertas (Hg) deberían ser incluido como apropiado.

a. La figura 2A representa la condición clase de flujo lleno, con la entrada y la salida

sumergidas. El conducto está en flujo presión a través de su longitud. Esta condición

se asume a menudo en cálculos, pero existe raramente realmente.

Figura 2A: La entrada y la salida sumergidas

b. La figura 2B representa una salida sumergida y con la entrada no sumergida. Para

este caso, la altura de agua a la entrada (HW) es bajo (poco profundo) para exponer

la corona de la entrada como los flujos contraídos en la alcantarilla.

Figura 2B: La salida es sumergida pero la entrada no sumergida

c. La figura 2C demuestra la entrada sumergida a tal grado que fluye la alcantarilla de

forma llena en toda su longitud mientras que en la salida no es sumergida. Esto es

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una condición rara. Requiere de una altura de agua a la entrada extremadamente alta

para mantener flujo lleno en el conducto sin producir una altura de agua a la salida

(TW). Las velocidades de la salida son generalmente altas bajo esta condición.

Figura 2C: La entrada sumergida y la salida no sumergida

d. La figura 2D es la más típica. La entrada de la alcantarilla es sumergida por la altura

de agua a la entrada (HW) y en la salida el flujo es libremente con una altura de agua

a la salida (TW) bajo. Para esta condición, el conducto fluye parcialmente por lo

menos parte de su longitud (flujo subcritico) y el flujo puede pasar a través de una

profundidad crítica apenas aguas arriba de la salida.

Figura 2D.- Entrada sumergida y la salida parcialmente sumergida

e. La figura 2E es también típica, con ni la entrada ni la salida de la alcantarilla

sumergida. El conducto fluye parcialmente lleno en su longitud, y el perfil del flujo es

subcritico.

Figura 2E: Entrada y Salida no sumergida

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5. USO DE LOS ÁBACOS DEL CONTROL DE LA ENTRADA Y DE SALIDA

El procedimiento de diseño siguiente proporciona un método conveniente y organizado para

diseñar alcantarillas con un caudal constante, considerando controles de entrada y de salida.

El procedimiento de diseño hace uso de nomogramas. El diseñador puede utilizar Análisis de

la alcantarilla HY8 Programa del microordenador o usar los nomogramas, o programa de la

alcantarilla del DOT de Iowa, que puede ser encontrado en:

http://www.dot.state.ia.us/bridge/prelprog.htm. El método racional o el método TR-55 se debe

utilizar más bien que la curva de lluvia de Iowa, que se utiliza en el programa de la

alcantarilla. HY8 Programa puede ser encontrado en el Manual de drenaje modelo de

AASHTO, 1998.

El uso de nomogramas requiere una solución del ensayo y error. La solución es

bastantemente completa y provee diseños confiables para muchas aplicaciones. Debe ser

recordado que la velocidad, el hidrograma, la rasante de la calzada y la búsqueda del control

requieren cómputos separados adicionales de qué puede ser obtenido de los nomogramas.

Los figuras 5-8 muestran ejemplos para la utilización de los nomogramas de control de

entrada que se pueden utilizar para diseñar tubos de concreto. Cuadros 9-11 muestran

ejemplos para los nomogramas de control de salida. Para el diseño de alcantarilla no cubierto

por estos nomogramas, referirse al sistema completo de ábacos dados en la Gerencia de la

municipalidad de la precipitación excesiva, segunda edición, 2003 de Thomas N. Debo,

Andrew J. Reese.

El siguiente procedimiento de diseño requiere el uso de los nomogramas de controles de

entrada y de salida:

a) Paso 1: Datos de diseño: Q = descarga (cfs), L = longitud de la alcantarilla (pies), S =

pendiente de la alcantarilla (pie/pie), Ke = coeficiente de la pérdida de la entrada, V =

velocidad (ft/s), TW = profundidad del agua a la salida (pies), HW = profundidad

permisible a la entrada para la tormenta del diseño (pies),

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http://www.dot.state.ia.us/bridge/prelprog.htm

http://www.dot.state.ia.us/bridge/prelprog.htm





b) Paso 2: Determinación de las dimensiones de la alcantarilla asumiendo una velocidad

de 3-5 ft/s obteniendo un área de la alcantarilla (A = Q/V). Determine el diámetro de la

alcantarilla en pulgadas.

c) Paso 3: Encuentre el HW real para la alcantarilla propuesta para el control de la

entrada y de salida.

i. Para el control de entrada, entre en el nomograma de control de entrada con D

and Q y determine HW/D para el tipo de entrada de la alcantarilla. Determine

HW, y, si es demasiado grande o demasiado pequeño, intente otro tamaño de

la alcantarilla antes de definir HW para el control de salida.ii. Para el control de salida, entre en el nomograma de control de salida con la

longitud de la alcantarilla, el coeficiente de pérdida de la entrada y diámetro de

propuesto de la alcantarilla.

iii. Para la determinación de HW, conecte la longitud de la escala para el tipo de

condición de la entrada y la escala del diámetro de la alcantarilla con una línea

recta, pivoteando y dibuje una línea recta para determinar de descarga del

diseño a través del punto a la perdida H. Determine la elevación de HW con la

siguiente ecuación:

HW H h0

LS Ec. 6

Donde ho = ½ (profundidad + ycrítica), o profundidad del TW, cualquiera que seamayor.

d) Paso 4: Compare los valores de HW y use el mayor para definir si la alcantarilla está

bajo control de la entrada o de salida. Si el control de salida es gobernante entoncesHW es inaceptable, seleccione un tamaño de propuesto más grande y encuentre otro

HW con los nomogramas de control de salida. Porque un tamaño más pequeño de la

alcantarilla había sido seleccionado para HW permisible por los nomogramas de

control de entrada, el control de la entrada para los conductos más largo no necesita

ser comprobado.

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e) Paso 5: Calcule la velocidad de la salida y haga un análisis de erosión para

determinar si un disipador de energía es necesario. La erosión de la corriente puede

ser una condición preexistente, y las razones y el grado de esta de ser determinado.

El área de la sección transversalmente de la alcantarilla necesita ser aumentado e

invert inicial de la alcantarilla enterrado si la erosión de la corriente es probable. Una

curva del funcionamiento para cualesquier alcantarilla se puede obtener de los

nomogramas repitiendo los pasos descritos arriba para una gama de descargas que

están de interés para ese diseño particular de la alcantarilla. Se puede trazar un

gráfico de HW contra descarga con los suficientes puntos para poder dibujar una

curva a través del rango de interés. Estas curvas son aplicables a través de un rangode valores de HW, de velocidades y de las profundidades contra las descargas para

una longitud y un tipo de alcantarilla. Curvas con intervalos de la longitud de 25-50

pies son usualmente satisfactoria para el propósito de diseño. Tales cómputos se

hacen mucho más fáciles cuando se usan programas de computadora disponibles.

Figura 3A: Conducto circular de la profundidad crítica, descarga = 0 a 100 cfs

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Figura 3B: Conducto circular de la profundidad crítica, descarga = cfs 0 a 1000

Figura 3C: Conducto circular de la profundidad crítica, descarga = 0 a 4000 cfs

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Figura 4A: Profundidad crítica de una alcantarilla caja, Q/B = 0 a 60 cfs

Figura 4B: Profundidad critica para una alcantarilla caja, Q/B = 50 a 350 cfs

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Figura 5: Nomograma de control de entrada. FHWA, 1973

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Figura 6: Nomograma de control de entrada. FHWA, mayo de 1973.

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Figura 7: Nomograma de control de entrada. Oficina de caminos públicos, enero. 1963.

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Figura 8: Nomograma de control de entrada. Oficina de caminos públicos, enero. 1963.

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Figura 9: Nomograma de control de salida.

Alcantarilla circulares de concreto. Oficina de caminos públicos, enero. 1963.

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Figura 10: Nomograma de control de salida. Oficina de caminos públicos, enero. 1963.Para diferente coeficiente de rugosidad n1, más grande que en el grafico n, utilice la escala de longitud demostrada con una

2longitud ajustada L1, calculado por la fórmula: L1(n1/n)

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Figura 11: Nomograma de control de salida. Oficina de caminos públicos, enero. 1963

Carga para alcantarillas cajas de concreto fluyendo lleno (n=0.012).Para diferente coeficiente de rugosidad n1, más grande que en el grafico n, utilice la escala de longitud demostrada con una

2longitud ajustada L1, calculado por la fórmula: L1(n1/n)

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6. EJEMPLO DEL DISEÑO DE ALCANTARILLA

El siguiente ejemplo ilustra los procedimientos utilizado para el diseño de alcantarilla usando

los nomogramas. El problema de ejemplo es como sigue: Clasifique una alcantarilla dada con

las siguientes condiciones de diseño.

a. Datos de entrada:

• Descarga para la inundación de 10 años

• Descarga para la inundación de 100 años

=

=

70 cfs

176 cfs

• HW permisible para la descarga de 10 años

• HW permisible para la descarga 100 años

=

=

4.5 pies

7.0 pies

• Longitud de la alcantarilla

• Elevación del invert de entrada del canal natura l

=

=

100 pies

15.50 pies

• Elevación del invert de salida del canal natural

• Pendiente de la alcantarilla

=

=

15.35 pies

0.0015 pies/pies

• TW para la descarga de 10 años

• TW para la descarga de 100 años

=

=

3.0 pies

4.0 pies

• TW es la profundidad normal en canal aguas abajo• Tipo de la entrada = cabezal ranurado

PASO 1: Asuma una velocidad de la alcantarilla de 5 pies por segundo. El área requerida

para una inundación de 10 años es:

AQ 70

V 514 pie

2

PASO 2: El diámetro correspondiente de alcantarilla es cerca de 48 pulgadas (4 pie). Esto

puede ser calculado usando la fórmula para el área de un círculo:

Por lo tanto:

A D2

o4

D4 A

D4(14)

*12 50.7 p lg

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PASO 3: Para un cabezal ranurado de la alcantarilla como dato del diseño. Usando el

nomograma de control de entrada, con un diámetro del conducto de 48 pulgadas (4

pie) y una descarga de 70 cfs se determina un HW/D de 0.93. (Ver figura 5)

PASO 4: Para una profundidad de carga agua (HW) de (0.93) (4)=3.72 pie, se requiere al

menos lo permisible un HW de 4.5 pie.

PASO 5: La alcantarilla se comprueba para saber si hay control de salida. Con un coeficiente

Ke de pérdida de entrada de 0.20, una longitud de la alcantarilla de 100 pies, y un

diámetro del conducto de 48 pulgadas, un valor de H de 0.77 pies es determinado.

La carga de agua a la entrada (HW) para el control de salida es resuelta por laecuación: HW = H + ho – LS.

Para que la profundidad de (TW) baje con respecto a la corona de la alcantarilla,

ho = TW o el 1/2 (profundidad crítica de la alcantarilla + D), se elige el mayor.

ho = 3.0 pies o ho = 1/2 (2.55 + 4.0) = 3.28 pies.

La profundidad de agua a la salida (TW) con control de salida: HW = H + ho – LS

HW = 0.77 + 3.28 - (100) x (0.0015) = 3.90 pies

PASO 6: Porque HW con control de salida (3.90 pies) es mayor que el HW para el control de

la entrada (3.72 pies), control de salida gobierna el diseño de la alcantarilla. Así, la

máxima altura de agua a la entrada (HW) para una inundación de un periodo de 10

años es 3.90 pies, de la cual es menor que la altura de agua a la entrada (HW)

permisible de 4.5 pies.

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PASO 7: El funcionamiento de la alcantarilla se comprueba para un evento descarga de 100

años. La altura de agua (HW) permisible para un evento de descarga de 100 años

es 7 pies, la profundidad crítica en la alcantarilla de 48 pulgadas de diámetro por el

evento de descarga de 100 años es 3.96 pies. Para un control de salida, un valor de

H de 5.2 pies se lee en el nomograma de control de salida. La altura de agua

máxima a la entrada es:

HW = H + ho – LS,

HW = 5.2 + 4.0 - (100) x (0.0015) = 9.05 pies.

Esta profundidad es mayor que la profundidad permisible de 7 pies; por lo tanto el

diámetro propuesto de la alcantarilla se deberá aumentar. Repita los pasos 1-7

cuanto sea necesario.

PASO 8: Se propone una alcantarilla de 54 pulgadas de diámetro y se encuentra valores

para tener una profundidad máxima (HW) de 3.74 pies para la descarga de un

evento de 10 años y de 6.97 pies para la descarga de un evento de 100 años. Estosvalores son aceptables para las condiciones de diseño.

PASO 9: Estimación de la Velocidad de la salida. Porque la alcantarilla trabaja a control de

salida y descarga en un canal abierto aguas abajo, la alcantarilla fluirá a flujo lleno

en la profundidad de flujo en canal. Usando la descarga pico del diseño de 100

años de 176 cfs y el área de un diámetro de 54 pulgadas o 4.5 pies de la

alcantarilla la velocidad de salida será Q = VA. Por lo tanto: V = (4) (176)/ (π (4.5)2

= 11.8 ft/s. Con esta velocidad alta, un disipador de la energía se puede necesitar

aguas abajo de la alcantarilla para la protección del terraplén.

PASO 10: El diseñador debe chequear las velocidades mínimas para saber si hay flujos de

baja frecuencia del acontecimiento de la tormenta (100 años) de la alcantarilla de

los controles. Nota: La f igura 12 proporciona un conveniente forme para organizar

cálculos del diseño de la alcantarilla.

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Figura 12: Formato de cálculo de hidráulica de alcantarilla

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