sifones

HIDRAULICA APLICADA SIFONES

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SIFONES


INTRODUCCION

La ingeniería hidráulica se auxilia de los sifones para transportar agua por encima de una elevación

o colina. Los sifones pueden ser tan diminutos como podamos imaginar hasta verdaderas obras

ingenieriles, siempre que en el caso del agua la altura entre la fuente y la parte más elevada del

sifón no supere los diez metros, porque la presión atmosférica no puede mantener el peso de una

columna de agua a esa altura.

En el recorrido de un canal, pueden presentarse diversos accidentes y obstáculos como son:

Depresiones del terreno, Quebradas secas, Fallas, Cursos del agua, necesidad de cruzar vías de

comunicación (carreteras, vías férreas u otro canal).

La solución mediante estructuras hidráulicas es: Acueductos, Sifón, Diques.

En el caso del cruce de un canal con una vía de comunicación dependerá de la importancia de la vía

de comunicación como del tamaño del canal, para elegir si es preferible pasar el canal encima de la

vía o por debajo de ella, en el primer caso la solución será un acueducto, en el segundo caso se

optara por un sifón invertido o un conducto cubierto.

Igualmente en el caso de depresiones naturales será necesario analizar las diferentes alternativas

enunciadas y decidir por la estructura más conveniente.

Si la depresión fuera ancha y profunda y no se angostase hacia aguas arriba, podría no ser factible

un acueducto, pero si un sifón invertido. En algunos será necesario analizar alternativas de conducto

cubierto alcantarilla o sifón.

Los canales que se diseñan en tramos de pendiente fuerte resultan con velocidades de flujo muy

altas que superan muchas veces las máximas admisibles para los materiales que se utilizan

frecuentemente en su construcción.

Para controlar las velocidades en tramos de alta pendiente se pueden utilizar combinaciones de

rampas y escalones, siguiendo las variaciones del terreno.

GENERALIDADESCuando un canal debe cruzar una depresión ya sea una quebrada, rio un dren o un camino, etc.

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Se proyecta un sifón invertido que puede ser de sección circular, rectangular o cuadrada que trabaja

a tubo lleno.

Un sifón consta de un conducto cuya longitud queda determinada por el perfil del terreno y dos

transiciones, una de entrada y una de salida, siendo generalmente de sección trapezoidal a

rectangular en la cual se encuentran anclados los tubos.

El sifón invertido surge como solución a la necesidad de burlar un obstáculo topográfico y conducir un fluido mediante una tubería a presión, diseñándose como una tubería simple. Es notable la utilidad que tiene este tipo de estructuras no solo porque resuelve el problema de realizar grandes tramos de canal cuya construcción demandaría mayores costos elevando el monto del proyecto

Los sifones 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 cruzadas 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 las consideraciones topográficas, geológicas e hidrológicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructura.

Para cruzar una depresión, se debe recurrir a una estructura de cruce, en cada caso se escogerá la solución más conveniente para obtener un funcionamiento hidráulico correcto, la menor pérdida de carga posible y la mayor economía factible; las cuales pueden ser:

Puente canal

Sifón invertido

Alcantarilla

Túnel

ELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA:

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Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar una alcantarilla, y si el obstáculo es muy grande se usa túnel.

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.

Sifón Normal Sifón Invertido

SIFONES NORMALES

Llamado simplemente sifón por la mayoría de los autores conduce él agua pasando sobre el obstáculo y su funcionamiento se debe a la presión atmosférica que actúa en la superficie del agua a la entrada; para iniciar su funcionamiento es necesario producir el vacío en el interior del conducto, entonces la diferencia de presión entre la entrada (Presión atmosférica) y en el interior del conducto (Presión cero a próxima a cero) hace que el agua fluya en sentido ascendente al llegar a la cresta A, el agua cae por gravedad hacia la rama derecha dejando un vacío en la cresta lo que hace que el flujo sea continuo mientras no se introduzca aire en 'el conducto, por esta razón la entrada al sifón debe estar siempre ahogada.

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En la Figura anterior se observa una tubería que une dos estanques y que por alguna razón, que podría ser de tipo topográfico, tiene un tramo alto que queda sobre la línea de gradiente. A este sistema hidráulico se le denomina sifón. H es la carga.

La línea de gradiente está representada aproximadamente por la línea recta que une las superficies libres de los estanques (en realidad la línea de gradiente no es recta, pues la tubería no lo es). Todo el tramo de la tubería que está sobre la línea de gradiente tiene presión negativa. En los puntos de intersección entre la línea de gradiente y la tubería la presión es cero.

Debe tenerse presente que hablamos de presiones relativas. Por lo tanto “presión cero” significa “presión atmosférica” y “presión negativa” significa “presión menor que la atmosférica”.

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En el tramo de tubería en el que la presión es menor que la atmosférica se libera al aire contenido en el agua y si la velocidad no es suficientemente grande el aire queda retenido en la parte superior de la tubería impidiendo la normal circulación del agua.

Si la presión disminuye mucho aparece vapor de agua y el problema se agrava. Por lo tanto un sifón debe diseñarse de modo que la presión esté siempre por encima de la correspondiente a la formación de vapor a la temperatura del agua.

El máximo valor de z depende del valor que se admite para la presión absoluta en C. A fin de evitar la discontinuidad en el escurrimiento por desprendimiento de vapor, esta presión no debe ser inferior a la de vaporización del fluido a la temperatura de operación del sistema. En C se debe tener un valor de la velocidad que sea lo suficientemente alto como para arrastrar las burbujas de aire. Se debe procurar que en el tramo ascendente de la tubería las pérdidas de carga sean mínimas. Si hubiera que instalar una válvula de control debe hacerse en el tramo descendente.Se denomina cavitación al fenómeno de formación y desaparición rápida de burbujas (cavidades) de vapor en el seno del líquido. Las burbujas se forman en las zonas de reducción de presión. Al ser conducidas a zonas de mayor presión explotan provocando un ruido característico.

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En un sistema hidráulico debe evitarse la aparición de cavitación por las siguientes razones:

a) La cavitación significa una discontinuidad en el escurrimiento y por lo tanto una reducción de la eficiencia de conducción.

b) La cavitación significa inestabilidad en el escurrimiento y puede dar lugar a ruido o vibraciones.

c) La ruptura de las burbujas produce tensiones muy fuertes que pueden conducir a la falla estructural de la tubería.

SIFONES INVERTIDOS

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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 en la que está ubicado un camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso otro canal.

Los sifones invertidos están conformados por dos o más tuberías, dependiendo del caudal de diseño que se requiera conducir. Estas tuberías deben constar de facilidad de limpieza.

Siempre que sea posible se debe evitar el uso de sifones invertidos por los grandes inconvenientes que representa su conservación y mantenimiento, sin embargo muchas veces no es posible resolver de otra manera el problema de paso de depresiones.

PARTES DE UN SIFÓNLos sifones invertidos, constan de las siguientes partes:

1) Desarenador2) Desagüe de excedencias3) Compuerta de emergencia y rejilla de entrada4) Transición de entrada5) Conducto o barril6) Registro para limpieza y válvulas de purga7) 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

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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.

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.

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.

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La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8" de diámetro o varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 (3/8" x 3/8") colocados a cada 10 cm. Y soldadas a un marco de 2.54 x 1.27 (1" x 1/2"). Su objeto es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y objetos extraños que impidan el funcionamiento correcto del conducto.

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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.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).

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.

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Secciones Transsversal; por cuestiones de construcción, pueden ser:CuadradasRectangulares H/B = 1.5Circulares

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.

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.El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas en el sifón

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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.

TIPOS DE SIFONES INVERTIDOSLos principales tipos de sifones invertidos son los que se indican a continuación:

Ramas oblicuas

Pozo vertical

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Ramas verticales

Con cámaras de limpieza

El sifón invertido de ramas invertidas, se emplea para cruces de obstáculos, para lo que se cuenta suficiente desarrollo y en terrenos que no se presentan grandes dificultades de ejecución.

Los sifones invertidos pozo vertical y ramas verticales, son preferidos para emplazamientos de poco desarrollo o en caso de grandes dificultades constructivas, debido a sus características de fácil limpieza y reducido espacio, son muy aconsejables.

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El sifón invertido con cámara de limpieza, tiene su aplicación en obras de cruce de vías subterráneas.

HIDRÁULICA DEL SIFÓN

El sifón invertido, presenta aproximadamente una forma de “U” interconectada con dos cámaras. En su entrada existe una cámara cuya función es orientar el flujo hacia el sifón propiamente dicho y a su salida otra cámara que permite guiar el flujo efluente hacia el colector aguas abajo. Entre estas cámaras, el escurrimiento se produce por gravedad, en conducto forzado (a presión hidráulica o sea a tubo lleno), siendo por lo tanto el nivel de agua en la cámara de entrada superior al de la cámara de salida.

La conexión entre las dos cámaras, sifón propiamente dicho, puede ser a través de dos (2) o más conductos. Los conceptos hidráulicos aplicables, son por tanto, aquellos que corresponden a conductos forzados con pérdida de carga igual a la diferencia de niveles entre la entrada y la salida.

Para los cálculos de pérdidas de carga distribuida, se recomienda el uso de la fórmula universal con el coeficiente de rugosidad uniforme equivalente K = 2 mm. Si se utiliza la formula de Hazen Williams se recomienda utilizar el coeficiente C = 100. Para la fórmula de Manning, se recomienda el valor de n = 0,013.

Pérdida de carga: Para el cálculo de pérdidas de carga, localizadas o singulares, se utilizan las siguientes expresiones:

En cámara de entrada al Sifón, La pérdida de carga He, supuesta, la entrada por un cambio de rasante en solera de borde agudo es:

Pérdida de altura potencial Hp, debida al incremento de velocidad al pasar de V1 en el colector de llegada (que no funciona en carga) a V2 velocidad del agua en el sifón, es:

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Pérdida de Carga en el Sifón

Pérdida debida a los codos (ángulos)

Pérdida debida al rozamiento con las paredes para una longitud de sifón

En cámara de Salida, La pérdida se debe a la disminución de la velocidad al pasar de la del sifón a la del colector aguas abajo. El incremento de energía correspondiente, expresado en altura es:

Valor no computable que queda como factor de seguridad, donde:

A₃, área de la sección mojada del colector de salida.A₂, área de la sección del sifón.

Por lo tanto, la pérdida total será,

H= He + Hp + Hc + Hr + Hs

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La experiencia aconseja que la rama descendente del sifón invertido debe tener gran pendiente 1:1 a 1:3, mientras que la ascendente debe tener una inclinación menor 1:2.5 hasta 1:7.

Como material de construcción se emplea casi generalmente tubería de hierro fundido dúctil, debido a la normalización de las piezas curvas de fundición siendo posible la formación de ángulos de 11,25°; 22,5°; 30°; 45°; ó sus combinaciones.

Para una fácil limpieza es conveniente que la parte que queda debajo del obstáculo que une las ramas ascendente y descendente tenga una ligera pendiente de 1:100 a 1:1 000

Es aconsejable diseñar para pendientes mayores de 22,5°, ya que éstas dificultan la remoción de sedimentos.

VELOCIDADES

Para obtener una buena auto-limpieza en el sifón invertido, el objetivo fundamental de un proyecto consiste en garantizar una condición de escurrimiento tal que, por lo menos una vez por día propicie la auto-limpieza de las tuberías a lo largo del período de proyecto. Para esto, es necesaria la determinación precisa de los caudales de aguas residuales afluentes al sifón.

Para obtener una buena auto-limpieza en el sifón invertido, la velocidad del líquido en su interior, debe ser como mínima de 1m/s para alcantarillado sanitario y 1.2 m/s para alcantarillado pluvial o combinado, que además de impedir la sedimentación del material sólido (arena) en la tubería, es capaz de remover y arrastrar la arena depositada.

Si la velocidad es igual a la mínima, será capaz de arrastrar la arena sedimentada en la tubería, la ocurrencia de valores de velocidad superiores a la mínima, por lo menos una vez al día, con mayor razón producirán la auto-limpieza del sifón impidiendo así, la formación de depósitos de material sólido que puede obstruir la tubería.

Por tanto, un criterio racional para el dimensionamiento de sifones invertidos puede ser la imposición de tener en cualquier época una velocidad mayor o igual a la velocidad minima para el caudal máximo de aguas residuales de un día cualquiera, lo que significa no incluir el coeficiente del día de mayor contribución k1 en el cálculo de éste caudal máximo.

La imposición de una velocidad mínima recomendada por algunos autores para los caudales mínimos de aguas residuales no es un criterio adecuado de dimensionamiento y conduce a valores excesivos de pérdidas de carga en el sifón para los caudales máximos. En muchos casos esta situación puede obligar a desistir del uso de sifones invertidos.

La velocidad máxima, es función de las características del material del sifón y de la carga disponible, de un modo general, la misma no debe ser mayor a 3,0 ó 4,0 m/s.

DIÁMETRO MÍNIMO

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Considerando que para tuberías de menor dimensión es mayor la posibilidad de obstrucción, es recomendable que el diámetro mínimo del sifón tenga un valor similar al fijado para los colectores. Por tanto se recomienda un diámetro de 200 mm (8 plg) como diámetro mínimo para alcantarillado sanitario y 300 mm (10 plg) para pluvial y combinado.

NÚMERO DE TUBERIAS

El sifón invertido debe tener, como mínimo dos líneas, a fin de hacer posible el aislamiento de una de ellas sin perjuicio del funcionamiento, cuando sea necesaria la ejecución de reparaciones y/o desobstrucciones.

En el caso de existir grandes variaciones de caudal, el número de líneas debe ser determinado convenientemente para garantizar el mantenimiento de la velocidad adecuada a lo largo del tiempo.

PERFIL DEL SIFÓN

La facilidad de limpieza y las pérdidas de carga son dos aspectos que deben ser considerados para la definición del perfil del sifón. El perfil de mayor uso es el que se asemeja a un trapecio con la base menor para abajo y sin la base mayor.Así la elección del perfil sea función de las condiciones locales y del espacio para su implantación, es de importancia fundamental que se procure proyectar el sifón con ángulos suaves que permitan la utilización de equipos simples para la limpieza y desobstrucción.

CÁMARAS DE INSPECCIÓN

El sifón invertido debe ser proyectado con dos cámaras visitables, cámara de entrada y cámara de salida.

Cámara de entrada, La cámara de entrada debe ser proyectada de manera que oriente el escurrimiento hacia las tuberías que constituyen el sifón propiamente dicho, debe prever además dispositivos que permitan:El aislamiento de cualquiera de las líneas para su limpiezaEl desvío del caudal afluente para cualquiera de las líneas, aisladamente o en conjunto con otra.El desvío o by - pass directamente para un curso de agua o galeríaLa entrada de un operador o equipos para desobstrucción o agotamiento.

Los dispositivos para aislamiento de tuberías pueden ser compuertas de madera, que deslizan en ranuras apropiadas, o vertederos adecuadamente dispuestos para permitir la entrada en servicio de la nueva tubería después de alcanzar el límite de capacidad de la anterior.

Generalmente son utilizadas compuertas que tienen la ventaja de poder distribuir mejor los caudales, de modo que mantenga siempre una velocidad mínima de autolimpieza; sin embargo, ésta alternativa tiene la desventaja de requerir la entrada de personas en la cámara para efectuar la operación de las compuertas.

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La utilización del vertedero lateral tiene la ventaja de evitar la entrada frecuente de personas en la cámara, sin embargo ocasiona mayor pérdida de carga, pues es considerado un obstáculo sumergido, cuando el escurrimiento pasa sobre él. Cuando es utilizado el vertedero lateral, deben ser tomados los debidos cuidados en relación a las velocidades para atender las condiciones de auto-limpieza.

Cámara de salida, ddebe ser también adecuadamente proyectada de modo de permitir la inspección, el aislamiento y la limpieza de cualquier línea del sifón. Las soleras de los tubos afluentes y de la tubería de salida quedarán rebajadas, en relación a la tubería de llegada en la cámara de entrada, en 1/3 del valor correspondiente a la pérdida de carga a lo largo del sifón, más las pérdidas localizadas.

Las cámaras de entrada y salida deben ser proyectadas con dimensiones adecuadas, de modo que permitan el acceso y movimiento de personas y equipos, en forma cómoda durante las operaciones que se realicen en las mismas.

VENTILACIÓN

Considerables cantidades de aire y gases son arrastradas por el escurrimiento de aguas residuales en los colectores que funcionan en lámina libre. En cambio, éste flujo es interrumpido en la cámara de salida del sifón, ya que el escurrimiento en el sifón se efectúa en conducto forzado.

Debido a esa interrupción, se produce una acumulación de aire y gases que origina una presión positiva en la cámara de entrada, y puede provocar el escape de gases con olor desagradable a través de orificios y aberturas en las tapas de acceso a las cámaras.

Si la cámara de entrada fuese completamente hermética, los gases efectuarían un camino en sentido inverso al escurrimiento hasta conseguir salir por las cámaras de inspección aguas arriba del sifón.

En éste caso, todo el oxígeno extraído de la cámara y los gases (principalmente el sulfhídrico que se desprende del líquido debido al aumento de turbulencia), se concentran pudiendo ocasionar serios problemas de olor. Con la acumulación de sulfatos en la cámara de entrada, el ambiente se torna altamente tóxico, y puede ocasionar la muerte de los operadores que visiten la cámara sin la debida máscara de protección.

Para minimizar este problema, se puede interconectar las cámaras de entrada y salida por medio de una tubería, de modo que los gases sean transferidos para la cámara de salida y arrastrados por el flujo de aguas residuales aguas abajo del sifón.

Dependiendo de la ubicación de la cámara de entrada, los gases pueden ser lanzados en la atmósfera siempre que las condiciones ambientales locales no sean afectadas.La evacuación de aire y gases se produce a través de una tubería con diámetro que varía desde un décimo hasta la mitad del diámetro del sifón. Cuando se interconectan las cámaras, esta tubería generalmente es ubicada en forma paralela a las tuberías del sifón.

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MATERIALES

Pueden ser utilizados tubos de hierro fundido dúctil, hormigón armado, acero o plástico, sin embargo es más frecuente el uso de hierro fundido dúctil por su facilidad de instalación.

En los casos en que el sifón es construido sobre lechos o cursos de agua, se debe verificar su peso o anclar las tuberías, para evitar su flotación, condición que puede ocurrir durante el período de construcción o cuando el sifón es vaciado para reparaciones.

Los tubos livianos generalmente llevan una envoltura de cemento para evitar la flotación y su desplazamiento sirviendo además esta envoltura para su protección.

TECNICA DE CONSTRUCCIÓN

La técnica de construcción siempre que el obstáculo a salvar esté constituido por un arroyo o río, con un caudal de volumen apreciable, sigue alguno de los siguientes métodos.

Se monta un andamio perpendicular a la dirección de la corriente; el sifón se instala sobre el andamio y luego se produce su descenso en bloque hasta que repose en un canal excavado con anterioridad para éste propósito.

El sifón, previamente montado, se suspende mediante grúas flotantes y se sumerge luego hasta reposar en la zanja excavada para tal fin.

El sifón se monta en tierra; se obturan ambos extremos; se recubre el exterior del sifón con hormigón proyectado o encofrado, hasta que el peso del sifón compense su flotabilidad en el agua; de ésta forma se consigue una protección suplementaria contra la corrosión; se conduce el sifón haciéndolo flotar mediante boyas, hasta que esté situado sobre el canal excavado previamente, se sueltan las boyas y se sumerge el sifón llenándolo con agua.

Se ejecuta el montaje del sifón en una orilla del río que constituye el obstáculo. Desde la orilla opuesta y mediante cables, éste es remolcado hasta su emplazamiento definitivo, por vehículos que circulan sobre una vía dispuesta en la prolongación teórica del eje del sifón.

FACTORES Y ELEMENTOS DE CONSTRUCCIÓN DE SIFONESEl diseño hidráulico de un sifón está gobernado por factores fundamentales tales como la topografía que favorezca su desarrollo, condiciones de pérdidas de carga, que permitan el flujo y factores económicos que determinen su viabilidad.SUELO

Selección del sitio: El diseño y construcción de sifones son indispensables,

para asegurar el éxito de estas obras, además de hacerlos más fáciles de

cuidar, más seguros y económicos. La selección del sitio adecuado es clave

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para el éxito de la obra. Debe tomarse en cuenta la topografía del terreno, la

textura del suelo, el destino donde se usara el agua y la disponibilidad de la

fuente de agua.

Topografía: favorezca su desarrollo.

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.

Cuando existen quebradas poco anchas profundas conviene cruzadas con

acueductos, pero cuando el cruce es ancho arriba y profundo en el centro

muchas veces conviene proyectar un sifón invertido.

También los estudios económicos y las consideraciones geológicas e hidrológicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructuras de sifón.Geología regional: La magnitud del proyecto y la importancia de las obras proyectadas plantea la necesidad de conocer las características geológicas regionales del área, que faciliten la descripción en las ubicaciones de las principales estructuras hidráulicas.

Antecedentes hidrológicos:

o Determinación de la crecida de probabilidad una vez en 10 años para dimensionar el desvío de construcción.

o Determinación del caudal medio anual y del caudal de probabilidad de ocurrencia 80%.

Tipos de suelo:

o Arcillosoo Franco arcillosoo Arenosoo Franco arenoso

AGUA: El volumen de agua 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”.

o Corrosión del material de construccióno Caudal de captación o Superficie y alturao Se debe considerar un aliviadero de demasías y un canal de descarga

inmediatamente aguas arriba de la transición de ingreso. A. CARGAS POR LA PRESIÓN DE DISEÑO

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Es la carga debido a la presión en la condición más severa, interna o externa a la temperatura coincidente con esa condición durante la operación normal.

B. CARGAS POR PESO

a) Peso muerto incluyendo tubería, accesorios, aislamiento, etc.b) Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso.c) Efectos locales debido a las reacciones en los soportes

C. CARGAS DINÁMICAS

a) Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el sistema de tuberías expuesto al viento.

b) Cargas sísmicas que deberán ser consideradas para aquellos sistemas ubicados en áreas con probabilidad de movimientos sísmicos.

c) Cargas por impacto u ondas de presión, tales como los efectos del golpe de ariete, caídas bruscas de presión o descarga de fluidos.

d) Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presión, por variaciones en las características del fluido, por resonancia causada por excitaciones de maquinarias o del viento.

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

Los sifones exigen cuidados especiales sistemáticos con la finalidad de evitar obstrucciones. Una de las principales preocupaciones relacionadas al uso de los sifones se refiere a la necesidad de desobstrucción de los mismos, particularmente cuando ocurre la acumulación de sólidos pesados, como piedras, que resisten el arrastre hidráulico, situación que se traduce en la necesidad de utilización de equipos mecanizados de limpieza.

Un equipo de limpieza de sifones bastante eficiente es la denominada Bucket-Machine. Este equipo está provisto de un motor, que es responsable del accionamiento de una roldana que enrolla y desenrolla un cable de acero, que tiene en el extremo un recipiente que se introduce por el interior de las tuberías, raspando la solera y recolectando el material sedimentado. Existen recipientes de distintos tamaños y su elección depende del diámetro de las tuberías y también de las dimensiones de las cámaras de entrada y salida.

Se recomienda la realización de inspecciones regulares, a través de las cuales puedan ser previstas a tiempo la remoción de obstrucciones incipientes. En promedio, estas inspecciones deben ser realizadas una vez por mes.

La limpieza de los sifones puede hacerse a través de chorros de agua a presión, y éstos pueden generarse se diversas formas:

1. Creación de un remanso del agua, para posteriormente liberar el flujo retenido.2. Admisión de agua limpia en la parte superior del sifón invertido.3. Dotación de un mecanismo de limpieza permanente en el sifón.4. Limpieza manual, utilizando sondas u otro tipo de herramienta, tras vaciar el sifón.

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ALIVIADEROS DE SIFON EN PRESAS DE EMBALSE

Un aliviadero en sifón es un conducto cerrado en forma de U invertida colocado de manera que la parte más alta de la curva está al nivel normal del embalse. Los caudales iníciales desaguados por el aliviadero, cuando el embalse está por encima del nivel normal, son similares a los aliviaderos de labio fijo. La acción del sifón propiamente dicho tiene lugar en el momento en que ha sido arrastrado todo el aire encerrado en la garganta, manteniéndose el flujo continuo por efecto de la succión debido al esfuerzo de tracción del peso del agua en la rama inferior del sifón.

Las cinco partes esenciales del aliviadero en sifón: embocadura, rama superior, garganta o sección de control, rama inferior y de salida. También se dispone una vetosa para detener la acción del sifón, cuando la superficie del agua en el embalse alcanza el nivel normal, pues sin ella el sifón continuaría actuando hasta que el aire entrase por la embocadura.

Esta embocadura suele colocarse muy por debajo del nivel normal del agua en el embalse para evitar la entrada de bloques de hielo o broza y la formación de vórtices o tapones de aire que producirían la interrupción de sifón. La rama superior forma una transición curva y abocinada que une la embocadura con la garganta. La garganta o sección de control tiene una sección transversal generalmente rectangular y se coloca en la coronación del codo superior del sifón, codo que continua hasta unirse con la parte vertical o inclinada que forma la rama inferior del sifón.

Esta rama, es generalmente, de curvatura contraria para asegurar más la acción de cebado por formación de una cortina liquida que cierra herméticamente la conducción. Esta rama inferior puede terminar en forma de desagüe verticalmente, o a lo largo del paramento de la presa; puede también equiparse con un tubo de desagüe divergente que evacue el agua en dirección horizontal. El flujo desaguado puede ser libre o sumergido según sea la situación de la rama inferior y los calados agua abajo.

Las principales ventajas del aliviadero en sifón son: su facultad para evacuar a plena capacidad con pequeñas variaciones de la carga y su total automatismo, sin dispositivos mecánicos ni partes móviles.

Además de su coste, muy alto con relación al de otros tipos, el aliviadero en sifón tiene entre otras las siguientes desventajas:

1) No es capaz de evacuar hielos ni broza.2) Existe la posibilidad de atasco por malezas y hojas sueltas, tanto del cómo de la ventosa.3) La posibilidad de que el agua se hiele en la rama superior y en la aducción del aire antes de que el

agua alcance el nivel normal e impida establecer la corriente en el sifón.4) Las repentinas puestas en servicio o la detención del sifón pueden producir fluctuaciones bruscas en

el caudal del rio agua abajo.5) Cuando exista un solo sifón puede evacuar un volumen excesivo de agua, pudiendo obtenerse una

regulación más precisa disponiendo varios pequeños sifones, que vayan entrando en acción sucesivamente, a medida que aumente el nivel del embalse.

6) Se requiere una cimentación muy cuidada para resistir las vibraciones, más fuertes que en otros tipos de estructuras de control.De la misma manera que en los restantes tipos de aliviaderos cerrados, la principal desventaja de estos es que resultan incapaces de evacuar avenidas mayores que las previstas en el proyecto; por consiguiente, deberán instalarse aliviaderos de emergencia.

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Con respecto a su cálculo hidráulico los aliviaderos en sifón precisan:

1) Prefijar las presiones mínimas admisibles.2) Determinar la velocidad máxima en la garganta del sifón.3) Calcular las pérdidas en el sistema cerrado de tubería.

Para determinar la presión en la parte alta de la garganta del sifón, se toma la siguiente ecuación:

hci=hSA+hs−∑ hL0

Siendo:

hci = carga cinética en la parte alta de la garganta.

hSA = altura de presión subatmosferica en la parte alta de la garganta (la máxima altura de presión subatmosférica admisible es igual a la probable altura de presión mínima atmosférica, en el lugar donde haya de construirse el sifón, menos la mínima altura de presión residual admisible)

hs = altura medida desde el nivel libre del agua en el embalse a la parte superior de la garganta, en condiciones de funcionamiento del sifón.

∑ hL 0 = suma de las pérdidas de carga agua arriba de la garganta.

El flujo en la rama superior del sifón es análogo a la sección de un vórtice libre en el cual la corriente gira concéntrica con un eje y la velocidad aumenta en relación inversa de la distancia al centro de rotación: es decir:

ν∗R=A (constante )

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De ahí resulta que la velocidad en la rama superior del sifón será mayor dentro de la curva que en la parte superior de la garganta. La ecuación anterior puede escribirse de la siguiente manera:

vx∗R x=vx∗Rc ó V x=vs∗RcRx

Donde V x es la velocidad en un punto y R x la distancia de ese punto al centro de curvatura; vs ,Rc las dimensiones equivalentes en el punto más bajo de la garganta.

El caudal dqdesaguado por un elemento de longitud de R x dentro de la curva, será vx∗dRx , y entrando con estos valores en la ecuación:

dq=vs∗RcRx

dRx

Integrando entre los límites Rc y R s, donde R ses el radio de curvatura en el vértice de la garganta, se obtiene la siguiente ecuación para el caudal específico:

q=vs∗Rc∫Rc

R s1RxdR x=vs∗Rc loge

RsRc

Haciendo vs=√2g hcx la ecuación resulta:

Q=4,43B√hcx( loge R sRc )∗RcDonde B es la anchura de la sección de garganta.

De esta manera queda demostrado que el caudal máximo, que puede obtenerse para un valor dado de hcx, depende de la curvatura de la curva superior. Una vez fijada esta curvatura las restantes componentes deben ser previstas, de tal manera, que se consiga mantener la presión residual en la coronación dentro de los límites prefijados. Para simplificar pueden tomarse las presiones subatmosfericas admisibles con el valor 0,7 de la presión atmosférica mínima hAT .

Q=4,43B√0,7hAT ( loge R sRc )∗RcEl desagüe a través de un sifón depende de la altura disponible; desde el nivel libre del agua al nivel de la desembocadura, menos las pérdidas acumuladas que incluyen las pérdidas en la entrada, perdidas por rozamiento, pérdidas debidas a transiciones y curvas y altura perdida en la salida.

Si la forma del sifón es rectangular y las secciones de las ramas ascendente y descendente del sifón son las mismas que las de la garganta entonces utilizamos la siguiente ecuación:

q=D√2g (HT−hL)……………………………………………………(α )

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Donde D es la altura de la garganta y del conducto del sifón.

Los coeficientes de pérdidas que generalmente se adoptan para los sifones rectangulares donde las ramas del sifón tienen sección constante, son los siguientes:

Pérdidas en la embocadura y transición

H e=0,2v12

2g

Pérdidas por rozamiento

h f=0,25v12

2g

Pérdidas en las curvas, para las ramas superior e inferior, cuando el radio del eje es igual a 2,5D

hcx=0,2( v122g−v02

2 g )Pérdidas en la transición hacia desembocaduras convergentes:

hcx=0,1( v022g−v12

2 g )Pérdidas en la desembocadura

he=( a1a0 )2 v1

2

2g

a1 y v1 son el área y la velocidad en la garganta y a0 y v0 el área y la velocidad en la salida.

La ecuación α puede escribirse en la forma:

q=C∗D√2g HT

Donde C es un coeficiente que tiene en cuenta las distintas pérdidas a través del conducto del sifón. Igualándola con la ecuación α , resulta:

C=√ (H T−hL )HT

a) RAPIDAS

Las RAPIDAS son usadas para conducir agua desde una elevación mayor a una más baja. La estructura puede consistir de:

Una transición de entrada. Un tramo inclinado Un disipador de energía

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Una transición de salida.

La transición de entrada

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, un vertedero o un control en la entrada. La entrada usada deberá 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.

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 deben 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 suave de la entrada cambia a la pendiente fuerte del tramo inclinado. En el caso que la pendiente de la entrada sea suficientemente pronunciada para soportar una velocidad mayor que la velocidad crítica, debería calcularse dicha velocidad y tirante correspondiente, para determinar la gradiente de energía al inicio del tramo inclinado.

El tramo inclinado, con canal abierto, generalmente sigue la superficie original del terreno y se conecta con un disipador de energía en el extremo más bajo.

Poza Disipadora o salidas con obstáculos son usadas como disipadores de energía en este tipo de estructuras.

Una transición de salida es usada cuando es necesaria para conectar 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 no hay control del flujo después en el canal, la transición puede ser usada para proveer el remanso elevando el piso de la transición en el sitio 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.

b) ALIVIADEROS DE CANAL LATERAL

En ellos el dispositivo de control está situado en posición paralela o casi paralela al eje de la parte superior del canal de desagüe. La lámina que se vierte sobre la coronación del vertedero cae en un canal estrecho, gira aproximadamente en ángulo recto y continúa por el canal principal de desagüe. El canal lateral está relacionado exclusivamente con el comportamiento hidráulico en el tramo de aguas arriba del canal de desagüe y es más o menos independiente del resto de los distintos componentes del aliviadero. La corriente de este canal lateral puede ir directamente a un canal de desagüe abierto, a un túnel o a una conducción cerrada. El agua puede llegar al canal por un solo lado, en el caso de estar situado en una ladera escarpada, o por los dos y el extremo final, caso de estar situado en una ladera suavemente inclinada.

Las características de desagüe del canal lateral son análogas a las de los vertederos ordinarios y dependen del perfil escogido para su coronación. No obstante, cuando los caudales desaguados son grandes, pueden aparecer diferencias muy notables porque la corriente en el canal quede restringida y pueda sumergir la coronación del vertedero. En este caso las características de la corriente serán controladas por una

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contracción del canal aguas abajo del vertedero, que puede consistir en un punto en régimen crítico en el canal, en un orificio del control o en un conducto o túnel en carga.

Aunque el canal lateral no sea hidráulicamente bueno ni barato, presenta ventajas que pueden hacerle aconsejable en algunos tipos de aliviaderos. Suele preferirse esta solución cuando se desea disponer de un vertedero muy largo, para conseguir reducir la altura de regulación, siendo las laderas bastante escarpadas; o cuando el dispositivo de control deba conectarse con un canal de desagüe estrecho o con un túnel.

ALIVIADERO DE SIFON (GALLITO CIEGO)

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a)

ALIVIADERO EN REPRESA TRES GARGANTAS, CHINA

Capacidad de descarga del Aliviadero: 40000 m3/s Tipo de aliviadero con compuertas

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