Diseño de una caida

Universidad César Vallejo OBRAS HIDRAULICAS
DISEÑO DE UNA CAIDA
1. INTRODUCCION
Las caídas o gradas según Dornínguez, son estructuras utilizadas en
aquellos puntos donde es necesario salvar desniveles bruscos en la
rasante del canal; permite unir dos tramos (uno superior y otro inferior)
de un canal, por medio de un plano vertical, permitiendo que el agua
salte libremente y caiga en el tramo de abajo. El plano vertical es un
muro <le sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje que estas
ocasionan. La finalidad de una caída es conducir agua desde una
elevación alta hasta una elevación baja y disipar la energía generada por
esta diferencia de niveles. La diferencia de nivel en forma de una caída,
se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un canal.
La caída vertical se puede utilizar para medir el caudal que vierte sobre
ella, si se coloca un vertedero calibrado.
Elementos de una Caída Vertical:
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.
Caída en sí: La cual es de sección rectangular y puede ser vertical o
inclinada.
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.
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. Uno de los aspectos que generalmente merece
especial atención en el diseño de obras hidráulicas de montaña es la
disipación de la energía cinética que adquiere un chorro líquido por el
incremento de la velocidad de flujo. Esta situación se presenta en
vertederos de excedencias, estructuras de caída, desfogues de fondo,
salidas de alcantarillas, etc.
Las caídas son estructuras que sirven para transportar el agua de un
nivel superior a otro nivel inferior y que al hacerlo se disipe la energía
que se genera. Existen de varios tipos y estos dependen de la altura y
del caudal del agua que se transporta. Existen instituciones como el
USBR que han clasificado los tipos de caídas según os disipadores de
energía que presenta de las cuales podemos mencionar por ejemplo el
USBR BASIN TIPO I, TIPO II, TIPOIII, etc.
Una caída por lo general consta de las siguientes partes: Transición
Aguas arriba, Entrada de la caída, Longitud de transición, cuenco
disipador, salida. Cada una de estas partes tiene sus criterios especiales
de diseño, que escapa del alcance de este trabajo no obstante se
mencionara ya que son útiles para el diseño de la caída. Las caídas son
utilizadas ampliamente como estructuras de disipación en irrigación,
abastecimiento de agua y alcantarillado y son también es necesario en
presas, barrajes y vertederos. Aparte de costo, que, evidentemente, será
un factor importante a la hora de diseñar, es necesario considerar los
factores tales como:
• Facilidad de construcción y la disponibilidad de materiales
• Rendimiento en sistemas llevando sedimento, los desechos y malas
hierbas
• Capacidad de realizar otras funciones tales como puente

• Conocer los diversos tipos de caídas y sus características
• Conocer los criterios de diseño de las caídas.
La caída hidráulica es una situación que se da frecuentemente en
canales, cuando se produce un cambio en la profundidad del flujo desde
un nivel alto a un nivel bajo. Como consecuencia se verifica una
profunda depresión en la superficie libre del agua en el canal. Este
fenómeno es consecuencia, generalmente, de un incremento brusco en
la pendiente del canal, o en ensanchamiento rápido de la sección
transversal del mismo. En la región de transición entre un estado del
flujo y el siguiente aparece normalmente una curva en la superficie del
agua con la concavidad hacia abajo y luego presenta un punto de
inflexión y pasa a tener su concavidad hacia arriba.1
El punto de inflexión se encuentra aproximadamente en correspondencia
de la profundidad crítica, en el cual la energía específica es la mínima, y
el flujo pasa de una situación de flujo suscritico a supe crítico.
Como caso especial de la caída hidráulica se da la caída libre. Esta
situación se da cuando el fondo del canal tiene una discontinuidad,
presenta un salto.

2. ALCANCES
En el presente trabajo solo se comprenderá el análisis y el diseño de
caídas Tipo y de Tipo verticales y se harán mención de los otros tipos
que por lo general se clasifican por el tipo de Disipadores que tienen.
Las caídas verticales son utilizadas cuando se desea decrecer la
elevación en un rango de 3 a 15 pies (1 a 4.5 m) a una distancia
relativamente corta. Esto con la finalidad de dispar la energía, y también
reducir el poder erosivo del flujo
3. FUNDAMENTO TEORICO
LA HIDRAULICA DE LA ENERGIA DE DISIPACION
Los conceptos de energía y momentos derivados de las leyes de newton
son básicos en la mecánica de fluidos
ENERGIA ESPECÍFICA
Para cualquier sección de un canal, se llama energía específica a la
energía por unidad de peso del líquido en movimiento con relación a la
solera, como se observa en Figura VIII.1.No es posible predecir el
carácter del cambio de la energía específica entre las secciones 1 y 2.
Es claro que la energía total debe disminuir, pero la energía específica
puede aumentar o disminuir dependiendo de otros factores como la
resistencia al flujo, la forma de la sección transversal, etc.
DISEÑO DE CAIDAS VERTICALES
Las caídas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es
necesario efectuar cambios bruscos en la rasante del canal, permite unir
dos tramos (uno superior y otro inferior) de un canal, por medio de un
plano vertical, permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el
tramo de abajo. El plano vertical es un muro de sostenimiento de tierra
capaz de soportar el empuje que estas ocasionan. La finalidad de una

caída es conducir agua desde una elevación alta hasta una elevación
baja y disipar la energía generada por esta diferencia de niveles. La
diferencia de nivel en forma de una caída se introduce cuando sea
necesario de reducir la pendiente de un canal. Una caída vertical esta
compuesta por: transición a la entrada, que 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 inicial a caída, cercano a este punto se presentan las
condiciones críticas. Caída en si, la cual es de sección rectangular y
puede ser vertical o inclinada.
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.
OBRAS DE ARTE
Las obras de arte llamadas también estructuras secundarias, constituyen
el complemento para el buen funcionamiento de un proyecto hidráulico.
Este tipo de estructuras se diseñan teniendo en cuenta las siguientes
consideraciones.

- Según la función que desempeñan
- Según su ubicación
- De acorde a la seguridad contemplada en el proyecto a realizar
- El riesgo como factor preponderante ante una probable falla y el
impacto que ello cause.
CLASIFICACIÓN:
Se clasifican según la función que van a desempeñar en el proyecto:
Estructuras para cruzar depresiones
 Acueductos
 Sifones
Estructuras para salvar desniveles
 Caídas
 Rápidas
Estructuras para control de gasto
 Vertederos
 Medidores Parshall
Estructuras para distribución de gasto
 Tomas laterales
 Partidores
Estructuras de seguridad
Puente Canal o Canoas
Alcantarillas
ESTRUCTURAS DE CRUCE
Son las obras mediante las cuales es posible cruzar un canal con
cualquier obstáculo (una vía de ferrocarril, un camino, un rio, 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
- Sifon – Tunel
La decisión que se debe tomar sobre cual de las estructuras es mejor en
un caso determinado depende de consideraciones de tipo económico y
de seguridad.
De la Figura anterior se tiene: d1+ hv1+ D1= dc + hvc + he
Donde:
d1 = tirante normal en el canal superior,
m.hv1 = carga de velocidad en el canal superior,
m.D1 = desnivel entre el sitio donde comienza el abatimiento y la
sección de control, cuyo valor se desprecia por pequeño,
m.hvc = carga de velocidad en la sección de control, m.
dc = tirante critico,
m.he = suma de las perdidas ocurridas entre las dos secciones, m.
El segundo miembro de la ecuación 10-26, se obtiene suponiendo una
sección de control, se calcula el tirante crítico correspondiente así como
la velocidad y la carga de velocidad critica. De acuerdo a las
características de llegada a la sección, se estiman las perdidas de carga.
La suma del segundo miembro se compara con la suma del tirante del
canal y su carga de velocidad. La sección en estudio se tendrá que
ampliar o reducir hasta lograr que las sumas sean iguales. Una sección
adecuada y más sencilla de calcular es la rectangular, esto se logra
haciendo los taludes verticales. Del régimen crítico para secciones
rectangulares se tiene:

Donde:
dc = tirante critico,
m.q = caudal que circula por la sección,
m3/s.b = plantilla de la sección,
m.g = aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2.La carga de velocidad
en la sección crítica esta dada por las siguientes ecuaciones: Para
canales trapeciales:
Las caídas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es
necesario efectuar cambios en la rasante del canal, a fin de disipar
energía.
Tanto las caídas como las caídas-retenciones deberán localizarse
inmediatamente aguas debajo de las tomas siempre que no existan
circunstancias muy especiales que no lo permitan. Es necesario
también hacer hincapié en el hecho de que deberá tratarse de uniformar
la altura de caída en cada uno de los canales.
Una caída se compone de las siguientes partes:
a) Transición de entrada (de trapezoidal a rectangular)
b) Caída en sí, la cual es de sección rectangular y puede ser vertical o
inclinada con pendiente de 1.3 : 1 a 1.5 : 1; utilizaremos estas
últimas ya que permiten un vaciado sin encofrado y una mejor
adaptación de las líneas de flujo a las secciones.
c) Pozo amortiguador o colchón; es de sección rectangular y su función
es de absorber la energía cinética del agua en el pie de la caída.
d) Transición de salida (de rectangular a trapezoidal).

CRITERIOS DE DISEÑO DE UNA CAÍDA
Numero de caídas.
Longitud e transición de entrada.
Ancho del canal en el tramo de la caída.
Diseñar la poza disipadora en función de la altura de caída.
Borde libre de la caída.
Rugosidad en el funcionamiento de la caída.
Ventilación bajo la lamina vertiente.
Verificar que la velocidad del flujo de la caída este en el rango de 0.6m/s < v <
(1.5 – 2) m/s.
- Tener cuidado el mal funcionamiento hidráulico del chorro de la caída por que
puede producir una gran erosión en el muro vertical.
CAÍDAS VERTICALES CON OBSTÁCULOS PARA EL CHOQUE
El Bureau of Reclamation, ha desarrollado para saltos pequeños, un tipo de
caída con obstáculos donde choca el agua de la lámina vertiente y se ha
obtenido una buena disipación de energía para una amplia variación de la
profundidad de la lámina aguas abajo a tal punto que puede considerarse
independiente del salto.

PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DE UNA CAÍDA SIN OBSTÁCULO
1. Diseño del canal, aguas arriba yaguas abajo de la caída Utilizar las
consideraciones prácticas que existen para el diseño de canales.
2. Cálculo del ancho de la caída 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:
Se puede asumir que n E = E min (energía específica en el canal), para
inicio de los cálculos realizar la verificación.
También se puede suponer un ancho en la sección de control de la
caída, calcular el tirante crítico y por la ecuación de la energía calcular el
tirante al inicio de la transición.

Existen fórmulas empíricas para el cálculo del ancho de la rápida, las
cuales son:
• De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse:
Por lo general el ancho de solera con esta última fórmula, resulta de
donde: mayor magnitud que con la fórmula de Dadenkov.
3. Diseño de la transición de entrada
Para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es:
Donde:
T1 = espejo de agua en el canal.
T2 = b = ancho de solera en la caída.
4. Cálculo de la transición de salida
Se realiza de la misma forma que la transición de entrada.
5. Dimensiones de la caída (Q < 0.1 m3/s)

5.1 Caídas pequeñas
De acuerdo con los diseños realizados por el SENARA, en canales
con caudales menores o iguales que 100 l.p.s (Q ::; 0.1 m3/s), se
tiene:
5.2 Caídas verticales sin obstáculos
El proceso de cálculo para caídas verticales sin obstáculos es como
Sigue:
• Calcular el número de caída utilizando la siguiente relación:
Donde:
D = número de caída
Yc = tirante crítico de la sección de control
h = desnivel
q = caudal unitario

• Calcular los parámetros de la caída vertical, los cuales se muestran
en la figura 4.2. Estos parámetros, según Rand (1955), se calculan
con un error inferior al 5 %, con las siguientes ecuaciones:
YP es la altura que aporta el impulso horizontal necesario para que
el chorro de agua marche hacia abajo
Calcular la longitud del resalto, se puede calcular con la fórmula
de Sieñchin:
L =5(Y2 - Y¡)
Calcular la longitud total del colchón, la cual será:
L, = Ld + L
• Debe evitarse que en la cámara de aire se produzca vacío, por que
esto produce una succión que puede destruir la estructura por

cavitación, para evitar esto se puede hacer agujeros en las paredes
laterales o incrementar en la poza 10 ó 20 cm a ambos lados.
• Para las filtraciones que se produce en la pared vertical, se
recomienda hacer lloraderos (drenes de desagüe).
5.3 Caídas verticales con obstáculos
Cuando la energía cinética es muy grande se construyen dados
que ayudan a disipar la energía en una longitud más pequeña de la
poza de disipación.
Según el U.S. Bureau of Reclamation, las relaciones de los
Parámetros de una caída vertical con obstáculos (figura 4.3), son:
Longitud mínima del colchón:
Donde:
L = longitud mínima del colchón
l¿ = longitud de la caída

ANEXOS

PROYECTO ESPECIAL “OLMOS TINAJONES”
(Dpto. Lambayeque-Cajamarca y Piura)

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