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8/10/2019 TOMAS LATERALES TUBULARES.docx

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TOMAS LATERALES TUBULARES:2.1 DEFINICION:Las obras de tomas para canales (o reguladores de cabeceras, Fig. 01), son dispositivoshidrulicos construidos en la cabecera de un canal de riego. La finalidad de esosdispositivos es derivar y regular el agua procedente del canal principal a los laterales ode estos a los sub laterales y de estos ltimos a los ramales. Estas obras pueden servir

tambin para medir la cantidad de agua que circula por ellas.Para obtener una medicin exacta del caudal a derivar, estas tomas se disean dobles,es decir, se utilizan dos bateras de compuerta; la primera denominada compuerta deorificio y la segunda compuerta de toma y entre ellas un espacio que actua comocamara de regulacion (Fig. 02).Para canales pequenos y considerando el aspecto economico, se utiliza tomas con uncompuerta con la cual la medicion del caudal no sera muy exacta pero si bastanteaproximada.2.2 CONSIDERACIONES HIDRULICAS:En una red de riego, en especial en los canales secundarios o terciarios, las tomas se

instalan normales al canal alimentado, lo que facilita la construccion de la estructura.Generalmente se utilizan compuertas cuadradas las que se acoplan a una tuberia. Lasdimensiones d e las compuertas, son iguales al diametro de la tuberia y esta tendra unalongitud variable dependiendo del caso especifico, por ejemplo cuando la toma tengaque atravesar una carretera o cualquier estructura, se puede fijar una longitud de 5mpara permitir un sobre ancho de la berma del canal en el sitio de toma por razones deoperacion.2.3 CALCULOS HIDRAULICOS:1.- Ecuacin de la prdida de carga total (Dh):Aplicando la ecuacion de Bernoulli en las ecuaciones 1 (entrada al conducto), 2(salida),

y considerando como nivel de referencia al eje del conducto (fig. 03), se tiene:

Figura 03: Toma lateral.

Ya que v1 = 0, se tiene:

De la fig. 03: Donde:


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Donde:H = Carga total, diferencia de altura entre la superficie libre de agua en el canalprincipal y el canal lateral.

= Carga de velocidad en el conducto.

= sumatoria de perdidas entre los puntos 1 y 2.

En la sumatoria de perdidas se tienen que considerar; perdida de carga por entrada (he),perdida de carga por friccion (hf) y perdida de carga por salida (hs), siendo esta ultimadespreciable, por lo cual se tiene:

a.- Las prdidas de entrada se calculan por la siguiente relacin:

Donde:V2 = Velocidad de la tuberiaKe = Coeficiente que depende de la forma de la entrada (tabla 1)

Tabla 1 Valores de Ke

b.- Las prdidas por friccin se calcula con la ecuacin:

Donde:L = Longitud de la tuberiaSE = Pendiente de la linea de energia.

La ecuacion de Manning establece que:


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De donde:

Para el caso que una tuberia trabaje llena:

Entonces se tiene:

Sustituyendo (3) y (4) en (2), resulta:

Reemplazando (5) en (1), se obtiene:

Haciendo:

Ademas considerando que se trata de una tuberia de concreto con coeficiente derugosidad n = 0.015 y que existe entrada con arista en angulo recto, es decir, Ke= 0.5, se tiene:


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Que es la expresion para la carga total.3.- Dimetro (d) y rea (a) del conducto:Aplicando la ecuacion de la continuidad

De otro lado:

Para los clculos, con el dato del caudal Q y suponiendo V = 1.07 m/s de la ecuacin (7)se encuentra A; con la ecuacin (8) se determina D, este valor se redondea de acuerdo aldimetro superior inmediato que ofrece los fabricantes.Con esta valor se re-calcula A y posteriormente v.4.- Sumergencia a la entrada (Sme):Puede usarse cualquiera de los siguientes criterios:

Sme = D (9)Sme = 1.78 hv + 0.0762 m (10)

5.- Sumergencia a la salida (Sms):Sms = 0.0762 m

6.- Ancho de la caja de entrada a la toma (B)B = D + 0.305 (11)

7.- Carga en la caja (h)Se calcula como un vertedero de pared delgada.

PROCEDIMIENTO DE CLCULO:El diseo de la toma lateral implica dar dimensiones a la tubera (dimetro y longitud),calcula la velocidad en el conducto, las dimensiones de la caja, la sumergencia a laentrada y salida, las dimensiones de la transicin y las cotas de fondo correspondientes,conforme se indica en la fig. 04.

Fig. 04 Elementos de una toma lateral.El U.S. Bureau of Reclamation proporciona ciertas recomendaciones para el diseo, delcual se ha adaptado el siguiente proceso de calculo.1.- Aceptar la recomendacin para la velocidad del conducto v = 1.07 m/s para iniciarcalculos.2.- Calcular el rea

3.- Calcular el diametro de la tubera:


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4.- Redondear el diametro a uno superior inmediato que se encuentre disponible en elmercado.5.- Re-calcular el area.

6.- Re-calcular la velocidad

7.- Calcular la carga de velocidad en la tuberia.

8.- Calcular la carga total Dh.9.- Calcular la sumergencia en la entrada (Sme).

Sme = 1.78 hv + 0.25 piesSme = 1.78 v + 0.0762 m

10.- Calcula la suemergencia en la salida (Sms).Sms = 0.0762 m (3)

11.- Calcular los lados de la caja de entrada.

b = D + 0.305 m (D + 1)12.- Calcular la carga en la caja.

13.- Calcular cotas.SLAC = Cota de fondo del canal + y1

Cota A = SLAC Sme D

Cota B = SLAC Sme DCota B = Cota B + DCota C = Cota B 4 pulg = Cota B 0.1016 mSLAC = SLAC - DhCota D = SLAL Sms DCota E = SLAL y2

14.- Calcular la longitud de salida

De acuerdo a Hinds:


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Donde:T = Espejo de agua en el canal lateral.D = Diametro de la tuberia.

15.- Calcular el talud de la transicion de salidaIII .- DISEO DE LA TOMA N 1 DEL CANAL LATERAL I-1

TOMA No 1

Canal alimentador (o principal) : I - 1Ubicacion de la toma : Km. 0 + 080Canal derivado (o lateral) : I - 1.1

Condiciones topogrficasLas condiciones topograficas a considerar para el diseno de la toma, son las cotas de larasante del canal alimentador y del derivado a inmediaciones de la ubicacin de latoma; asi como mostramos en el siguiente esquema.

Caractersticas Hidrulicas:Canal Alimentador ( I 1 )A inmediaciones de la tomaQ = 1.38 m3/segS = 0.0005n = 0.015z = 1.00b = 0.75 mY = 0.95 mA = 1.62 m2v = 0.85 m/segF = 0.348

Canal Derivado ( I 1.1 )Q = 0.09 m3/segS = 0.0005n = 0.015z = 1.00b = 0.50 mY = 0.30 mA = 0.24 m2v = 0.38 m/seg

Seccin rectangular de tomaQ = 0.09 m3/segS = 0.0005


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n = 0.015z = 0.00b = 0.50 m *Y = ?A = ?v = ?

Grafico :

*Hemos asumido en la seccin rectangular una toma b = 0.50 m, por ser un anchorecomendado en el proceso constructivo.Los dems valores lo calcularemos segn los niveles de energa que nos resulte alconsiderar las prdidas de carga en el diseo hidrulico de la toma.

3.1 DISEO HIDRAULICO DE AL TOMA:Calculo hidrulico de la toma:

Niveles de energa:

Analizaremos seccion por seccion para ver el comportamiento y los niveles de flujoalrededor de la toma.SECCION 0:Seccin que corresponde al eje del canal alimentador.


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- Carga de velocidad =

- Altura de energia especifica

- Nivel de energia:

- Numero de Fraude:

SECCION 1:Seccin que corresponde a las inmediaciones de la compuerta, entre esta y la seccin 0existen perdidas por derivacinPERDIDAS POR DERIVACION:

Kd = Coeficiente de perdida en la derivacion = ?

v = Velocidad corresponde al canal alimentador q = Angulo de

derivacion = 90oPor aspectos teoricos de construccion (facilitar calculos), se le hace toma perpendicularal canal alimentador y segun tabla :

Reemplazando valores:

Balance Energia entre las secciones 0 y bernoulliH0 = Z1 + H1 + PdHallando H1 , E1Z1= 0.30 , H0 = 0.986 , Pd = 0.033


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Reemplazando tenemos:H1 = H0 (Z1 + Pd) =0.986-(0.30+0.033) = 0.653E1 = Z1+ H1 +22.313Donde H1 = 0.654, entoncesE1 = 23.263Caudal que pasa por debajo de la compuerta Q= 0.09

Si b=0.50Entonces:A1=b Y1

A1=0.50Y1 , Q=0.09 , V1=0.09/(0.50 Y1)=0.18/Y1

Energa Especfica:Calculados en el paso anterior:

H1=0.654

Reemplazamos el valor H1

Despejando Y1 TenemosY1=0.652Reemplazando Y1 en A1=b Y1DondeA1=0.5X0.652=0.326A1=0.5Y1=0.326, Q=AV , Q=0.09V1=0.09/0.5Y1=0.276Luego tenemos:

Y1

=0.652b 1=0.50T1=0.50A1=0.326


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V1=0.276

Relacin Carga Orificio: Y/a1Vamos asumir un valor para el orificio teniendo en cuenta el tirante que en condicionesnormales presento el canal derivado (I-1.1) osea (Y=0.30) ademas el valor asumido tieneque ser menor que Y1 para aplicar la formula del orificio sumergido. Asumiendo:a =2/3Y Canal Derivadora=2/(3x0.30)=0.20Luego :Y1/a =0.652/0.20=3.26>1.4

Emplearemos la formula de orificio sumergido: Y1 > 1.40Q=Cd a x b 2g H0Pero antes calculamos:Coeficiente de Contraccin (Cc)

Tenemos: Y1/a =3.26Entonces: a/Y1=0.306

Con este valor entramos a la tabla de coeficiente de contraccin: Cc=0.625Cabe anotar que con referencia a los valores de los coeficientes de contraccin, lasinvestigaciones experimentales que se han realizado no llevan a los resultadoscoincidentes, de ahi que ciertos investigadores (SOTELO) recomiendan usar


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indistintamente para orificios con descarga libre y sumergida el mismo coeficiente dedescarga (Cd).Segun krochin el valor Cd varia del 99% al 95% del CcCoeficiente de descarga (Cd)Segun Vedernicov:Cd=Cc / ( 1+Cc a /Y1)

Cd=0.625/( 1+0.625x0.306) = 0.573

Segun krochin :Cd =< 99-95 > % Cc99% Cd =0.618 0.573


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Ademas:b3=0.50T3=0.50A3=b3 x Y3=0.50 x 0.16 = 0.08V3=Q/A=0.09/0.08=1.13F3=V3/ g Y3 = 0.902 h =Y1 Ys = 0.652 - 0.340 = 0.312Esta es la carga (altura) que origina el caudal por la compuerta si esta carga ( 1.40 , empleamos la formula de orificio sumergido

Q=Cd a x b 2g (Y 1 - Ys ) , caudal que ingresa por la compuerta


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Donde:

Cd= 0.573a = 0.20b = 0.50g = 9.81

Y1 = 0.652Ys = 0.34< h = Y1 -Y s =0.312

Remplazamos valoresQ= 0.573 x 0.20 x 0.50 2x9.81 (0.312) = 0.141 m 3/seg.Q = 141 lt. / Seg. > 90 lt / seg. ------- (caudal que ingresa por la compuerta)El caudal por la compuerta calculado (141 lt / seg.) es mayor que el requerido (90lt/seg) en 51 lt / seg. ; Este exceso puede soportarlo el canal derivado por su margen deborde libre (con unos 5 cm. mas de tirante el caudal de exceso puede ser soportar);sin

embargo estos 51 lt / seg. , baja el caudal aguas abajo del canal alimentadorperjudicando su capacidad alimentadora para los posteriores canales sub-laterales.Este exceso es debido, que al comienzo estimamos la profundidad del orificio (a= 0.20)y al llegar a los resultados el caudal de captacion esta por encima del requerido. Ahorapara que el caudal baje, seguimos el siguiente razonamiento: ver formulas

Entonces, que para bajar el caudal de captacin, el orificio se tendra que reducir.Vamos a empezar los calculos con los mismos criterios anteriores pero en forma

simplificada.Estimamos a = 0.15Relacin orificio: cargaa =0.15 Y1 = 0.652 Y1/a =0.652/ 0.15=4.34a / Y1 = 0.23,C c = 0.620

Cd =0.580 (el menor)Seccin: 2Y2= a x C c = 0.09 --- 0.10

A2 = b 2 x Y 2 = 0. 50 x 0.10 = 0.05V2= Q / A = 0.09 / 0.05 = 1.80F 2 = V2 / g Y2 = 1.817

E2 = 22.878Seccin 3F2 = 1.8170 Y3 / Y2 = 2.25 MonogramaY3 = 0.23b 3= 0.50

A3= 0.12V3 =0.75F3 = 0.499H3= 0.259


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Balance de Energia entre ( S ) y( II):Bernoulli:

Hs = H II + Pc (Transicion de salida )Pc = Hs H II = 0.38 - 0.307=0.073

Longitud de Transicin: ( Lt)Segn BUREAU BRECLAMATION :

< / 2 = 12 30 Cuando la perdida son insignificantes /2) = ( 1.10 0.50)/( 2 Tg 25) = 0.65L T=0.65

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