ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUAS EN LADERAS DE MEDIA A FUERTE PENDIENTE

ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUAS EN LADERAS DE MEDIA A FUERTE PENDIENTE CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) Y CANAL DE RPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC) ReferenciaLa teora y fotografas sobre el diseo de canales provienen del libro Estructuras de vertimiento de aguas en laderas de media a fuerte pendiente. Canal de Pantallas Deflectora (CPD) Canal de Rpidas con Tapa y columpio (CRTC) del ingeniero FERNANDO MEJA FERNNDEZ

Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales

PresentacinEs un elemento bsico de gran utilidad para el diseo de dos estructuras de vertimiento de aguas de escorrenta en laderas de media a fuerte pendiente (asociadas frecuentemente con obras de estabilidad de laderas y control de erosin)Adems de mostrar las estructuras tradicionales, se incorporan nuevos elementos al diseo, (2001 2003) mediante la modelacin hidrulica y el anlisis de las patologas encontradas en las estructuras existentes Presentacin

Justificacin

AntecedentesEn el ao de 1978, el Ingeniero Jorge Ramrez Giraldo (fallecido), dise el denominado CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) sobre modelos fsicos hidrulicos hechos en Manizales en un Laboratorio de hidrulica improvisado en las instalaciones de la Industria Licorera de Caldas. maneja pendientes entre el 10% y el 50%.

En 1980, la fase 2 se desarroll el CANAL DE RPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC), obtenido como una alternativa para el diseo de estructuras de vertimiento de aguas en laderas de pendientes medias a fuertes, pendientes 50% y el 173%.

AntecedentesLa fase 3 (optimizacin del diseo del CRTC), fue llevada a cabo entre 2001 y 2002 que consisiti en el diseo y construccin de tres (3) nuevos modelos hidrulicos del Canal de Rpidas con Tapa y Columpio

Se cont con un banco de ensayos de modelos de desarrollo vertical cercano a 10 metros y el uso de caudales mayores a 50 l/s, lo que se reflej en modelos con escalas casi el triple de las usadas en las fases anteriores

Antecedentes

Control de la erosin hdricaMediante el diseo y construccin de obras de ingeniera y bioingeniera con criterios de sostenibilidad ambiental que recojan, conduzcan y depositen de manera controlada el agua que escurre por las laderas de las montaas, y que protejan a su vez otras obras de infraestructura ya construidas, ordenen cauces fluviales y mantengan las condiciones de vida silvestre en pequeas reas. Control de la erosin hdricaEstas obras se basan en la disminucin de la energa del agua y los sedimentos transportados por ella (suelo y roca generalmente) mediante el uso de estructuras de disipacin o disipadores de energa Se ubican en forma normal a la direccin del flujo y se complementan con estructuras de captacin, vegetacin y manejo de aguas de escorrenta sobre las laderas. Estas estructuras colectan y entregan el agua a los cauces de manera disipada. Disipadores de energaSon elementos cuyo objetivo es transformar la energa cintica o parte de ella en calor. Estos elementos son empleados para generar friccin entre el agua y la superficie del canal, saltos hidrulicos e impactos o golpes del agua contra el fondo del canal, permitiendo as disminuir al mximo la socavacin del cauce receptor aguas abajo o el dao de la estructura misma. Disipadores de energa

ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUAS Rpidas lisasRpidas escalonadasCombinacin de rpidas lisas y escalonadasCanal con pantallas deflectorasCanal rpidas con tapa y columpioRpidas lisasSon canales de fondo liso con pendientes adecuadas a las condiciones topogrficas del terreno y al caudal que se desea evacuar. El agua escurre a velocidad apreciable, llegando al pie de la ladera o talud con gran cantidad de energa cinticaEl diseo est en funcin del caudal de diseo por evacuar, de la geometra del canal, de la pendiente del terreno y del material a utilizar. El canal diseado debe ser capaz de resistir las velocidades que se desarrollen en l y de conducir el agua sin rebosarse para el periodo de retorno seleccionado. Rpidas lisasSe construye en concreto reforzado, por resistencia a altas velocidades de flujo, por ejemplo, entre 10 y 20 m/s, Adems, por los caudales que se manejan en estos canales, muy difcilmente se alcanzan velocidades que superen las indicadas atrs

Rpidas escalonadasSon canales con gradas o escalones donde, a la vez que se conduce el agua, se va disipando la energa cintica del flujo por impacto con los escalonesNo se hace necesaria alguna estructura adicional, o, dado el caso, una estructura pequea. Rpidas escalonadas

Rpidas escalonadasEstimar el caudal de diseo. Evaluar la geometra del canal (pendiente, altura y ancho). Seleccionar la altura ptima del escaln, para obtener el rgimen de flujo seleccionado. Calcular las caractersticas hidrulicas del flujo. Calcular el contenido de aire disuelto aguas abajo de la estructura. En los regmenes de flujo saltante se debe airear el salto en su cada libre de un escaln a otro. Disear la cresta de la rpidaCalcular la altura de las paredes del canal considerando un borde libre para recoger las posibles salpicaduras o aumentos de caudal no previstos.

Rpidas escalonadasPara mayar disipacin de energa se pueden aumentar bloques de cemento o salientes en la grada, rpidas escalonadas con tapas o rpidas escalonadas con vertedero y pantalla (forman resalto hidrulico y atenan el golpe del agua). Combinacin de rpidas lisas y escalonadasSon estructuras conformadas por canales de rpidas lisas que incluyen en su desarrollo longitudinal un escaln u otro elemento disipador de la energa cintica del flujo, prescindiendo en la mayora de los casos del empleo de estructuras disipadoras en el pie de la estructura.Estas estructuras requieren de un diseo especial debido a que disipan la energa del flujo a lo largo del canal y no al pie de sta. Canal de Pantallas Deflectoras (CPD).Es un canal de seccin rectangular y fondo liso que incluye pantallas deflectoras alternas colocadas a 45 con el eje del canal, las cuales cumplen el papel de elementos disipadores de energa, y pestaas longitudinales sobre los bordes de ambas paredes del canal que impiden que la estructura reboseCanal de Pantallas Deflectoras (CPD).

Canal de Pantallas Deflectoras (CPD).El CPD es aplicable al caso de conducciones a lo largo de pendientes pronunciadas (entre el 10% y el 50%).Tiene la propiedad de conservar constante su capacidad al variar la pendiente dentro de un amplio rango, por lo que es adaptable a las sinuosidades de los perfiles sin necesidad de variar la seccin y sin exigir excavaciones excesivas para su construccin. Canal de Pantallas Deflectoras (CPD).Capacidad prcticamente constante para el rango de pendientes entre 10% y 50%. Adaptabilidad a las sinuosidades de los perfiles, sin necesidad de variar la seccin. Economa notable en la excavacin, como consecuencia de la caracterstica anterior. Baja velocidad en relacin con la del canal sin pantallas, y dentro de los lmites tolerables para el concreto. Disipacin de energa dentro del canal, sin requerir estructuras disipadoras especiales a la entrada o a la salida. Auto limpieza, ya que no hay zonas de estancamiento en donde pueda presentarse sedimentacin. Facilidad y sencillez en la formaletera.

Canal de Rpidas con Tapa y Columpio (CRTC) Se usa en caso de conducciones con pendientes altas o muy altas (entre el 50% y el 173%) conformado por una serie de rpidas lisas de seccin rectangular, que se interrumpen en las terrazas de un talud tratado o cada cierto tramo, En la transicin de una rpida a otra se tiene un columpio que deflecta el chorro y lo proyecta contra una tapa existente en el inicio de la siguiente rpida aguas abajo. El sistema columpio tapa es complementado con un deflector que obliga al flujo a volver al canal. Canal de Rpidas con Tapa y Columpio (CRTC) Es complementario con el Canal de Pantallas Deflectoras. El diseo especial del columpio en el escaln evita la presencia de obstculos en el flujo. Proporciona una gran capacidad de descarga, a pesar de la fuerte pendiente. Capacidad prcticamente constante para el rango de pendientes entre el 50% y el 173%. Puede adaptarse fcilmente al perfil del talud o drenaje haciendo que los escalones del canal coincidan con las zanjas o cunetas construidas a lo largo del talud. Permite altos niveles de disipacin de energa. Previene la sedimentacin y la obstruccin con basuras. Admite colectores laterales en el escaln. Las tapas sirven de puente en las terrazas. Es de fcil mantenimiento. Ofrece economa y facilidad en la construccin (con el uso de formaletas tipo y pocas excavaciones). Canal de Rpidas con Tapa y Columpio (CRTC)

Canal de Rpidas con Tapa y Columpio (CRTC)

Canal de Rpidas con Tapa y Columpio (CRTC)

NORMAS DE DISEO DEL CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) Y DEL CANAL DE RPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC) CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) Alternativa 1: Parmetros de diseoLa seccin debe disearse para el tramo de mayor pendiente que presente el perfil longitudinal del canal, y esa misma servir para pendientes menores. La velocidad de entrada al canal no debe ser mayor que la que tendra dentro de l en una pendiente del 50%. Si no se cumple esta condicin, se puede lograr la disipacin dentro del mismo canal aumentando la altura y/o la pestaa en el tramo inicial. Se recomienda estudiar este caso con un modelo hidrulico para las condiciones particulares. CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) Deben calcularse curvas horizontales y verticales evitando as quiebres pronunciados en su trayecto que podran producir desborde y erosin en la estructura. En el caso de que se requieran curvas horizontales con mayor curvatura que la calculada, basta con aumentar convenientemente la pestaa del lado exterior. La entrega de tributarios al canal, como tuberas, cunetas, etc., debe efectuarse en el punto medio entre dos pantallas consecutivas del mismo lado y a altura mayor que la de las pantallas, sin interrumpir la pestaa superior del canal. CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) Se deben colocar drenajes paralelos para evitar las subpresiones. Las pantallas pueden prefabricarse, mientras sea prctico, y pueden dejarse cortas con el objeto de permitir un espacio entre ellas y las paredes del canal, para simplificar la formaleta lateral. El espacio se rellenar posteriormente con concreto. El diseo es aplicable tambin a alcantarillas de cajn, aumentando convenientemente la altura para permitir aireacin

Forma de clculo1. Obtener el valor de b (ancho del canal) en funcin del caudal de diseo del CPD y en funcin de la pendiente media del CPD a disear, a partir de las siguientes relaciones:

Forma de clculo2. Obtener el valor de V, velocidad promedio del agua en el CPD, en funcin de su pendiente y el caudal de diseo, a partir de las siguientes relaciones:

CANAL DE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) Alternativa 2: Diseo optimizado del CPD

Los criterios de diseo que se utilizaran para esta alternativa 2 seran los mismos de la alternativa 1.

Forma de clculoObtener el valor de a (ancho del canal), en funcin de su pendiente media y el caudal de diseo, a partir de la siguiente relacin nica, obtenida de promediar aritmticamente los coeficientes de las que se tienen para pendientes del 10% y del 50%, debido a la muy poca diferencia que se obtuvo entre ellas:

Forma de clculoObtener el valor de V, velocidad promedio del agua en el CPD, en funcin de su pendiente media y el caudal de diseo, a partir de las siguientes relaciones:

DISEO DE UN CANAL DE RPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC) La seccin debe disearse para el tramo de mayor pendiente que presente el perfil longitudinal del canal. La superficie del fondo y paredes debe ser lisa (p.e. concreto pulido) facilitando el mantenimiento. La velocidad de entrada al canal no debe ser mayor que la que tendra dentro de la primera rpida. Se deben colocar filtros paralelos para evitar empujes por subpresin, cuyo tipo y cantidad se definen para cada caso segn las caractersticas del suelo.

DISEO DE UN CANAL DE RPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC) Si el canal se desarrolla a lo largo de un talud estabilizado con terrazas, se hacen coincidir los columpios con esas terrazas. Se deben conectar los colectores laterales (zanjas colectoras interiores en las terrazas) en la parte alta interior de los escalones. Las condiciones de entrega en el extremo inferior del canal pueden ser la de un ltimo columpio, o la de una pequea estructura de disipacin que remata en aletas y enrocado. En el extremo de cada columpio, antes del inicio de la siguiente rpida, puede construirse una ranura hasta la profundidad del fondo del columpio, que evite que el agua se estanque en l.

DISEO DE UN CANAL DE RPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC)

Forma de clculoObtener el valor de a (ancho del canal, a partir del cual se define el resto de las dimensiones del mismo, en funcin del caudal de diseo del CRTC y en funcin de la pendiente media del CRTC a disear, a partir de la siguiente relacin nica:

Donde, a ancho del CRTC, en m; Q, caudal de diseo del CRTC, en m3/s

Forma de clculoObtener el valor de Vrap, velocidad mxima en cualquier rpida del CRTC (antes de entrar al columpio), a partir de las siguientes relaciones:

Donde, Vrap, Velocidad mxima en la rpida (antes de entrar al columpio) del CRTC, en m/s Q, Caudal de diseo del CRTC, en m3/s Una vez calculada la velocidad, se compara con las velocidades mximas permisibles en canales revestidos que aparecen en la Tabla 1, con el fin de no rebasarlas.

Forma de clculoTabla 1. Velocidades mximas permisibles en rpidas lisas.

MATERIALVELOCIDAD MXIMA (m/s)Ladrillo comn3Ladrillo vitrificado5Arcilla vitrificada (gres)4Concreto 175 kg/cm2 (17,2 MPa)6Concreto 210 kg/cm2 (20,6MPa)10Concreto 280 kg/cm2 (27,5 MPa)15Concreto 350 kg/cm2 (34,3 MPa)20DISEO DE UN CPD QUE ENTREGA A UN CRTC.Como el caudal de diseo de ambas estructuras es el mismo se recomienda en este caso se recomienda optar por la alternativa 2 para CDP

La nica recomendacin especial para este caso es que el CPD entregue al primer columpio del CRTC.

Forma de clculoEn este caso el caudal de diseo que gobierna es el del CRTC, y el sistema , por lo tanto se disea con parmetros de CRTCEn zona de transicin de un CRTC a un CPD, debe tenerse un columpio con su respectiva tapa horizontal. A partir del extremo de ambos (columpio y horizontal) se tendra el diseo geomtrico de la transicin as: Del extremo del columpio se desarrollara el fondo del CPD con un ancho igual al del CRTC, pero con la pendiente exigida por la topografa. Del extremo de la tapa horizontal se desarrollara la tapa de la transicin, de dimensin 2a , con el mismo ancho del CPD y rematando en un deflector de longitud 0,7a

Forma de clculoSimultneamente se suprimen las dos primeras pantallas deflectoras del CPD con el fin de evitar salpicaduras excesivas en su tramo inicial Se debe adoptar el elemento denominado Tapa CPD que se ubica para eliminar salpicaduras por la turbulencia generada entre las pantallas deflectoras.Esta tapa podra tener las mismas caractersticas estructurales que las del CRTC.Funcionamiento del CPD con la transicin, sin las dosprimeras pantallas y sin la Tapa CPD.

Canal de Pantallas Deflectoras con la transicin, optimizado (sin las dos primeras pantallas y con la Tapa CPD)