Caídas entubadas

Una caída entubada conduce agua desde un punto de mayor elevación hasta otro de menor elevación. Esta caída en elevación puede ser cualquier valor entre 90 cm y 4,5 m. Una caída en tubo no sólo conduce agua sino que además debe disipar el exceso de energía y aquietar el agua luego de que esta a llegado al punto de menor elevación.

Las caídas en tubo son fácilmente diseñadas, construidas y operadas. Las entradas pueden ser fácilmente adaptadas ya sea a un canal natural, un canal de tierra o revestido y las salidas pueden ser fácilmente adaptadas a un canal de tierra o revestido o a un canal natural donde no hay control de las superficies del agua aguas abajo. Las entradas pueden ser realizadas para incorporar una muesca de control, una inspección (check) o un vertedero. Si hay una entrada con control o chequeos debería haber muros laterales de desborde para flujo de emergencia.

Una caída en tubo puede ser fácilmente llevada bajo otra conducción de agua o camino. Las caídas en tubo son económicas, especialmente para caudales pequeños. Requieren muy poco mantenimiento si son construídos con un caño durable teniendo buenas uniones con aros de goma y estando provistas de quiebres realizados adecuadamente. Es importante proveer en las salidas que descargan a conducciones sin revestimiento una protección adecuada con grava o rip-rap.

Existen dos tipos comunes de caídas en conductos cerrados, estas son las caídas tipo 1 y las caídas tipo 2. En el caso que exista posibilidad de que la cañería se obstruya con sedimentos y que la caída se atasque con maleza y detritos, no deberían ser utilizadas caídas en tubo tipo 1; para prevenir esto, la caída puede tener una reja en la entrada, o el conducto tomar una dimensión suficiente para descargar este material si este llegara a introducirse en la caída en tubo. Generalmente este tipo de obstrucción no es un problema para la estructura tipo 2 debido a que su perfil se presta fácilmente a la autolimpieza.

• Caída en tubo tipo 1: este tipo de caída se esquematiza en las figuras 14, 15,

16, y 17. Es una caída práctica y económica y es usada como una estructura interna de canal cuando la posibilidad de obstrucción es baja.

5D min. *4d2 (1,8m min) 4d2 (1,8m min) F d 1+h v 1

* Caidas con transición de tierra.

El. B El. A El. C El. F EG El. G El. H NSA El. E teórica

El. D teórica Transición de hormigón

d 2 hvp EG NSA Q D D 2 y 2 V2 d 1 y 1 V1 Q Pr og. A Pr og . H

Figura 14. Determinación de la elevación en una caída entubada tipo 1 (tomada de USBR, 1978). Transición de tierra Long. estr. L2 L3 L4 Transición de tierra Elevación de la línea de energía Lx h 2 El. A _{El. B} El. C NSA h 3 El. D El. E S=0 Sumergencia El. F El. H hv d F Elevación de la línea de energía NSA d _R Chequeo o control y entrada a la cañería

Superficie original del terreno

h 4 Protección Pr o g . A Pr o g. H

Figura 15. Caída entubada tipo 1, con transición de tierra a la salida (tomada de USBR, 1978). Transición de tierra Transición de tierra Long. estr. L2 L3 L4 Long. estr. Elevación de la línea de energía Lx h 2 El. A _{El. B} El. C NSA h 3 El. D El. E S=0 Sumergencia El. F El. G hv d F Elevación de la línea de energía NSA d _R Chequeo o control y entrada a la cañería

Superficie original del terreno

h 4 Transición de hormigón Pr og . A P rog. H El. H

Figura 16. Caída entubada tipo 1, con transición de hormigón a la salida (tomada de USBR, 1978).

PLANTA Protección D 1 2 1 :1 1_{1 :1}2 Pasarela Guía para compuerta D Chequeo y entrada a la cañería Transición de hormigón a la salida PERFIL

Superficie original del terreno

Pr o g. D Pr o g. E Pr o g. F Pr o g. G Pr o g. H 3m transición NSA El. H El. G El. F El. E El. D El. C El. B El. A _R S=-.005 S=-.500 _{o menor} 1 :1 1 2 3m trans. Pr o g. A Pr o g. B Pr o g. C NSA Protección 1 :1 1 2

Deben asegurarse las condiciones requeridas para que se genere en el interior de la cañería un resalto hidráulico para disipar el exceso de energía.

Este tipo de caída debería tener una entrada con control o una entrada con chequeo, pero puede solo tener una transición de salida de tierra sólo si la velocidad en el conducto cuando este está lleno no es mayor de 1 m/s. Si esta caída tiene una transición de salida de hormigón reforzado dichas velocidades pueden alcanzar 1,5 m/s.

Los principales elementos hidráulicos en una caída entubada de Tipo 1 son: la transición aguas arriba, la estructura de entrada, el diseño de la tubería y la transición de salida.

!" Transición aguas arriba: puede ser de tierra u hormigón. Con un control en la entrada no hay cambio en el nivel de la solera desde el flujo normal a la estructura y la longitud tanto de una transición revestida de tierra como de hormigón es de 3 metros. Con un estructura de regulación en la entrada la transición provee un cambio gradual de la elevación de la solera desde el flujo normal hasta la entrada a dicha estructura. En la transición la pendiente de la solera no debe ser mayor de 4:1 y la longitud de esta transición es también de 3 metros. Se puede requerir una protección contra la erosión en el caso de una transición de tierra.

!" Estructura de entrada: la estructura de entrada para una caída Tipo 1 puede ser cualquiera de las que se describen a continuación:

1) Control y entrada a la tubería: cuando un regulador de entrada no es necesario, la entrada se debe diseñar para proveer una muesca de control la cual prevendrá aumentos de velocidad aguas arriba y erosión en canales de tierra. La entrada debe ser diseñada de manera tal que la máxima capacidad pueda ser descargada dentro de la caída entubada con un tirante normal en el canal. Un adecuado diseño de la muesca de control causará que el agua del canal aguas arriba sea o este cerca del tirante normal para rangos de descarga desde el flujo de diseño hasta el 20% de éste. La entrada debe estar a una distancia adecuada de curvas horizontales que se encuentren aguas arriba para limitar la acción de olas que provocan flujo asimétrico. 2) Regulador y entrada a la tubería: esta estructura es usada con frecuencia en

los saltos con tubería. Ajustando la compuerta o parada de palos el regulador sirve para controlar los aumentos de velocidad aguas arriba de la transición en adición a la función normal de elevar el nivel de aguas arriba para permitir la desviación del agua en tomas de aguas arriba durante periodos de descarga parcial. También puede servir como un punto de corte a condición de que haya un canal de descarga o aliviadero u otra estructura que tome el flujo que de otra manera continuaría para aguas abajo del canal. Esto es deseable cuando la descarga aguas abajo del salto no es requerida o cundo se requiere mantenimiento aguas abajo por razones tales como una falla en el terraplén del canal.

!" Diseño de la tubería: el conducto puede ser de hormigón armado premoldeado o de asbesto cemento para tubería a presión.

El diseño hidráulico de este tipo de caída incluye la selección del diámetro de la tubería para dar una capacidad que resultará en:

1) Una velocidad de 1 m/s o menor para una tubería con transición de tierra en uno o ambos extremos.

2) Una velocidad de 1,5 m/s o menor para una tubería con transición de hormigón en ambos extremos.

Si la caída tiene un control o regulador a la entrada la solera al comienzo de la tubería debe ser lo suficientemente baja para que el control hidráulico este en el comienzo de la estructura de entrada en lugar de estar en el comienzo de la tubería.

La porción inclinada de la tubería debe tener como máximo una pendiente del 50%.

Se debe proveer una sección baja en la tubería cerca de la salida para disipar el exceso de energía producido por las velocidades supercríticas en el perfil inclinado de la tubería. La profundidad a la que el fondo de la tubería debe ser llevada debajo del nivel de la superficie del agua del canal aguas abajo debe ser determinada por medio de la ecuación de cantidad de movimiento para un resalto hidráulico.

La sección de tubería por debajo de la caída propiamente dicha, es determinada con la elevación del extremo de aguas arriba y con una pendiente mínima de 0,5% hacia el extremo de aguas abajo. La longitud de esta sección debe ser para una caída con transición de tierra a la salida como mínimo de 4·d2 (1,8

metros como mínimo) y para una caída con transición de hormigón debe ser de 5 veces el diámetro del conducto y también tener la longitud mínima de 4·d2 entre la

parte inclinada de aguas arriba y la transición, pero parte de esta distancia puede ser tubería inclinada como se muestra en la figura 14.

El cuanto a la cobertura de la tubería se deben cumplir los siguientes requisitos (U. S. Bureau of Reclamation, 1978):

1) En toda vía férrea y cruce de ruta menos caminos rurales la tapada debe ser como mínimo de 90 cm.

2) En caminos rurales se requiere una tapada de 60 cm. de cobertura de tierra y son frecuentemente levantadas con una inclinación del 10% cuando es necesario proveer una tapada mínima.

3) Si la cuneta de la calzada existe y se extiende sobre la tubería, la tapada mínima sobre la cuneta del punto más alto de la tubería es de 60 cm.

!" Transición de salida: puede reducir la erosión en canales de tierra y puede proveer flujo suave haciendo menos bruscos los cambios de velocidad. Son usadas con ese propósito las transiciones de hormigón y combinaciones de hormigón y tierra. En aquellos saltos que cruzan debajo de rutas o autopistas y en todos los saltos con diámetros de tubería de 90 cm. o más o en toda tubería con velocidad entre 1 m/s a 1,50 m/s son requeridas transiciones de hormigón en canales de tierra. Es usualmente usada en este tipo de caída la transición tipo 1, la cual se describe más adelante.

• Caída en tubo tipo 2: este tipo de caída se puede observar en la figura 18. Es

una caída practica y económica y es usada como estructura interna del canal o como estructura de escurrimiento.

Si el agua lleva sedimentos y detritos, generalmente se la utiliza con preferencia a la de tipo 1.

Con este tipo de caída la disipación del exceso de energía debe ser llevada a cabo a la salida por medio de una pantalla o un cuenco disipador. De todas maneras, si hay alguna posibilidad de tener maleza en el agua, debería usarse

un cuenco disipador por la posibilidad que estas hiervas atasquen las salidas con pantallas.

3D mín.

D

Superficie original del terreno

1½:1 S=-0,005 NSA 1½:1 dNSA S=-0.5_{00 o} men or Protección 0,90 m mín.

NSA: Nivel de superficie de agua.

Figura 18. Perfil longitudinal de una caída entubada tipo 2 (tomada de USBR, 1978).

La caída en tubo tipo 2 debería tener una entrada con chequeo o una entrada con control si es una estructura interna del canal. Si en cambio es una estructura de drenaje puede tener una transición de entrada de hormigón reforzado.

Los elementos hidráulicos principales de la caída tipo 2 son la transición aguas arriba, la estructura de entrada, la tubería y la estructura de salida. Es similar a la caída anterior excepto porque a la entrada de la tubería se debe usar una transición tipo 1, 2, 3 ó 4 de hormigón reforzado si la caída es una estructura de desagüe y siempre se debe usar un disipador de pantalla o un cuenco amortiguador en el extremo de salida.

Cuando el cuenco descarga en un canal sin control, se debe utilizar un control como un vertedero en la estructura de salida. El tirante crítico sobre el vertedero se debe utiliza para determinar el gradiente de energía aguas abajo. Estos controles son especialmente utilizados para conductos de evacuación descargando en canales naturales

Los tipos más usuales de transición de salida en el caso de utilizar como estructura de disipación de energía cuencos, son el tipo de espaldón quebrado y muros verticales divergentes rectos o curvos, los cuales se extienden hasta los terraplenes de cada lado del canal. Una parte de la transición puede ser hecha en tierra previendo que la velocidad en el final de la parte de hormigón no sea tan grande como para erosionar.

El muro pantalla del final de la transición debe tener para tirantes entre 0 y 0,90 m una profundidad mínima de 45 cm y un espesor de 15 cm, y para tirantes que varían entre 0,90 m y 1,80 m la profundidad mínima y el espesor deben ser de 0,75 m y 0,20 m respectivamente.

Cuando se utiliza una transición de tierra debe tener una longitud mínima de 3 m.