Caídas rectangulares inclinadas

Una caída rectangular inclinada es una estructura de forma rectangular y de ancho constante que lleva agua de un lugar alto a uno de menor elevación. La altura de la caída puede estar comprendida entre 90 cm y 4,5 m. Estas caídas no sólo conducen agua, sino también aquietan el agua una vez que llega a la parte inferior de la estructura, disipando el exceso de energía. La estructura de ingreso debe servir de control para regular el tirante aguas arriba de la caída.

Las caídas rectangulares inclinadas son de fácil diseño, construcción y operación. Las entradas y salidas pueden ser fácilmente adaptadas a canales de tierra o con recubrimiento. Las entradas pueden ser hechas para incluir una estructura de control, inspección (check), o un vertedero. Si se utiliza una estructura de control a la entrada se pueden incluir revanchas para casos de emergencias. Es importante proveer una adecuada protección con grava o roca en la salida de los canales recubiertos. Este tipo de caídas debe tener una adecuado lecho percolador y una suficiente resistencia al deslizamiento. Las estructuras de caídas rectangulares inclinadas estándar que se detallan en las figuras 12 y 13 están diseñadas para proveer esta estabilidad; de todas formas, si se encuentran condiciones inusuales de fundación, se deben controlar la percolación y la resistencia deslizamiento, y se debe obtener una estabilidad adicional por medio del incremento de la longitud Lf (U. S. Bureau of Reclamation, 1978).

tw 12 ,5 cm b 12 ,5 cm muro de sobreflujo 3m trans. de tierra L 3m trans. de tierra tw d d b 60cm 1,5(Hp-15cm) br 1,5(Hp-15cm) 60cm El. A NSA Lo Lf 15cm min. tw e min Ha Hf 45cm muro de sobreflujo El. B El. B Hs 2:1 Ls

Superficie original del terreno

El. C Lb Hp Lp Ly e min. tw El. C NSA Protección El. D PLANTA PERFIL LONGITUDINAL

1,5(Hp-15cm)

br

1,5(Hp-15cm) 3m trans.

de tierra L 3m trans.de tierra

muro de sobreflujo Guía para compuerta Lo Lf Ls Lb Lp Ly Hp t' 15 cm Hs 45 cm Ho El. A El. B NSA El. B Hf

El. C El. C El. D

NSA 2:1 PERFIL LONGITUDINAL PLANTA b b 1½ :1

Superficie original del terreno muro de

sobreflujo

1½

:1

Figura 13. Caída rectangular inclinada tipo 2 (tomada de USBR, 1978).

Los principales elementos hidráulicos de una caída rectangular inclinada son, la transición de aguas arriba, la entrada, el canal inclinado, el cuenco disipador, la salida y la transición de aguas abajo.

!" Transición de aguas arriba: La transición de aguas arriba produce un cambio gradual en la velocidad desde el canal a la estructura. Cuando se usa un control de entrada no hay un cambio en la elevación del fondo del canal y la transición de entrada usualmente debe proveer un decrecimiento gradual de la elevación de solera desde el canal a la abertura de la estructura. La pendiente de fondo de un control de entrada no debe ser mayor que 4:1. Una transición de tierra puede requerir una protección contra la erosión.

!" Entrada: la entrada a una caída rectangular inclinada puede ser alguna de las que se describe a continuación:

1) Sección de control por tirante critico (control): en un canal de tierra que no requiere una estructura de control, la entrada a la caída debe ser diseñada para proveer una sección de control, la cual prevendrá la aceleración de la corriente aguas arriba y la erosión del canal. La entrada debe ser diseñada entonces para la máxima capacidad de descarga de la caída con tirante normal en el canal. La entrada debe ser simétrica con respecto al eje, y siempre que sea posible, a una distancia suficiente de una curva horizontal aguas arriba tal que limite la acción indeseable de las ondas debido al flujo asimétrico. El control de tirante critico trapezoidal debe guardar una proporción entre el ancho de fondo y la pendiente del talud para una variación del flujo de diseño a uno del 20% del caudal de diseño. Para cualquier flujo dentro de este rango la muesca hace que el tirante del canal

aguas arriba sea o esté muy cerca del tirante normal. Esto también puede ser regulado para controlar sólo una descarga específica. Generalmente la muesca está diseñada para una descarga variable. El borde de la muesca debe estar a la misma elevación o levemente por encima de la superficie normal aguas arriba del canal. El fondo de la muesca debe estar a la misma elevación que el fondo del canal. El tirante de la muesca debe ser igual o a lo sumo levemente mayor que el tirante normal del canal. Una muesca de control que requiere un poco más de energía que la requerida para las condiciones de flujo normal en el canal, causará una leve elevación en el nivel de la superficie del agua en el canal, pero no se lo considera de importancia. Para las condiciones críticas en el flujo del canal en o cerca del flujo de diseño, la elevación del nivel superficial es minimizado en parte porque el flujo puede ser capaz de superar las paredes laterales. Las paredes laterales, cuyo borde tienen la misma elevación que el borde de la muesca, además proveen para sobreflujos de emergencia en la estructura de entrada si hubiera una obstrucción en la muesca o si el flujo en el canal es mayor que el flujo de diseño. Las paredes laterales de sobrefujo, (figuras 12 y 13) son lo suficientemente largas como para permitir que el flujo de diseño vaya encima de las paredes laterales con la muesca completamente bloqueada. El fondo de la estructura de entrada (El. B, figuras 12 y 13) se sitúa lo suficientemente bajo como para que el flujo al principio de la inclinación no afecte al flujo que atraviesa la muesca de control. Expresado de otra manera, la elevación B se sitúa lo suficientemente baja como para prevenir que el flujo en la sección inclinada controle el nivel del agua en el canal. La estructura de entrada además tiene muros de ala y obturadores con el fin de contener el terraplén del canal y para reducir la filtración en el mismo.

2) Inspección (check): Las estructuras de inspección están habitualmente combinadas con la entrada de las caídas. Las inspecciones en estos casos son utilizadas como un control para prevenir la aceleración de la corriente de agua aguas arriba de la entrada, además de la función usual de levantar el nivel del agua para permitir la desviación a través de ella aguas arriba durante los períodos de flujo parcial en el canal. Las inspecciones deben además ser usadas para interrumpir el flujo del canal si existe algún desperfecto tal como una pérdida aguas arriba para permitir que el flujo del canal se derive hacia otra parte. Esta interrupción en la entrada puede proveer un aislamiento de la extensión del canal en caso de falla de almacenamiento o para propósitos de mantenimiento. El área de la apertura de la entrada debe estar proporcionada para limitar la velocidad del flujo de diseño aproximadamente a 1 m/s. Esta velocidad es considerada como la máxima deseable para un fácil manejo de la barrera de tablas. El ancho es usualmente el mismo que el determinado como ancho requerido para el cuenco disipador. Si el ancho de entrada es más grande que 1,8 m y se usan barreras, puede ser incorporada un pila central con guías adheridas para las tablas y de esta forma se pueden usar barreras más cortas. Las barreras de más de 1,8 m de largo son difíciles de manejar. Sin un pilar central, la apertura tiene dos marcos de guía de compuerta para la instalación de una compuerta o para ser usada como guía de tablas. La elevación de la apertura de entrada puede ser la misma o más baja que la del fondo del

canal, pero nunca mayor. Las compuertas de deslizamiento pueden ser operadas automáticamente. Las medidas de la compuerta deben ser tales que la elevación de la parte superior de la compuerta, cuando estas están cerradas, sea aproximadamente la misma elevación del borde de las paredes laterales para el sobreflujo. Si estas medidas de compuerta no están disponibles y se usa la próxima más grande disponible en altura, la compuerta más alta puede causar que la revancha del canal sea menor que 15 cm cuando la compuerta esta cerrada y todo el flujo normal es derramado por encima de las paredes laterales y la compuerta. Si esta revancha es mucho menor que 15 cm, el largo de las paredes laterales deben ser incrementadas hasta que la revancha sea de aproximadamente de 15 cm para esta condición de sobreflujo. Las barreras de tablas pueden ser usadas en guías verticales para tirantes de 1,5 m o menores. Para tirantes más grandes las guías pueden ser ubicadas en una pendiente de ¼:1 para facilitar su manejo. Las paredes laterales, con sus bordes ubicados al mismo nivel que el nivel superficial del agua en el canal, son provistas para sobreflujos de emergencia dentro de la estructura si la compuerta o la barrera no están apropiadamente ubicadas para un flujo particular en el canal, si la entrada del canal se obstruye, o si la entrada se cierra. El piso de la estructura de entrada (El. B) esta ubicado a una distancia Ho por debajo del nivel de la superficie normal del agua en el canal. Los 45 cm de espacio entre el borde de las paredes laterales y el piso de la pasarela (figuras 12 y 13, tomadas de U. S. Bureau of Reclamation, 1978) provee un espacio para el paso de desechos flotantes que de otra manera podrían obstruir el flujo de agua.

3) Vertedero: algunas veces es necesario poner a la entrada de una caída rectangular inclinada un vertedero de medición. Para un canal revestido, generalmente la revancha mínima en la entrada debe ser la misma que para el resto del canal con recubrimiento. Para canales sin recubrimiento con capacidades mayores que 2,7 m³/s, la mínima revancha debería ser de 15 cm para tirantes de agua de 37,5 cm, 22,5 cm para tirantes de 38 cm a 60 cm, 30 cm para tirantes de 61 cm a 1,50 m, 37,5 cm para tirantes de 1,51 m a 2,10 m, y de 45 cm para tirantes de 2,11 m a 2,7 m.

!" Canales rectangulares inclinados: el canal es de sección rectangular, y esto es usualmente práctico para hacer el mismo ancho de base que el requerido por la pileta o por la sección de entrada. La altura vertical de las paredes deben ser determinadas computando el tirante en la sección con velocidad teórica y agregando una revancha de 30 cm para flujos por arriba de 2,7 m³/s. La parte inclinada puede tener una pendiente de 1½:1 pero es usual 2:1. Las caídas rectangulares inclinadas con flujos de más de 2,7 m³/s no requieren trayectorias curvadas, por lo tanto la inclinación interceptara el nivel de fondo en la entrada, y también el nivel de fondo de la pileta.

!" Cuenco disipador: los cuencos disipadores para saltos hidráulicos están

ubicados en la parte más baja del final de las caídas rectangulares inclinadas para obtener las pérdidas de energía requeridas entre la parte mas baja del canal inclinado y la pileta aguas abajo. La transición de salida, aguas abajo del cuenco disipador, reduce la velocidad y la turbulencia del agua, minimizando la erosión en

el canal aguas abajo. Los distintos tipos de disipadores de energía se ven en la sección correspondiente.

!" Salida: la salida de una caída rectangular inclinada conecta el cuenco

disipador con un canal de tierra, un canal recubierto de hormigón, o un canal natural y previene o disminuye la erosión aguas abajo. Algunos de los tipos de salida más utilizados son: las transiciones de espaldón quebrado, muros divergentes verticales curvos o rectos, y un canal rectangular recto con paredes verticales cuya altura disminuye desde la altura de las paredes del cuenco hasta la altura del canal aguas abajo. Una porción de la transición debe ser hecha de tierra procurando que la velocidad en el final no sea demasiado grande para el suelo. En la sección de transición con la tierra se usa piedra bola o grava como protección.