Principios de diseño para el acueducto y el acueducto de sifón
Lea este artículo para aprender sobre los principios de diseño para el acueducto y el acueducto de sifón.
Principios de diseño para el acueducto:
(i) Estimación de la descarga (máxima) por inundación de diseño de un drenaje:
El drenaje a atravesar puede ser pequeño o como un río. En todos los casos, se debe obtener de antemano la evaluación correcta de la inundación máxima o del flujo máximo de un drenaje.
(ii) Requisito de vía fluvial para un drenaje:
La ecuación de perímetro del régimen de Lacey proporciona una buena base para calcular la vía de drenaje. La ecuación es
P w = 4.825 Q 1/2
Donde, Pw es la vía de agua que se proporcionará para el drenaje en el sitio en metros. Q es la descarga de la inundación del drenaje en m 3 / seg. A medida que los muelles reducen la vía fluvial real disponible, la longitud entre los pilares ( Pw ) puede aumentar en un 20%. Cuando la vía de agua se fija a partir de la ecuación del perímetro del régimen de Lacey, la condición del régimen en el drenaje corriente arriba y corriente abajo de la estructura no se altera de manera apreciable. Para confinar el agua de drenaje a la vía fluvial deseada, se pueden construir bancos.
(iii) Velocidad de Flujo a través del Barril:
La velocidad del flujo a través del barril puede variar desde 1, 8 m / s hasta 3 m / s. La razón para seleccionar este rango es que las velocidades más bajas pueden causar sedimentación en los barriles. Mientras que cuando la velocidad es superior a 3 m / s, la carga del lecho puede causar la abrasión del piso del barril y, posteriormente, puede dañarse.
(iv) Altura de apertura:
Una vez que la descarga y la velocidad del canal se fijan, la profundidad del flujo se puede obtener fácilmente. Debe haber suficiente espacio libre o espacio libre entre el HFL y el fondo del lecho del canal. Un espacio libre de 1 m o la mitad de la altura de la alcantarilla, lo que sea menor sería suficiente. Por lo tanto, Altura de apertura = Profundidad de flujo + Despeje o avance.
(v) Número de Spans:
Después de determinar la longitud total de un acueducto entre los pilares, el número de vanos que se proporcionarán puede fijarse sobre la base de las siguientes dos consideraciones:
yo. Resistencia estructural requerida, y
ii. Consideración económica.
Por ejemplo, cuando se usan arcos, el número de tramos que se proporcionarán puede ser mayor. Cuando el costo de construcción en la cimentación es bastante alto, se debe adoptar un pequeño número de tramos y luego se pueden usar vigas de RCC.
(vi) Canal navegable:
Por lo general, la proporción de derrumbe se toma como 1/2. Esta relación se adopta de manera tal que la velocidad de flujo en el canal no supera el límite de velocidad crítica. En general, la velocidad de flujo no debe ser superior a 3 m / s. Se toma esta precaución para evitar la posibilidad de formación de un salto hidráulico. La razón obvia es que cuando se forma el salto hidráulico absorbe energía. En este proceso se pierde una valiosa cabeza y se producen grandes esfuerzos en la estructura.
(vii) Duración de la contracción o transición de aproximación:
Una vez que el ancho en la garganta es fijo, se puede determinar la longitud de la contracción después de conocer la relación de convergencia. La relación de convergencia generalmente se toma como 2: 1 (horizontal: lateral), es decir, no superior a 30 °.
(viii) Duración de la Expansión o Transición de Salida:
La longitud de expansión en el lado de aguas abajo del acueducto puede fijarse después de conocer la relación de expansión. La relación de expansión generalmente se toma como 3: 1 (horizontal: lateral), es decir, no más pronunciada que 22.5 °. Para mantener el flujo aerodinámico y también para reducir la pérdida de carga, las transiciones generalmente están formadas por paredes de ala curvadas y abocardadas.
El diseño de la transición se puede elaborar haciendo uso de cualquiera de los tres métodos siguientes:
yo. Método de Hind;
ii. Método de transición hiperbólica de mitra;
iii. Método de transición parabólica semicubica de Chaturvedi.
Puede observarse que mientras que el método de Hind se puede usar cuando la profundidad del agua en la sección normal y el canal inclinado también varían, los dos métodos restantes se pueden usar solo cuando la profundidad del agua permanece constante en la sección del canal normal, así como en la sección del canal. .
(ix) Conexiones bancarias:
Un acueducto requiere cuatro juegos de paredes laterales (dos para el canal y dos para el canal) (Fig. 19.24).
Las paredes del ala del canal en el lado corriente arriba y corriente abajo del acueducto protegen y retienen la tierra en las orillas del canal. Los cimientos de las paredes del ala del canal no deben dejarse en la tierra del terraplén. Las paredes de las alas deben basarse en la base sólida en el suelo natural. En las transiciones, las pendientes laterales de la sección natural (generalmente 11/2: 1) están deformadas para adaptarse a la forma (generalmente vertical) del canal sobre el drenaje.
Las paredes del ala de drenaje se proporcionan en la parte anterior y posterior del cañón para proteger y retener los lados naturales del drenaje. A medida que el lecho del desagüe se limpia durante las inundaciones, las paredes del ala de drenaje deben introducirse profundamente en la base por debajo de la profundidad máxima de socavación. Las paredes de las alas deben volver a colocarse en la parte superior de los bancos guía. Las paredes laterales deben estar diseñadas para permitir una entrada y salida suave del flujo en el desagüe.
Método de Hind para el diseño de la transición:
Este método se basa en la premisa de que hay una pérdida mínima de carga, el flujo se racionaliza y las condiciones de flujo normales en el canal se restauran antes de que las descargas del canal pasen a la sección de tierra inmediatamente después de las transiciones curvadas y abocardadas.
En la figura 19.25 se muestran la contracción o la transición de aproximación, la parte de la garganta y la transición de expansión o salida. Puede verse que las secciones 1-1, 2-2, 3-3 y 4-4 indican el inicio de la contracción, el final de la contracción, el inicio de la expansión y el final de la expansión, respectivamente.
Así, la contracción o transición de aproximación se encuentra entre las secciones 1 y 2, la garganta entre las secciones 2 y 3 y la transición de expansión o partida entre las secciones 3 y 4. Hasta la sección 1 y más allá de la sección 4, el canal fluye en sus condiciones normales y, por lo tanto, los parámetros del canal en Estos dos puntos son iguales y ya conocidos. Así también las condiciones de flujo y los parámetros del canal son los mismos entre las secciones 2 a 3, que representan la parte de la garganta o el canal.
El procedimiento de diseño se puede resumir de la siguiente manera:
Deje que D y F, con los subíndices apropiados, se refieran a las profundidades y velocidades en cuatro secciones. Además, ya se conocen los niveles y las dimensiones del canal en la sección 4-4:
Paso 1: TEL en la sección 4-4 = Elevación de la superficie del agua + V 2 4 / 2g
donde la elevación de la superficie del agua en la sec. 4-4 = nivel de cama + D 4
(Recuerde que TEL es la abreviatura de la línea de energía total)
Paso 2: TEL en la sec. 3-3 = (TEL en sec 4-4) + (pérdida de energía entre la sección 3 y 4) La pérdida de energía entre las secciones 3-3 y 4-4 se produce debido a la expansión de las líneas de flujo y también debido a la fricción. La pérdida de negligencia debida a la fricción es pequeña y la pérdida debida a la expansión debe ser
Paso 5:
Como se mencionó en los primeros cuatro pasos, el nivel del lecho, el nivel de la superficie del agua y el nivel de la línea de energía total se pueden determinar en las cuatro secciones.
Ahora la línea TE, la línea de la superficie del agua y la línea de la cama se pueden dibujar de la siguiente manera:
(a) Ahora se puede dibujar la línea de energía total uniendo estos puntos en cuatro secciones por una línea recta.
(b) La línea de la cama también se puede dibujar como líneas rectas entre las secciones adyacentes si la caída o el aumento del nivel de la cama es pequeño. Las esquinas deben ser redondeadas. En caso de que la caída en la línea de la cama sea apreciable, las líneas de la cama deben unirse con una curva inversa tangencial suave.
(c) Ahora está claro que entre dos secciones consecutivas, la caída en el nivel de la superficie del agua puede deberse a (i) caída en la línea TE entre las dos secciones; (ii) aumento de la velocidad de la cabeza en la contracción; y (iii) disminución de la velocidad de la cabeza en expansión.
Esta caída en la superficie del agua es negociada por dos curvas parabólicas. Como se muestra en las Figs. 19.26 y 19.27 para la contracción (transición de aproximación) y la expansión (transición de salida) esto se logra mediante una curva ascendente convexa seguida por una curva ascendente cóncava en la transición anterior y una curva ascendente cóncava seguida por una curva ascendente convexa en la transición posterior.
Puede verse en las Figs. 19.26 y 19.27
L = Duración de la transición (contracción o salida) = 2x 1 y
2y 1 = Caída total o aumento en la superficie del agua. El punto m es el punto medio de la longitud de transición y está situado para dividir la caída total y la longitud por igual.
Tomar la superficie del agua en el punto de sección como la ecuación de origen de la parábola viene dada por
y = cx 2
Sustituyendo los valores conocidos de y 1 y x 1.
c = y 1 / x 2
Con este valor de c, las curvas de la superficie del agua parabólica se pueden trazar a partir de los puntos de sección que representan el origen.
La ecuación que se utilizará para el trazado ahora se reduce a
y = (y 1 / x 1 2 ). x 2
Así, se puede trazar el perfil de la superficie del agua.
Paso 6: Se pueden obtener la velocidad y el área de flujo en varios puntos
(i) La altura de la velocidad en cualquier punto viene dada por la diferencia entre TEL y la superficie del agua.
Cabezal de velocidad h v = TEL - línea WS
También = h v = v 2 / 2g
Entonces, la velocidad (V) en cada punto = √2g.h v
(ii) El área de flujo en cualquier punto ahora se puede obtener mediante una fórmula simple
A = Q / V
Con valores conocidos de A y D se pueden calcular otras dimensiones del canal trapezoidal utilizando la fórmula
A = BD + SD 2
donde B es el ancho del lecho y S: 1, es decir, (H: V) es la pendiente lateral.
En el caso de paredes de ala abocardada, las pendientes laterales se llevan gradualmente a la vertical desde una pendiente inicial. El valor de la pendiente lateral en cualquier sección intermedia en la longitud de transición se puede interpolar en proporción a la longitud de transición alcanzada hasta ese punto.
Método de transición hiperbólica de Mitra :
Este método se basa en el principio de que :
yo. Junto con la descarga, la profundidad del flujo en el canal también es constante; y
ii. La tasa de cambio de velocidad por unidad de longitud de transición es constante a lo largo de la transición.
De la figura 19.25 se puede ver que:
B 0 = ancho normal de la cama del canal;
B t = ancho del lecho en la garganta o canal;
B x = ancho a cualquier distancia x desde la extremidad del canal;
y L = duración total de la transición.
Método de transición parabólica semicubica de Chaturvedi:
Indica que (Consulte la Fig. 19.25 para anotaciones)
Principios de diseño para el acueducto de sifón:
Está claro que los acueductos de sifón son básicamente diferentes de los acueductos ordinarios. Como tales criterios para el diseño de acueductos no son suficientes en el diseño de acueductos de sifón.
Además de las consideraciones anteriores, se deben adoptar los siguientes criterios al diseñar los acueductos de sifón:
(i) Descarga a través de Barril de Sifón:
La cabeza que causa el flujo (también representa la pérdida de carga en el barril) a través del barril de sifón invertido se puede obtener de la fórmula de Unwin
donde h es la cabeza que causa el flujo, también es la pérdida de cabeza en el barril en m.
L es la longitud del barril en m.
R es el radio medio hidráulico del barril en m.
V es la velocidad del flujo a través del barril en m / seg.
V a es la velocidad de aproximación en m / s, generalmente se descuida.
f 1 es un coeficiente para la pérdida de carga en la entrada y generalmente se toma como 0.505.
f 2 es un coeficiente que explica la fricción en el cañón.
donde ayb son constantes.
La siguiente tabla 19.2 da valores de a y b para diferentes superficies:
La velocidad de flujo a través del barril generalmente se limita a 2 a 3 m / seg.
Por lo tanto, dado que todos los valores son conocidos, se puede calcular la pérdida de carga en el barril o la cabeza, lo que provoca un flujo. Este valor cuando se agrega al nivel de inundación alto (HFL) en los d / s del acueducto da u / s HFL.
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(ii) Presión de elevación en el techo del barril:
A medida que el barril se llena durante las inundaciones, existe una presión positiva en el barril. Debido a la presión positiva en el cañón, el techo está sujeto a la presión de levantamiento. El diagrama de presión de levantamiento para el techo se puede dibujar conociendo el cabezal de presión en el lado u / sy d / s del barril.
La presión en el lado d / s del barril es igual a la altura del nivel del agua por encima de la parte inferior del techo. La cabeza de presión en el lado u / s se puede obtener agregando la pérdida de cabeza en el cilindro a la cabeza de presión en el lado d / s. La pérdida de cabeza se puede obtener de la fórmula de Unwin. La figura 19.28 muestra el perfil de la línea de gradiente hidráulico que puede existir. Puede verse que la presión máxima de levantamiento se produce en el extremo u / s del techo del barril.
Al diseñar el canal, es necesario considerar dos condiciones extremas, a saber:
yo. El barril se llena durante la inundación máxima y no hay agua en el canal. Esta condición da la presión de elevación máxima que actúa sobre el canal.
ii. El canal del canal lleva una descarga completa, pero el cañón no funciona a pleno rendimiento y, por lo tanto, no hay elevación en el techo del cañón.
Con el fin de limitar el grosor del canal, es aconsejable proporcionar un techo de concreto reforzado con refuerzo en la parte inferior para llevar la carga del canal y el refuerzo en la parte superior para resistir la presión de elevación al doblar.
(iii) Presión de elevación en el suelo del barril:
A diferencia de otras estructuras hidráulicas, los acueductos están sujetos a dos tipos diferentes de presiones de levantamiento de dos fuentes diferentes. Son los siguientes:
(a) Presión de elevación estática debido al aumento en el nivel freático:
El nivel freático muchas veces se eleva hasta el nivel de la cama del desagüe. Especialmente en el caso de un acueducto de sifón cuyo lecho del piso está deprimido debajo del lecho de drenaje, la presión de levantamiento estática actúa sobre el lecho del piso. La presión de levantamiento es igual a la diferencia entre el nivel de la cama del desagüe y el nivel del piso del barril.
(b) Presión de elevación debido a la filtración de agua del canal al drenaje:
Dado que existe una diferencia de nivel entre el nivel del agua del canal y el flujo de infiltración del nivel del agua de drenaje, donde las condiciones son favorables. Esta cabeza de infiltración es máxima cuando el canal corre a plena capacidad y no hay flujo en el drenaje debajo. Como se muestra en la Fig. 19.29, el flujo de filtración en este caso no es simple, pero el patrón de flujo es tridimensional en todas partes. El flujo de la filtración comienza desde ambos lados del canal de canal impermeable y reaparece a ambos lados del piso de barril impermeable en el desagüe.
Dado que no es posible una aproximación al flujo bidimensional, la teoría de Khosla no puede aplicarse estrictamente. La solución mediante el intrincado "método de relajación" es posible, pero es demasiado laborioso. Para propósitos de diseño, se puede aplicar el principio de teoría de fluencia de Bligh que se explica a continuación. Para trabajos importantes, sin embargo, es esencial verificar los resultados del diseño preliminar así obtenido por los estudios modelo.
Refiriéndose a la figura 19.29.
Tomando el caso del primer barril donde la filtración será máxima, longitud total de fluencia - (longitud de fluencia ab) + (longitud de fluencia bc)
L = L 1 + L 2
Cabezal de filtración total = canal FSL - d / s nivel de drenaje de la cama = H s
Cabezal de filtración residual en b = -H s / L x L 2
Se puede considerar que el cabezal de filtración total residual en b diseña el grosor de todo el piso de todos los barriles.
De hecho, el grosor del piso del cañón está diseñado teniendo en cuenta la presión de levantamiento total creada por la condición de levantamiento estático y el flujo de filtración del canal mencionados anteriormente.
Con el fin de limitar el grosor del piso, se puede adoptar la construcción RCC ya que parte de la presión es resistida por el peso del piso y restante por la resistencia a la flexión del piso. En tal disposición, la presión se transfiere a los muelles y es resistida por todo el peso de la superestructura.
Cuando se observa que la presión de elevación es muy alta, se puede reducir proporcionando guardas adecuadas y seguras.
Son:
(a) Aumente la longitud del piso impermeable de la cama del canal para que la longitud de arrastre se incremente;
(b) Proporcione orificios de drenaje o de alivio en el piso del barril junto con un filtro invertido debajo del piso. Para evitar que se ahoguen los orificios de alivio y el filtro debajo del borde del desagüe, los orificios de alivio deben contar con válvulas de válvula.
