Un pre articulo para el grado de Bachillerato

1. Autor de correspondencia: Ramos LopintaJose Leonel
Carretera Central Km19.5 Ñaña, Chosica
Tel.: +51943997710
E-mail: leonelramos@upeu.edu.pe
Diseño hidráulico de rápidas
JOSE LEONEL RAMOS LOPINTA , ROBERTH JHAMPIER AGUILAR
PALOMINO
EP. Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería y Arquitectura, Universidad Peruana Unión, Perú.
RESUMEN
Angel
ABSTRACT

2. 2
INTRODUCCIÓN
En el recorrido de un canal, pueden presentarse diversos accidentes y obstáculos como son:
Depresiones del terreno, Quebradas secas, Fallas, Cursos del agua, necesidad de cruzar vías de
comunicación (carreteras, vías férreas u otro canal). La solución mediante estructuras
hidráulicas es diversa y la selección de esta será de acuerdo al tipo de terreno topográfico con
el que nos encontremos. Para controlar las velocidades en tramos de alta pendiente se pueden
utilizar combinaciones de rampas, escalones y rápidas, siguiendo las variaciones del terreno.
Uno de los aspectos que generalmente merece especial atención en el diseño de obras
hidráulicas de montaña es la disipación de la energía cinética que adquiere un chorro líquido
por el incremento de la velocidad de flujo. Esta situación se presenta en vertederos de
excedencias, estructuras de caída, en rápidas, desfogues de fondo, salidas de alcantarillas, etc.
En esta oportunidad se estudiará las estructuras para salvar desniveles como son las rápidas en
un canal; una rápida es un canal de gran pendiente que conecta dos tramos de un canal con
pendiente suave entre los que existe un desnivel considerable en una longitud corta al cual
obliga a conducir el agua en ese tramo sobre pendientes inclinadas y con altas velocidades. En
los sistemas de riego de montaña el empleo de rápidas es común debido a que en muchos casos
la topografía del terreno es más inclinada que la pendiente máxima que se le quiere dar a un
tramo del canal. Por ello es de gran importancia el estudio de estas estructuras las cuales se
detallará en el presente informe, junto con sus cálculos hidráulicos, estructuras y planos
respectivos.
JUSTIFICACIÓN
Dentro del ámbito de la ingeniería en la parte de canales nos vamos a encontrar con problemas
de diseño en el cual se necesitará la ayuda de estructuras adicionales para una correcta función
del proyecto, una de las cuales es la “rápida de canales” que nos ayudara a salvar desniveles en
tramos con mucha pendiente estas se diseñan para generar pérdidas hidráulicas importantes en
los flujos de alta velocidad. El objetivo es reducir la velocidad y pasar el flujo de régimen
supercrítico a subcrítico. Una ventaja de las rápidas es que es posible ajustar su pendiente a la
pendiente natural del terreno y por ende requiere menor movimiento de tierras que por ejemplo
una serie de caídas verticales. Su principal desventaja es que conduce el agua a gran velocidad
lo que desgasta más rápidamente la solera por ello existen diferentes tipos de rápidas y a al final
de esta se construye una estructura disipadora de energía

3. 3
MÉTODO
METODOS GENERALES
Ohtsu et al. (2004) presentaron una metodología para calcular las características del flujo
rasante en canales escalonados con pendientes entre 5.7º y 55º, indiferente de la altura del
escalón. En el Manual de drenaje para carreteras de Invias (2012) recomiendan esta
metodología dada la trayectoria del investigador el área de la hidráulica y debido a que
recopilaba las últimas investigaciones en el tema. Cabe resaltar que la propuesta de Ohtsu et
al. (2004) está enfocada en el diseño de canales escalonados para la disipación de energía en
presas compactadas con rodillo (CCR).
La metodología propuesta por Ohtsu et al. (2004) para el diseño de canales escalonados
bajo el régimen de flujo rasante es la siguiente:
1. Determinar el caudal de diseño, escoger el ancho del canal (B), medir la altura de la presa
(Hdam) y seleccionar la pendiente del canal (So).
2. Calcular la profundidad crítica del flujo (𝑦𝑐 = √ 𝑄^2/ 𝐵^2∙𝑔).
3. Obtener el parámetro adimensional, 𝐻𝑑𝑎𝑚 /𝑦𝑐.
4. Suponer la altura del escalón y chequear que la relación ℎ /𝑦𝑐 se encuentre en el rango, 0.25
≤ ℎ /𝑦𝑐 ≤ (ℎ /𝑦𝑐 )𝑠 .
La relación (ℎ /𝑦𝑐 )𝑠 , se calcula mediante la ecuación 8.
5. Comparar la altura relativa del canal ( 𝐻𝑑𝑎𝑚 𝑦𝑐 ⁄ ) con la altura relativa para que se forme
flujo cuasi uniforme ( 𝐻𝑒 /𝑦𝑐), ecuación 85.
5.1. Si 𝐻𝑑𝑎𝑚 /𝑦𝑐> 𝐻𝑒 /𝑦𝑐, se presentará un flujo rasante cuasi uniforme; para este caso se
deberá calcular el factor de fricción mediante la ecuación 76, 78 y 80.
5.2. Se debe tener en cuenta que el coeficiente de fricción depende del caudal y de la
pendiente del canal, es decir, se debe calcular si se presentará un flujo rasante tipo SKA o
SKB.

4. 4
5.2.1. Calcule la profundidad media del flujo (𝑑) mediante la ecuación 74 y determine la
velocidad media del flujo, mediante la ecuación de continuidad (𝑉 = 𝑞𝑤/ 𝑑).
5.3. Si 𝐻𝑑𝑎𝑚/ 𝑦𝑐< 𝐻𝑒/ 𝑦𝑐, se presentará un flujo rasante no uniforme, es decir, el flujo no
alcanza el punto de atrapamiento de aire (“Inception Point”). Para estimar las condiciones
hidráulicas del flujo se deberá seguir el siguiente procedimiento:
5.3.1. Determine la energía residual al pie del canal, mediante la ecuación empírica 86):
Para 5.7° ≤ 𝜃 ≤ 55°, 0.1 ≤ ℎ /𝑦𝑐≤ ( ℎ /𝑦𝑐) 𝑠 , 𝑦 5.0 ≤ 𝐻𝑑𝑎𝑚/ 𝑦𝑐 ≤ 𝐻𝑒/ 𝑦𝑐
𝐸𝑟𝑒𝑠/𝑦𝑐 = 1.5 + [( 𝐸𝑟𝑒𝑠/𝑦𝑐 ) 𝑈 − 1.5] (1 − (1 – 𝐻𝑑𝑎𝑚/𝐻𝑒 ) ^𝑚 )
𝑚 = − 𝜃 25 + 4 86
Para flujos rasante tipo A
( 𝐸𝑟𝑒𝑠/ 𝑦𝑐 ) 𝑈 = 𝑑 𝑦𝑐 𝑐𝑜𝑠 𝜃 + 1 2 ( 𝑦𝑐/ 𝑑 ) 2 = ( 𝑓 /8 𝑠𝑒𝑛𝑜 𝜃 )^1/3 𝑐𝑜𝑠 𝜃 + 1 2 ( 𝑓/8 𝑠𝑒𝑛𝑜
𝜃 )^−2/3 87
Para flujos rasante tipo B,
( 𝐸𝑟𝑒𝑠 /𝑦𝑐 ) 𝑈 = 𝑑 /𝑦𝑐 + 1 2 ( 𝑦𝑐 /𝑑 ) ^2 = ( 𝑓/ 8 seno 𝜃 )^1/3 + 1 2 ( 𝑓/ 8 seno 𝜃 )^ −2/3
5.3.2. Calcule la profundidad del flujo (𝑑), según el tipo de flujo rasante (ecuación 89 y
90, y determine la velocidad media del flujo, mediante la ecuación de continuidad (𝑉 = 𝑞/𝑑).
Para flujo rasante tipo A.
𝐸𝑟𝑒𝑠 = 𝑑 cos 𝜃 + 𝑣 ^2 /2𝑔
Para flujo rasante tipo B.
𝐸𝑟𝑒𝑠 = 𝑑 + 𝑣 ^2/ 2𝑔
6. Calcule la concentración media del aire de la ecuación 6.
7. Calcule la profundidad 𝑦90, de la ecuación 2.
8. Determinar la altura de muros como 1.4 𝑦90.
METODOS GENERALES
Seleccionar y diseñar el tipo de entrada a ser usada.
2. Determinar la gradiente de energía en el inicio de la sección de la rápida.
3. Calcular las variables de flujo en la sección de la rápida.
4. Diseñar la trayectoria y la parte pronunciada de la sección de la rápida.

5. 5
5. Asumir una elevación para el piso de la poza disipadora y calcular las características de
flujo aguas arriba del salto hidráulico. Determinar Y2 y el gradiente de energía después del
salto hidráulico.
6. Determinar el gradiente de energía en el canal aguas abajo de la estructura y comparar
con el gradiente de energía después del salto hidráulico.
7. Puede ser necesario asumir una nueva elevación del fondo de la poza y recalcular los
valores mencionados varias veces, antes de que se obtenga una coincidencia de niveles de
energía.
8. Revisar para operación adecuada con capacidades parciales.
9. Determinar la longitud de la poza y la altura de muros de la poza.
10. Diseñar los bloques de la rápida y del piso, y el umbral terminal ó transición de salida
como se requiera.
11. Verificar la posibilidad de la producción de ondas en la estructura.
12. Proporcionar protección en el canal aguas abajo, si es requerido.

6. 6
MARCO TEORICO
Las rápidas (chutes) son usadas para conducir agua desde una elevación mayor a una más
baja. La estructura puede consistir de una entrada, un tramo inclinado, un disipador de energía
y una transición de salida. El tramo inclinado puede ser un tubo o una sección abierta. Las
rápidas son similares a las caídas, excepto que ellas transportan el agua sobre distancias más
largas, con pendientes más suaves y a través de distancias más largas.
1.1. PARTES DE UNA RAPIDA:
 Sección de control
 Rampa
 Trayectoria
 Colchón Amortiguador
Fig 01 Partes de una rápida
1.2. La transición de entrada

7. 7
Transiciona el flujo desde el canal aguas arriba de la estructura hacia el tramo inclinado.
Debe proveer un control para impedir la aceleración del agua y la erosión en el canal. El
control es logrado por la combinación de una retención, un vertedero o un control notch en la
entrada. La entrada usada deberá ser simétrica con respecto al eje de la rápida, permitir el
paso de la capacidad total del canal aguas arriba hacia la rápida con el tirante normal de aguas
arriba, y donde sea requerido, permitir la evacuación de las aguas del canal cuando la
operación de la rápida sea suspendida.(Palomino, 2003)
1.3. Poza disipadora
En una poza disipadora el agua fluye desde el tramo corto de pendiente pronunciada a una
velocidad mayor que la velocidad crítica. El cambio abrupto en la pendiente, donde la
pendiente suave del piso de la poza disipadora se une con el tramo corto de pendiente
pronunciada, fuerza el agua hacia un salto hidráulico y la energía es disipada en la turbulencia
resultante. La poza disipadora es dimensionada para contener el salto. Para que una poza
disipadora opere adecuadamente, el número de Froude.(Yépez, 1984)
1.4. Tramo inclinado
En el tramo inclinado, la sección usual para una rápida abierta es rectangular, pero las
características de flujo de otras formas de sección, deben ser consideradas donde la supresión
de ondas es una importante parte del diseño. La economía y facilidad de construcción son
siempre consideradas en la elección de una sección. Cuando es necesario incrementar la
resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usan “uñas” para mantener la estructura
dentro de la cimentación.(Yépez, 1984)

8. 8
Con canal abierto, generalmente sigue la superficie original del terreno y se conecta con un
disipador de energía en el extremo más bajo. (Palomino, 2003)
1.5. Transición de salida
Es usada cuando es necesaria para conectar el flujo entre el disipador de energía y el canal
aguas abajo. Si es necesario proveer el tirante de aguas abajo (tallwater) al disipador de
energía, la superficie de agua en la salida debe ser controlada. Si se construye una transición
de salida de concreto y no hay control del flujo después en el canal, la transición puede ser
usada para proveer el remanso elevando el piso de la transición en el sitio de la
uña.(Palomino, 2003)
Fig 02 Partes de la estructura

9. 9
1.6. Criterio constructivo
Las velocidades que se pueden alcanzar en estas estructuras son altas entre 7.5 y 10.0 m/s.
Se considera únicamente una protección del concreto con pintura epóxica, a pesar de las altas
velocidades, debido a que en estos casos la conducción transporta agua, los sólidos en
suspensión son eliminados en estructuras denominadas desarenadores. Al final de las rápidas
en los disipadores de energía, se puede proteger el concreto del piso y dados con el blindaje
de sus caras.(Rojas, 2008)
1.7. Consideraciones de diseño hidráulico
1.7.1. Coeficiente de rugosidad de Manning
En el cálculo de las características de flujo en una estructura de este tipo son usados
valores conservadores del coeficiente de rugosidad de Manning “n”. Cuando se calcula la
altura de muros en una rápida de concreto, se asume valores de n =0.014 y en el cálculo de
niveles de energía valores de n = 0.010.(Yépez, 1984)
1.7.2. Transiciones
Las transiciones en una rápida abierta, deben ser diseñadas para prevenir la formación de
ondas. Un cambio brusco de sección, sea convergente o divergente, puede producir ondas que
podrían causar perturbaciones, puesto que ellas viajan a través del tramo inclinado y el
disipador de energía. Para evitar la formación de ondas, la cotangente del ángulo de 7
deflexión de la superficie de agua en el plano de planta desarrollado de cada lado de una
transición no debería ser menor que 3.375 veces el número de FROUDE (F). Esta restricción
sobre ángulos de deflexión se aplicaría para cada cambio de sección hecha en la entrada, en el

10. 10
tramo inclinado o en la poza disipadora. Si esta restricción no controla el ángulo de deflexión,
el máximo ángulo de deflexión de la superficie de agua en la transición de entrada puede ser
aproximadamente 30º. El ángulo de la superficie de agua con el eje en la transición de salida
puede ser aproximadamente 25º como máximo.(Peña, 2019)
1.8. Formación de Ondas
Las ondas en una rápida son objetables, porque ellas pueden sobrepasar los muros de la
rápida y causar ondas en el disipador de energía. Una poza disipadora no sería un disipador de
energía efectivo con este tipo de flujo porque no puede formarse un salto hidráulico estable.
Estas ondas generalmente se forman en rápidas, que son más largas que aproximadamente 60
m, y tienen una pendiente de fondo más suave que 20º. La máxima altura de onda que puede
esperarse es 2 veces el tirante normal para la pendiente, y la capacidad máxima del flujo
momentáneo inestable y pulsátil es 2 veces la capacidad normal. Flujo transversal u ondas
cruzadas pueden también desarrollarse en una rápida. Estas ondas causadas por:
 Transiciones abruptas de una sección del canal a otra.
 Estructuras asimétricas.
 Curvas o ángulos en el alineamiento de la rápida.
La probabilidad de que estas ondas sean generadas en la estructura puede ser reducida
siguiendo las recomendaciones concernientes a ángulos de deflexión y simetría hechas en las
secciones pertenecientes a las transiciones, y evitando los cambios de dirección en la
estructura.(Yépez, 1984)

11. 11
2. Procedimiento de diseño y/o pasos
 Seleccionar y diseñar el tipo de entrada a ser usada.
 Determinar la gradiente de energía en el inicio de la sección de la rápida.
 Calcular las variables de flujo en la sección de la rápida.
 Diseñar la trayectoria y la parte pronunciada de la sección de la rápida.
 Asumir una elevación para el piso de la poza disipadora y calcular las características
de flujo aguas arriba del salto hidráulico. Determinar da y el gradiente de energía
después del salto hidráulico.
 Determinar el gradiente de energía en el canal después de la estructura y comparar
con el gradiente de energía después del salto hidráulico.
 Puede ser necesario asumir una nueva elevación del fondo de la poza y recalcular los
valores antes mencionados varias veces, antes de que se obtenga una coincidencia de
niveles de energía.
 Revisar por operación adecuada con capacidades parciales.
 Determinar la longitud de la poza y la altura de muros de la poza.
 Diseñar los bloques de la rápida y del piso, y el umbral Terminal o transición de
salida como se requiera.
 11.Verificar la posibilidad de la producción de ondas en la estructura.
 Proporcionar protección en el canal después, si es requerido.

12. 12
3. Consideraciones hidráulicas
Se requiere conocer las propiedades hidráulicas y elevaciones de la rasante y de las secciones
del canal aguas arriba y aguas debajo de la rápida, así como un perfil del tramo en la localización
de la estructura. Generalmente se debe mantener una pendiente mayor que la necesaria para
mantener el régimen crítico, por lo que el tipo de flujo que se establece es el flujo supercrítico.
El canal de caída puede tener de acuerdo a la configuración del terreno una o varias pendientes
y es generalmente de sección rectangular o trapezoidal. La trayectoria debe diseñarse de modo
que la corriente de agua permanezca en contacto con el fondo del canal y no se produzcan
vacíos. Si la trayectoria se calcula con el valor de la aceleración de la gravedad como
componente vertical, no habrá presión del agua sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire
aumentará, limitándose así la capacidad de conducción del canal, por lo que se acostumbra usar
como componente vertical un valor inferior a la aceleración de la gravedad o incrementar el
valor de la velocidad para que la lámina de agua se adhiera al fondo del canal. La poza de
disipación debe ubicarse en el extremo inferior de la trayectoria con el objetivo de absorber
parte de la energía cinética generada en la rápida, mediante la producción del resalto hidráulico
y contener este resalto dentro de la poza. Con el fin de proteger el canal sobre todo si es en
tierra, se puede revestir con mampostería la zona de protección. (Rubio, 2008)

13. 13
CONCLUSIONES
Las pérdidas de carga en las transiciones, dependen del ángulo que forman los aleros de la
transición con el eje del canal. Para ciertos ángulos recomendables a veces resultan transiciones
muy largas, con el consecuente desmedro económico; por lo tanto, debe sopesarse estas
medidas para obtener una estructura económica y funcional a la vez.
La inclinación del terreno donde se realizara la construcción de un rápida, la clase y volumen
de excavación, el revestimiento, la permeabilidad y resistencia a la cimentación, y la estabilidad
de taludes son condiciones de emplazamiento que determinan el tipo y componentes de la
estructura.
Una poza disipadora y una transición de salida construidas para las dimensiones recomendadas
tal vez no contengan completamente la salpicadura causada por el agua turbulenta, pero la
estructura debe contener suficiente de la turbulencia para prevenir daños por erosión después
de la estructura

14. 14
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