Estructuras reguladoras del aguaGeneralidadesEstas estructuras se utilizan para distribuir el agua de riego dentro del sistema a un nivel y caudal deseado; as que se utilizan para obtener un control del agua (nivel y caudal) en los puntos deseado del sistema. Una estructura de regulacin en un canal de riego es usada para controlar el caudal, o la elevacin del nivel de agua o ambas cosas. El tipo de estructuras que realizan estas funciones son: tomas o bocatomas, retenciones o diques de retencin y retenciones con saltos, tomas con compuertas, estructuras repartidoras o de particin. Algunas de estas estructuras son estructuras de toma, estructuras repartidoras de caudal, estructuras de toma y entrega como de retencin.FuncionesDeben controlar la accin erosiva de las corrientes en el fondo y orilla de los cauces.Las estructuras reguladorasno crean como regla general embalses sino que actan sobre la direccin y la magnitud de las velocidades de flujo.Pueden pertenecer a este grupo los diques, las bateras de espolones, los azudes, etc.Garantizar las profundidades y condiciones necesarias para navegacin y flotacin de maderas, crear condiciones para captacin de aguas en los ros, ganar tierras al mar, etc.VertederosEl vertedero es una forma de control hidrulico aguas arriba.Para una posicin o establecimiento del nivel de la cresta, el caudal a travs de la estructura slo puede cambiar si las condiciones del nivel del agua cambiaen el canal alimentador. En las estructuras de toma que utilizan vertederos como control del agua para transferirla desde el canal de la agencia a los canales prediales, el control del agua es responsabilidad de la agencia y no de los usuarios.El vertedero control es bastante efectivo para la distribucin de suministro de agua entre un grupo de canales de usuarios con mnimo control operacional, sin embargo esto no garantiza que exista un buen ajuste entre el suministro de agua y el agua requerida por los usuarios.En el control hidrulico por orificio sumergido, el caudal es una funcin de las condiciones tanto aguas arriba como aguas abajo.Aunque una compuerta de orificio puede mejor representar los intereses tanto de los usuarios como de la agencia.El caudal puede ser fcilmente cambiado, regulando la apertura del orificio en respuesta al cambio de la demanda de los usuarios; sin embargo, debe reconocerse que se desperdicia un mayor grado de libertad de la regulacinya sea por parte de los usuarios como de la agencia.El vertedero da una exacta medida y regulacin del flujo, pero requiere una mayor diferencia en cabeza que lo requiere el orificio sumergido.Alternativamente, la descarga o caudal a travs de compuertas deslizantes permanecen relativamente constantean con pequeas variaciones de la superficie del agua aguas arriba, entonces las compuertas son estructuras preferibles para controlar el flujo en canales a caudal constante.Los vertederos, para los cuales el caudal es muy sensitivo a las fluctuaciones del nivel del agua aguas arriba, son preferibles para la medida segura del flujo.

En su forma bsica un vertedero es una contricin vertical que es colocada normal a la direccin del flujo.Para este tipo de control hidrulico, la profundidad y el caudal estn relacionados por:Q = Cd(3.1)Donde Cd es un coeficiente de descarga, L es el ancho del vertedero, y H, es la altura aguas arriba de la cresta del vertedero del nivel del agua.Ntese que para una ubicacin especfica del vertedero, el caudal es funcin del nivel del agua del canal aportador o de las condiciones aguas arriba del canal.Vertederos de cresta ancha o azudAltura de muroTomando el caudal mximo del proyecto, H(crt)se calcula por medio de la frmula:Q = r(s)B(t)H3/2(crt)(3.4)Donde: Q = caudal en m3/s; r(s) = grado de inmersin; B(t)= anchura del azud perpendicular a la corriente; H(crt) = altura de la superficie del agua aguas arriba respecto al azud.La anchura del muro de la estructura se obtiene aadiendo aH(crt)la altura del azud sobre la solera y una obra muerta adecuada.

Longitud del cuenco amortiguadorPara determinar la longitud del cuenco amortiguador se utiliza la frmula siguiente:LSB = 5 (H(J)2- H(J)1) (3.5)Donde:LSB = Longitud del cuenco amortiguadorH(j)2 =altura terica del agua aguas abajo del resalto hidrulicoH(j)1 =altura terica del agua aguas arriba del resalto hidrulico.Se adopta el coeficiente "5"ya que el cuenco amortiguador es de seccin trapecial; sin embargo, no hay todava suficiente experiencia para demostrar esto. No obstante, las dimensiones elegidas de acuerdo con esta frmula han resultado satisfactorias hasta el presente en las estructuras ya construidas.Las alturas del agua, H(j)1y H(j)2se calculan por los mtodos convencionales, aplicando la ecuacin de Bernoulli.Dimensiones de una toma terciariaEl dimetro de la tubera de hormign se determina suponiendo que la velocidad mxima del agua que pasa por la tubera es de 1 m/s, para el caudal mximo de proyecto del canal terciario.Las prdidas de toma se determinan de acuerdo con la frmula siguiente:J(HR) =h(l,ent)+h(l.f)+ h(l.OL)=(3.6)h(l.ent) =prdida de carga en la entradah(l.f) =prdida de carga en la tuberah(l.OL) =prdida de carga en la salidaJ(HR) =prdida de carga en la obra de tomaC(IN) =coeficiente de toma = 1.5C(f) =coeficiente de rozamiento = 0.023V(p) =velocidad en a la tuberaA continuacin se expone un ejemplo de proyecto para un canal secundario que tenga una capacidad mxima de 1000 l/s con una salida de 250 l/s. La anchura del lecho del canal secundario es de1 m. Cada = 1.4m.Proyecto de azud de regulacin para el canal secundarioSe proyecta una seccin de Creager para una anchura de azud de1 my ana altura de0,40 msobre el nivel del lecho o solera aguas arriba.Altura de los murosAplicando la formula:

Datos: Q = 1 m3/s r(s) = 2,00 B(t)=1,00 m H(crt) = 0.63mObtenemos: Aplicando una obra muerta aproximada del 30 por ciento de la profundidad del agua obtenemos:H(wall) = (0,40 + 0,63) * 1,3 = 1,34mEsta altura de los muros de la estructura se aplica tambin al proyecto de canal aguas arriba, de modo que la subida de carga no ocasione el desbordamiento.Longitud del cuenco amortiguadorPara una cada de 1,40m en la obra y una profundidad del agua en el canal aguas arriba de 1,03m, la velocidad aproximada aguas arriba del azud ser:V1=0,97 m/s;Y la energa total ser:HSB =1,40 +1,03 + 0,05=2,48mAplicando la ecuacin de Bernoulli: (3.7)donde: v(j)y H(j)son las condiciones antes del resalto hidrulico.Ahora bien

Sustituyendo el valor de v(j)1en la ecuacin(3.7)

Aplicando la ecuacin, H(j)2=0,5H(j)1obtenemos la profundidad del agua despus del resalto hidrulicoH(j)2= 1,10mLongitud del cuenco amortiguador = (1,10 - 0,15) 5 = 4,75mProyecto de toma en canal terciarioDescarga del canal terciario = 0.25 m3/sVelocidad en la tubera, v(p) = 1,00m/sLongitud de la tubera, L(P) = 100,00mSuperficie hidrulica =Dimetro de la tubera elegida =0,62 m; (superficie = 0,29m2)Las prdidas de carga en la toma son iguales a:J(HR) =h(l,ent)+h(l.f)+ h(l.OL)h(ll.ent) = 1,5(prdidas de entrada)h(l.f) =(prdidas por razonamiento)H(l.out) = 1,0(prdidas de salida)J(HR) =Esto nos indica que el nivel del agua aguas arriba en el canal secundario debe ser 0,08m por encima del nivel en el canal terciario a fin de derivar 0,25m3/s.Diseo hidrulico de una retencin En el diseo hidrulico de una retencin debe tomarse en cuenta:a. El rea de la parte central del cuerpo de la retencin debe ser tal que el tirante y la velocidad se conserven aproximadamente iguales en el canal y en la retencin a fin de evitar prdidas de cargab. La longitud total de la cresta vertedora (parte central ms vertederos laterales) debe dimensionarse de forma que invadiendo parte del borde libre permita pasar un porcentaje del gasto de diseo a fin de garantizar un buen funcionamiento de la estructura cuando ocurran errores en la operacin del sistema. Fijaremos que el gasto a pasar es del 20-40% del gasto de diseo y vamos a verterlo invadiendo un 80% del borde libre en concreto.c. La velocidad en la cresta vertedora no debe ser mayor de 1.10m/s ya que se dificulta la operacin de los tablones.d. Las transiciones deben disearse para evitar prdidas de altura excesiva de manera de mantener el nivel de agua lo ms horizontal posible.Los pasos a seguir en el diseo son los siguientes:a. Determinacin del ancho de la parte central de la retencin "B" de manera que su rea sea igual o mayor que el rea de la seccin del canal

siendo: B: ancho de la parte central de la retencin A: rea de la seccin del canal d: altura de agua en el canal y en la retencin (figura 3.12).

Figura 3.12. Definicin de dimensiones caractersticas en retenciones

b. Determinacin del gasto que pasa por encima de la cresta vertedora,

siendo: Qvert: gasto que pasa por encima de la cresta vertedora L: anchura media de la cresta vertedora es decir: H: 80% del borde libre en concreto C: coeficiente del gasto, su valor aproximado puede tomarse de la tabla #1; generalmente se puede tomar un valor de 1.84Se debe cumplir que Qvert> o = Qnorma = 40% Qdiseo. En caso contrario se debe aumentar B hasta cumplir con esta norma.c. Determinacin de la velocidad sobre la cresta vertedora,

siendo: Vvert: velocidad sobre la cresta vertedora Qvert: gasto que pasa sobre la cresta vertedora Avert: rea vertienteSe debe cumplir que Vvert1.10 m/s. En caso contrario se debe aumentar B hasta cumplir con esta norma.d. Determinacin de las longitudes de las transiciones de entrada y salida. Estas transiciones, como puede verse en el captulo de transiciones, deben tener una longitud tal que el ngulo mximo de la superficie del agua con el eje del canal sea de 1230'.Ejemplo de CalculoDeterminacin del ancho de la parte central:

Figura 3.13 Forma esquemtica de una retencin.

Determinacin del gasto vertiente

>esta bienDeterminacin de la velocidad por encima de la cresta vertedora:

Determinacin de las longitudes de transicin de entrada y de salida.Suponiendo las caractersticas del canal aguas arriba y aguas abajo de la retencin iguales se tiene:

Cuando se trata de retenciones en canales prefabricados el ancho de la parte central es idntico al del prefabricado y slo ser necesario determinar la longitud total de la cresta vertedora para que permita pasar del 20 - 40% del gasto de diseo invadiendo el 80% del borde libre.Ejemplo de Calculo:

a. Ancho de la parte central (B)

b. Determinacin de la longitud de la cresta vertedora (L)

despejando L se tiene:L = ( Qvert) / ( C H3/2)Qvert =40% Qdiseo = 0.40*0.085 = 0.034 m3/sH = 80% B L = 0.80*0.10 =0.08 mH3/2= 0.0226C = 1.92tomado de tabla 1.L = 0.034/ (1.92*0.0226) =0.78 m=0.80 m.c.Calculo de la velocidad sobre la cresta vertedora.Vvert = Qvert / AvertQvert = 0.034 m3/sAvert = L * H = 0.80*0.08 =0.064 m2Vvert = 0.034 / 0.064 = 0.53 m/s < 1.10 m/sd. Determinacin de las transiciones de entrada y salida.Suponiendo que las secciones del canal antes y despus de la retencin son iguales.Lte = Lts = (L - b )/(2*tg 12 30) =(0.8 0.43)/ (2*0.22169) =0.90 m.Tabla 3.5 . Valores de "C" (coeficiente de gasto) para el clculo de retenciones.H

D0.060.150.300.460.610.911.221.52

0.151.972.082.262.442.452.592.712.81

0.30.1.921.942.042.152.252.422.442.51

0.611.911.891.931.992.042.142.232.32

0.911.901.871.891.921.962.032.102.17

1.521.901.861.861.871.891.941.982.03

3.051.901.851.841.841.841.861.881.91

1.901.851.831.821.821.811.811.81

Figura 3.14 Definicin de la relacin H versus d.

Estructura de control y tuberaPara el diseo de estas tomas debemos tener en cuenta que las mismas se derivarn perpendiculares al canal alimentador para facilitar tanto el clculo como la construccin, por lo tanto los canales deben derivarse normales al canal alimentador.En el clculo trabajaremos con las normas dictadas por el Bureau of Reclamation de los Estados Unidos.Generalmente utilizaremos compuertas que se acoplarn a conductos circulares, siendo las dimensiones de las compuertas iguales al dimetro del conducto, este tendr una longitud variable para cada caso especfico, salvo casos especiales como cuando la toma tenga que atravesar una carretera o cualquier otra estructura podemos fijar esa longitud en5 metrospara permitir un sobre ancho de la berma del canal en el sitio de toma por razones de operacin.A continuacin se expone la frmula para el clculo de las prdidas a travs de las compuertas de toma y conductos.E1= E2+ prdida(3.8)Energa a la entrada E1= Y1+ (3.9)Energa a la salida E2= Y2+(3.10)Suponiendo con bastante aproximacin que Y2= D + V1v2Perdidas a travs de la compuerta circularQ = C.A0Donde: Q = Caudal (m/s) C = Coeficiente de la descarga = 0.75 para compuerta de toma g = Aceleracin de gravedad (m/s2) h = Carga necesaria para que pase el caudal Q (m) A0= rea de la tubera (m2)La velocidad del flujo a travs de la compuerta "V0" viene dada por la expresin:

Siendo= carga de velocidad0,78= prdida de carga a vencer o sea prdida de (3.11) carga en la compuerta

Perdida por friccin en la tuberaLa prdida por friccin en el conducto es directamente proporcional al factor de friccin "f" , a la longitud y la carga de velocidad; e inversamente proporcional al dimetro.La expresin es la siguiente: (3.12) Siendo: Vt = velocidad en la tubera L = longitud del conducto D = dimetro del conducto f = factor de friccin hf = prdida por friccin en el conducto

Perdida de transicin de salidaLas prdidas en la transicin de salida son generalmente despreciables en razn a que las velocidades en el conducto y el canal son similares.En el caso de transiciones poco refinadas su valor es 0,25 de la diferencia de cargas de velocidades al comienzo y al final de la transicin.As la frmula es la siguiente:Hs = 0,25(3.13) Donde: Vt= Velocidad en el conducto (m/s) V2= Velocidad en el canal de salida (m/s) g = Aceleracin de gravedad (m/s)Este trmino es despreciable y por lo tanto no se tomar en consideracin. La prdida de carga total ser:Prdidas = 0,78 (3.14)Aplicando continuidad se tieneA0V0= At Vt despejando V0se tiene:V0=Pero Cc; siendo Cc = coeficiente de contraccinV0 =Y la ecuacin (3.14) se transforma en:Prdidas = (3.15) Sustituyendo en la ecuacin (a) se tiene:

Si la velocidad de aproximacin, V1 = 0, luegoes despreciable y a ecuacin se transforma en:

(3.16)Que ser la frmula a utilizar para el clculo de la toma. A continuacin veremos como se obtiene cada uno de los factores que intervienen en ella.Calculo de Vt en el conductoComo se mencion anteriormente utilizaremos conductos circulares de dimetro D igual a las dimensiones de la compuerta de toma, y ese Dlo escogeremos del tal forma que la velocidad en el tubo sea similar a la del canal derivado a fin de evitar prdidas apreciables en la salida.As Vt= donde At =Calculo de coeficiente de contraccin CcPara compuertas planas verticales y relaciones de H/D mayores de 10 normalmente se puede adoptar un valor de Cc. = 0,644 sin cometer un error apreciable en el clculo.SiendoD =dimetro de la tubera (m)H = altura de agua antes de la compuerta, que como se ver ms adelante en la sumergencia es igual a dos veces el dimetro de la tubera(m)Calculo de factor de friccinEl factor de friccin es funcin del nmero de Reynolds "R" y del factorR == Viscosidad cinemtica del agua = 1,12x 10-6 m3/sVt= Velocidad del conducto (m/s)D = Dimetro del conducto (m)e = Espesor de la rugosidad =0,001 piepara concreto = 0,0003mUna vez obtenidos estos valores obtenemos al factor "f" segn la frmula de Swamme (1993).(3.17)Sustituyendo los valores de VtCc y f en la ecuacin (3.16) se obtiene el valor de la prdida de cargaH.

Como hemos visto anteriormente en las tomas de canales, la exigencia en la regulacin del caudal es ms rigurosa que en las tomas de parcela, en las cuales nos ocuparemos de la entrega del agua en las parcelas, y donde hemos venido utilizando estructuras sencillas en las que generalmente se colocan tuberas de acero, hierro dctil o hierro galvanizado y cuando se haga uso de llaves de paso siempre se preferirn stas a las de concreto.Para el clculo hidrulico tomaremos en consideracin las siguientes prdidas de cargaa. Por friccinb. Por entradaPara el clculo de las prdidas por friccin, trabajaremos con la frmula de Chezy modificada por Darcy. (3.12)Donde: hf= Prdida de carga por friccin (L) F = Factor que depende del material y del estado de la tubera L = Longitud de la tubera (L) d = Dimetro de la tubera (L) V = Velocidad del agua en el tubo (LT-1) g = Aceleracin de la gravedad (LT-2)Los valores de " f" podrn obtenerse de la formula de Swame (1993) mostrada anteriormente.b. La prdida de carga por entrada la designaremos por he, y trabajaremos con la frmula siguiente: (3.13)En la cual "ke" es un coeficiente que depende del grado de abocinamiento de la entrada, a tal efecto, se dan los siguientes valores:Para tubo entrante ke = 0.78Para entrada con arista en ngulo ke = 0.50Para entradas con aristas ke = 0.23Para entrada abocinada ke = 0.04Donde V = velocidad en el conducto (m/s)En nuestros proyectos trabajaremos con ke= 0.50 por ser ese el caso de nuestras estructuras de toma. Adems cuando se utilice llave de paso deber considerarse las prdidas de carga de la misma. Con estas frmulas puede el proyectista con base al caudal necesario a derivar y la carga mnima necesaria en el sitio de toma, calcular la estructura.Utilizaremos las frmulas presentadas anteriormente, la cual nos dar la prdida de carga en la toma y con ello podemos esquematizar la estructura.Supngase que de un canal trapezoidal se va a derivar un caudal de185 litrospor segundo(0.185 m3/s)Las caractersticas del canal alimentador en el sitio de toma son las siguientesBase menor o plantilla (b) = 0.40mProfundidad del agua (d) = 0.63mrea (A) =0.79 m2Pendiente del fondo (s) = 0.0005Velocidad (v) = 0.742m/sCaudal (Q) = 0.625 m3/sSabemos que la velocidad en el conducto de la estructura de toma debe ser similar a la del canal derivado, as vamos a suponer que la velocidad en ese canal sea de 0.80 m/s.Por lo tanto;

Luego se hacen tanteos para escoger la compuerta que se ajuste a una tubera para dejar pasar el caudal (0.185 m3/s) sin prdidas apreciables. Por ejemplo, buscamos en un manual de compuertas y seleccionamos una compuerta deslizante Modelo 5.0 de18"x18"y un tubo de dimetro (D) de18"=0.4572 m.

Donde At= rea del conducto donde Vtes la velocidad en el conductoComo est velocidad resulta alta (mayor que 0.8 m/s), entonces se escoge una compuerta mayor dentro del catlogo comercial.La compuerta que sigue es una24"x24"y un tubo de24"= (0.61m) de dimetro.

como esta velocidad es algo menor a la del canal derivado se puede pasar al calculo deH, recordando que: (3.16)Calculo de CcPara esto se pueden utilizar tablas que se encuentran en libros especializados; sin embargo, vamos a suponer que sea 0.644Calculo defEl nmero de Reynolds = R= donde:Vt= velocidad en el tubo = 0.633m/sD = dimetro en el tubo= 0.61m= viscosidad cinemtica del fluido = 1.12 x 10-6m/sR =Luego necesitamos hallar la relacindondees la rugosidad del material que para concreto= 0.0003 = 0.3 x 10-3m y D = 0.61

Ahora calculamos fde donde f = 0.01708o f = 0.017usaremos un tubo de5 mde longitudEsta sera la prdida de carga debido al paso del caudal por la estructura, con el fin de asegurar que pase un caudal un poco mayor y el cual se controlara con la compuerta aproximamos por arriba a un valor deH = 0.07m o sea a7 cm; entonces la perdida de carga que tendramos en la toma es de7 cm; ahora se pasa a esquematizarla.N1= Rasante del canal alimentador en el sitio de toma. Se supone que N1sea 99.669, conocemos el tirante del canal alimentador que es 0.63m; as N10=99.669 +0.63 = 100,299mN10= 100,299m (cota nivel agua en el canal alimentador)Luego suponiendo que el tirante del canal derivado sea de 0.40m; podemos calcular:N2= N10-0.40 -H = 100,299 -0.40 - 0.07 = 99.829 (cota fondo canal derivado).Para el calculo de N8, debemos cumplir con la norma de sumergencia (s); asN8= N10-2D = 100,299 - 2 x 0.61 = 99,079m (cota del piso del tubo a la entrada)N4= N8-0.10 (para empotramiento de la compuerta) = 99.079 -0.10 = 99.069m (cota fondo del empotramiento de la compuerta)N3= N8-L x 0,02 = 99,079- 5x0.02 = 98.979 (cota fondo al final del tubo)El valor de 0.02 corresponde a la pendiente del tuboN5= N1+ d+ BLc+ BLT donde: d = Tirante del canal alimentador = 0.63m BLc = Borde libre en concreto = 0.20m BLt = Borde libre en tierra= 0.10mN5 = 99.669 + 0.63 + 0.20 + 0.10 = 100.599(cota de la parte superior berma).N6 = altura de berma en canal derivadoN7 = N2+ altura del canal derivado Suponiendo la altura del canal en0.54 mN7 = 99.829 + 0.54 = 100.369 (cota berma del canal derivado)N11 = N2+ d (canal derivado) = 99.829 + 0.40 = 100.229 (cota nivel agua en el canal derivado)N9 =N + D + Hc = 99.079 + (0.5 * 0.61) + 1.42 = 100.804 (cota base cabezal de la compuerta)Para obtener Hc se consulta la tabla del fabricante de compuertas que para este ejemplo de una compuerta deslizante Modelo 5.0 de24"x24"es de 1.42m.El diseo hidrulico se acompaa de un planto y tablas con todas las caractersticas de construccin, para los datos encontrados. Un esquema de esta toma se muestra en la Figura 3.8.

Figura 3.8.Estructura de toma en forma esquemtica