Diseño hidraulico de sifones

Ing.Giovene Pérez Campomanes
Diseño Hidráulico de Sifones
1
Universidad Nacional de Trujillo
Escuela de Postgrado
Email: giovene.perez.c@gmail.com

2
En el presente taller “Diseño hidráulico de un
sifón” desarrollaremos los siguientes temas:
Iniciaremos con una breve revisión de
conceptos, básicos: tuberías, ecuación de
energía, ecuación de continuidad, transiciones,
Numero de Froude, acueducto, diferencias entre
acueductos y sifones, posteriormente expondré
todo sobre sifón, sus aplicaciones, criterios para
su diseño; Diseño de un sifón, concluyendo con
una practica dirigida, conclusiones finales y una
evaluación final.

3
Tuberías: Se denomina tuberías a los conductos que
escurren agua completamente llenos y bajo presión.

5
La ecuación de la energía:
ht= hp+hs
hp=fLV2/(D*2*g)
hs=KV2/2g

7
Líneas de gradiente hidráulico y de energía:
•La ecuación de energía en su forma general nos da
dimensiones de longitud.
•La línea de gradiente hidráulico es la suma de la
carga potencial más la carga de presión: P/γ + z
•La Línea de gradiente de energía está formado por la
suma total de energía en el punto analizado:
V 2 / 2g + P/γ + z.

9
•A medida que la velocidad se acerca a cero, la
LGH y la LGE se acercan una a la otra. Así, en
un depósito, esas líneas son idénticas y están
en la superficie.
•La LGE y la LGH tienen una pendiente
descendente en la dirección del flujo a causa
de la pérdida de carga en la tubería. Cuanto
mayor es la pérdida por unidad de longitud,
mayor es la pendiente.

11
Transición: La transición en un canal es una
estructura diseñada para cambiar la forma de un
canal o área de la sección transversal del flujo.
Bajo condiciones normales de diseño, e
instalación prácticamente todos los canales y
canaletas requieren de algún tipo de estructura
de transición hacia o desde los cursos de agua.

13
• La función de dicha estructura es evitar
excesivas perdidas de energía, eliminar las
ondas transversales, otras turbulencias y
suministrar seguridad y curso de agua.
• Cuando la transición está diseñada para
mantener las líneas de corriente suaves y casi
paralelas y para minimizar las ondas
estacionarias, se puede utilizar en el diseño
la teoría del flujo gradualmente variado.

Los tipos más comunes de transición son
transición de entrada y salida entre canal y
canaleta, transiciones de entrada y salida
entre canal y túnel y transiciones de entrada
y entre canal y sifón invertido.
Si el cambio en profundidad o ancho es muy
rápido, el flujo puede hacerse rápidamente
variado y pueden suceder ondas
estacionarias.
15

Transiciones entre canal y sifón invertido:
Se recomienda los siguiente:
En el diseño de una transición de salida, es
deseable generalmente tener la parte superior
de la abertura del sifón ligeramente debajo de
la superficie normal de agua a la entrada. Esta
práctica minimiza la posible reducción de la
capacidad del sifón causada por la
introducción de aire del sifón.
La profundidad de la sumergencia de la parte
superior de la altura del sifón es conocida
como sello de agua.
17

20
Después que se ha determinado el sello de agua
se calcula, la velocidad en el muro cabezal, y la
caída total en la superficie del agua,
despreciando las pérdidas de fricción, es
tomado como 1.1 Δhv,. Un perfil de la superficie
suave se asumió entonces, tangente a la
superficie del agua en el canal en el inicio de la
transición y pasando a través del punto en el
muro determinado por el cálculo aguas arriba
dado.

21
El diseño de una estructura de salida, la
pendiente del fondo no necesita ser tangente a
la pendiente del conducto cerrado en el muro,
como era el caso de la entrada a menos que la
velocidad del sifón sea alta y la pendiente de
transición sea empinada.

22
Número de froude: Se aplica en flujos de
superficie libre, donde existen fenómenos
ondulatorios. Las formaciones de ondas
dependen especialmente de las fuerzas
gravitacionales.
Debemos saber que:
 F= 1: Flujo critico.
 F< 1: flujo subcritico.
 F> 1: Flujo supercrítico.
De donde: (F=Numero de Froude).

23
Es una estructura que cruza el desnivel por
medio de un conducto que se desplace por
debajo del accidente topográfico, lo cual dará
lugar a la configuración de un sifón invertido.
3.3 Sifón:

24
3.4. Aplicaciones:
• Como estructuras de conducción.
• Como estructuras de protección, en este caso
se emplean para dar pase a las aguas de lluvia
o excesos de agua de un canal por debajo de
otro canal.
• Para alimentar surcos de riego: puesto que
permite retirar el agua desde el canal
terciario de riego sin dañar el canal mismo,
que generalmente es de tierra. Estos sifones
son de PVC flexible, de un diámetro de entre
2” y 3”.

27
El canal, por medio de los sifones, incorporará
estructuras que trabajarán bajo presión.
Los sifones pueden ser construidos
superficiales o enterrados. Las estructuras
superficiales se apoyan sobre el suelo, en
trincheras, túneles o galerías, los cuales
permiten una mejor accesibilidad.
Las estructuras enterradas son más simples y
normalmente de menor costo, ya que no
cuentan con soportes, pero su desventaja está
asociada al mantenimiento, por cuanto su
accesibilidad resulta más complicada.

Aliviaderos en forma de sifón: tiene las
siguientes ventajas:
• Permiten pasar grandes caudales con
pequeñas dimensiones.
• Se conectan y desconectan automáticamente
sin tener partes móviles.
• Permiten regular los tirantes con una
exactitud de 10 a 20 cm.
Un gran caudal que comienza a fluir
subidamente a través de un sifón produce una
onda que requiere de costosas estructuras de
disipación de energía.
29

30
La magnitud de la velocidad media en el conducto
que conforma el sifón, puede variar entre 2 a 4 m/s.
La velocidad de flujo está asociada también al tipo
de material del conducto;Zurita considera los
siguientes valores:
 Conductos de fábrica 1.0 a 1.5 m/s
 Tubos de hormigón 1.5 a 2.5 m/s
En todos los casos se deberá incorporar elementos
que permitan la limpieza periódica de los
sedimentos que se acumulen en los sectores bajos a
consecuencia de las reducidas velocidades de flujo
que se presenten durante la operación del sistema.

31
Transiciones de entrada y
salida

32
3.5 Sifones invertidos:
Es una estructura utilizada para atravesar
depresiones o vías de comunicación cuando el
nivel de la superficie libre de agua del canal
mayor es mayor que la rasante del cruce y no hay
espacio para lograr el paso de vehículos o el
paso del agua.

34
los sifones pueden ser de tubería de un solo
diámetro decrecientes hacia abajo.
Un diámetro menor es capaz de soportar una
presión mayor sin necesidad de aumentar el
espesor de las paredes .
El sifón puede destruirse en un terremoto, pero
la mayoría de las piezas son de acero que
pueden volver a emplearse.
El sifón necesita en su construcción de gente
especializada y de equipos de elevación(gruas,
polispastos) y probablemente de suelda.

35
Sifón – Viru- PE Chavimochic

36
Sifón – Viru- PE Chavimochic

37
Las secciones mas recomendadas en los
sifones invertidos son:
 Sección rectangular: Con una relación H/B
= 1.25 y con una sección mínima de H = 1.0
metros y B = 0.80 metros.
 Sección circular: Con un diámetro mínimo de
30´, pueden ser en algunos casos
proyectarse baterías de conductos circulares

39
Transiciones con un ángulo de 12º 30´, tanto en
el ingreso y a la salida se instalan rejas.

41
3.6 Para el diseño de los sifones invertidos
indican:
 Cruce de carreteras
 Cruce de vías férreas
 Cruce con canal o dren
 Cruce de ríos y arroyos

42
3.7 Partes de un sifón invertido:
Consta de las siguientes partes:
Desarenador
Desagüe de excedencias
Compuerta de emergencia y rejilla de entrada
 Transición de entrada
Conducto o Barril
Registros para limpieza y válvulas de purga
Transición de salida

 Estudios topográficos.
 Estudios Hidrológicos e Hidráulicos.
 Estudios Geológicos y Geotécnicos.
 Estudios de Riesgo sísmico.
 Estudios de Impacto Ambiental.
 Estudios de trafico.
 Estudios de trazos de vía.
3.8 Estudios:

46
3.9 Criterios de diseño:
Cuando el caudal por conducir es grande y supera
un conducto de 6.00 metros de diámetro se
diseña una batería de sifones.
Para cargas pequeñas entre 0 y 5 metros, se
prefiere las secciones cuadradas y rectangulares.
Las dimensiones del tubo se determinan
satisfaciendo los requerimientos de cobertura,
pendiente de tubo, ángulos de doblados y
sumergencia de la entrada y salida.

47
Si el sifón cruza un canal revestido se
considera suficiente 0.30 m de cobertura.
Las perdidas de carga por la entrada y salida
para las transiciones tipo cubierta partida, se
pueden calcular rápidamente con los valores
0.1 hv y 0.2 hv respectivamente.

48
 La pendiente de los tubos doblados, no debe
ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo
horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda
transición de concreto a la entrada y la salida
cuando el sifón cruce caminos principales.
 Con la finalidad de evitar desbordes aguas
arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita
de caudales mayores al de diseño, se
recomienda aumentar en un 50% o 0.30 m
como máximo al borde libre del canal en una
longitud mínima de 15 m a partir de la
estructura.

50
A fin de evitar remansos aguas arriba, las
perdidas totales computadas se incrementan
en 10%.
En el diseño de la transición de entrada se
recomienda que la parte superior de la
abertura del sifón, este ligeramente debajo
de la superficie normal del agua, en el diseño
se toma 1.5 veces la carga de velocidad del
sifón o 1.1 como mínimo o también 3´´.

51
 En sifones relativamente largos, se
proyectan estructuras de alivio para permitir
un drenaje del tubo para su inspección y
mantenimiento.
 En sifones largos bajo ciertas condiciones la
entrada puede no sellarse ya sea que el
sifón opere a flujo parcial o flujo lleno, con
un coeficiente de fricción menor que el
asumido en el diseño, por esta razón se
recomienda usar n = 0.008. Cuando se
calculan las perdidas de energía.

52
Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se
ubica ventanas de aireación en lugares donde el
aire podría acumularse.
Cuando el sifón, cruza debajo de una quebrada,
es necesario conocer el gasto máximo de la
creciente.
Para obtener una buena autolimpieza en el sifón
invertido, la velocidad del líquido en su interior
debe ser como mínimo de 0,90 m/s, que,
además de impedir la sedimentación del material
sólido en la tubería, es capaz de remover y
arrastrar los sólidos ya depositados.

53
Un criterio de dimensionamiento alternativo,
que está siendo adoptado con éxito en Brasil,
es el de garantizar una velocidad igual o
superior a 0,60 m/s para el caudal medio, a lo
largo de todo el período de proyecto. Este
criterio, da resultados próximos a aquellos
obtenidos por el uso del anteriormente
expuesto.
La velocidad máxima es función de las
características del material del sifón y de la
carga disponible, pero de un modo general se
aconseja que la misma no supere 3,0 m/s.

54
En el cruce de un canal con una quebrada, el sifón
se proyecta para conducir el menor gasto y lo
suficientemente profundo para no ser socavado,
en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones un
sifón constituye un peligro, principalmente.
Cuando está cerca de centros poblados, siendo
necesario el uso de rejillas pero con la desventaja
de que puedan obturarse las aberturas y causar
remansos.
Las dimensiones del tubo se determinan
satisfaciendo los requerimientos de cobertura,
pendiente en el suelo, ángulos de doblados y
sumergencia de la entrada y salida.

55
 Con la finalidad de determinar el diámetro del
tubo en sifones relativamente cortos con
transiciones de tierra, tanto en entrada como
salida, se puede usar una velocidad de 1 m/seg.
En sifones con transiciones de concreto
igualmente cortos se puede usar 1.5 m/seg y
para sifones largos con transiciones de concreto
con o sin control de entrada entre 3 a 2.5m/seg.
 Con respecto a las pérdidas de cargas totales, se
recomienda la condición que sean iguales o
menores a 0.30 m.

Un equipo de limpieza de
sifones bastante eficiente es
la denominada Bucket-
Machine. Este equipo está
provisto de un motor, que
es responsable del
accionamiento de una
roldana que enrolla y
desenrolla un cable de
acero, que tiene en la
extremidad un recipiente
que se introduce por el
interior de las tuberías,
raspando la solera y
recolectando el material
sedimentado.

57
CANAL SAN JOSE- CANAL CHIMBOTE PE CHINECAS
ENTRADA

CANAL SAN JOSE- CANAL CHIMBOTE PE CHINECAS
SALIDA

 Se recomienda la realización de inspecciones
regulares, a través de las cuales puedan ser
previstas a tiempo la remoción de obstrucciones
incipientes.
 La limpieza puede ser efectuada por diversos
procedimientos.
 Limpieza manual, utilizando raspadores con cables.
 Lavado con agua proveniente de camiones succión
presión.
 Retención temporal del agua en el tramo aguas
arriba del sifón, seguida de una apertura
instantánea de la compuerta en la cámara de
entrada.
 Descarga de fondo en el punto bajo del sifón si las
condiciones locales lo permiten.

Existen también otras fórmulas para calcular la
altura mínima:
ó, el modelo de Polikouski y Perelman
siendo, vt la velocidad media en la tubería del
sifón y D el diámetro de la tubería en metros.
61

3.11Procedimiento propuesto para el diseño
hidráulico:
• Calcular el diámetro de la tubería:
Se puede iniciar el cálculo suponiendo una
velocidad mínima de 1 m/s y el gasto de diseño
Se toma un diámetro comercial y se recalcula la
velocidad para usar V t
62

•Determinar la altura mínima de ahogamiento
a la entrada y salida del sifón con:
Adoptar el mayor valor
g
V
H t
2
5,1
2
min 
63
DVH t **3,0min 
55.0
min )(**5,0
D
V
DH t


2
1
1
h
YHentrada  2
2
2
h
YHsalida 
•Calcular la altura de ahogamiento
proyectada, a la entrada y salida del sifón:
Se debe chequear que :
minHHi 
Para que el sifón siempre trabaje ahogado
64

g
V
hY t
2
2
11  g
V
hY t
2
2
22 
i
i
D
h
cos


h
D
En las expresiones anteriores:
65

66
• Calcular pérdidas de carga:
Pérdidas de carga por transición de entrada y
salida
g
VV
h esct
in
2
)(
*1.0
22


g
VV
h esct
out
2
)(
*2.0
22



67
Pérdidas de carga por entrada al conducto:
Pérdidas de carga por fricción en el conducto:
g
V
kh e
2
*
2
2
3  tVV 2



g
V
kh occd
2
*)
90
(
2
2
L
RC
V
h t
f *)
**8508.0
( 8518.1
63.0


68
Pérdidas de carga por cambios de dirección o
codos:
Pérdidas de carga por accesorios:



g
V
kh occd
2
*)
90
(
2
g
V
kh
2
*
2


69
Pérdida de carga total:
 ifft hh
Verificación Final
0 fthH

71
PROCEDIMIENTO DE CALCULO
1. Calcular las dimensiones del canal:
2. Calcular las dimensiones del conducto:
2.1 Si se conoce el caudal, y suponiendo una velocidad ( V=2 m/s),
aplicando la ecuación de continuidad se tiene:
2.2 Definir el tipo de sección transversal del conducto:
 Circular
 Cuadrada
 Rectangular
2.3 Calcular las dimensiones:
Si la sección es circular :
2.4 Recalcular v :

72
3. Calcular las transiciones:
3.1 Calcular la transición exterior de trapezoidal a rectangular:
De donde:
Le = Longitud transición exterior
T = espejo del agua
t = D = diámetro del conducto
3.2 Calcular la longitud de la transición interior de rectangular a
circular.
Li= 1.5*D
De donde:
Li = Longitud transición interior
D = Diámetro del conducto

73
4.2 Calcular las perdidas totales
aproximadas:
: Sumatoria de las perdidas
totales.
Para una tubería llena.
Para lo cual:

4.3 Si ; No hay problema para continuar los cálculos:
5. Cálculos en el sifón:
5.1 Calculo de y2 y hts
Aplicar la ecuación de la energía entre 1 y 2 :
De donde hts debe ser positiva.
Sabiendo que Ks = 0.2
5.2 Calcular el % de ahogamiento a la salida del sifón:
Verificar que el % de ahogamiento >= 10 %.
74

5.3 Calculo de p3/ɤ y hs
Aplicando la ecuación de la energía entre 3 y 2 :
De donde:
y3 = D ( aprox.)
Z3 = Z2
5.4 Calculo de la ecuación de la energía entre 4 y 3 :
75

Δ = 12 °
5.5 Cálculos de y5 , he:
Donde :
Z5 = Z4
y4 = D.
Ke = 0.1
76

5.6 Calculo del % de ahogamiento en la entrada del sifón 77
Verificar que el % de ahogamiento >= 10 %.
5.7 Calculo de y6 y hte :
Aplicando la ecuación de la energía entre 6 y 5 :
De donde:
Z6-Z5 = es la diferencia de cotas entre estos puntos

78
Debemos considerar que hte es positivo.
5.8 Calculo de las perdidas totales:
De donde:
ht = perdidas totales
hte = perdidas en las entradas
he = perdidas en la entrada ( reducción)
hf = perdidas de fricción en el conducto
hcodos = perdida en los codos
hs = perdida en la salida ( ampliación).
hts = perdida por la transición de salida.
5.9 debemos comparar ht con el
Si , el conjunto de perdidas es absorbido por la diferencia
de cotas.
Si realizar cambios, los cambios que pueden realizarse
son: diámetro de la tubería y manejo de las cotas

79
EL VALOR DE Ke, PARA LAS DIFERENTES CONDICIONES DE ENTRADA
TIPO DE ENTRADA VARIACION PROMEDIO
Para entradas con aristas rectangulares instaladas al ras en
los muros de cabeza verticales
0,43-0,70 0,5
Para entradas con aristas redondeadas instaladas al ras en
muros de cabeza verticales r/D >= 0,15
0,08 -0,270 0,1
Para tubo de concreto de espiga o de campana instalado al
ras en el muro de cabeza vertical
0,10 -0,33 0,15
Para tubos de concreto salientes con extremos de espiga o
campana
0 0,2
Para tubos de acero o de metal ondulado 0,5-0,9 0,85

81
DATOS PARA LA SELECCIÓN DEL DIAMETRO DE TUBERIAS
Transición de Tierra
Vmax= 1,06 m/s
Transicion de Concreto
Vmax= 1,52 m/s Tuberías
Caudal (m3/s) Caudal (m3/s) Diámetro ( pulg.) Diámetro ( cm.) Área ( m2)
0 -0,076 0-0,11 12 30,48 0,073
0,077 - 0,112 0,111-0,173 15 38,1 0,114
0,123 - 0,176 0,174-0,249 18 45,72 0,164
0,177 - 0,238 0,250-0,340 21 53,34 0,223
0,239-0,311 0,341-0,445 24 60,96 0,292
0,312-0,393 0,446-0,564 27 68,58 0,369
0,394-0,487 0,565-0,694 30 76,2 0,456
0,488-0,589 0,695-0,841 33 83,82 0,552
0,590-0,699 0,842-1,00 36 91,44 0,656
0,700-0,821 1,001-1,175 39 99,06 0,771
0,822-0,954 1,176-1,362 42 106,68 0,894
0,955-1,096 1,363-1,563 45 114,3 1,026
1,097-1,246 1,564-1,778 48 121,92 1,167
1,247-1,407 1,779-2,008 51 129,54 1,318
1,408-1,578 2,009-2,251 54 137,16 1,478
1,579-1,756 2,252-2,509 57 144,78 1,646
1,757-1,946 2,510-2,781 60 152,4 1,824
1,947-2,146 63 160,02 2,011
2,147-2,356 66 167,64 2,207
2,357-2,574 69 175,26 2,412
2,575-2,803 72 182,88 2,626

 A través de la gran generación de turbulencia
también se puede alcanzar aguas abajo una
distribución uniforme de las velocidades.
 Las construcciones a realizar se deben hacer
en coordinación con los beneficiarios.

Se tienen diferentes factores que se
consideran en el diseño de canales, y por
cierto en el diseño de las obras de arte,
aunque el diseño final se hará
considerando las diferentes posibilidades y
el resultado será siempre una solución de
compromiso, porque nunca se podrán
eliminar todos los riesgos y desventajas,
únicamente se asegurarán que la
influencia negativa sea la menor posible y
que la solución técnica propuesta no sea
inconveniente debido a los altos costos.

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