Dimensionamiento de alcantarillas - Circular nº 5 de la Oficina de Carreteras Públicas

Dimensionamiento de los pozos de registro según la Circular nº 5 de la Oficina de Vías Públicas.

La ingeniería busca el mejor trabajo al menor coste. Partiendo de esta premisa, en el caso de las alcantarillas si no hay inconveniente en represar o aumentar la profundidad del curso de agua aguas arriba de la obra, si es técnicamente viable en todos sus aspectos (funcional, seguridad, económico y ambiental)

Datos iniciales
- Q - Caudal de diseño, o caudal a drenar
- L - Longitud de la alcantarilla
- HWadm - altura de la NA admisible en la aguas arriba
- n - Coeficiente de Manning
- I - pendiente del pozo
- A - Sección transversal del pozo
Sección crítica - Necesitará los valores de Qc, Vc, Ic y dc del flujo crítico (véase flujo en el régimen crítico )
- dc - empate crítico
- Qc - caudal en condiciones de caudal crítico (Fr=1)
- Vc - velocidad del flujo en condiciones de flujo crítico (Fr=1)
- Ic - pendiente de la alcantarilla para la condición de flujo crítico (Fr=1)
Identificación de variables - para el dimensionamiento, asumiendo el control de entrada y salida:
Supongamos que el control de entrada
El control de la entrada significa que la capacidad de descarga de la alcantarilla está controlada en su entrada por la profundidad del agua embalsada aguas arriba (HW), la geometría de la entrada y la sección transversal de la alcantarilla.
En estas condiciones:
- K, M, Ks, Y, c en según el tipo de pozo
- LimInf, LimSup, Ku dependen del sistema de unidades de medida:
  - Sistema internacional (SI, métrico)
    - LimInf = 1,93
    - LimSup = 2,21
    - Ku = 1.811
  - Sistema imperial (pies)
    - LimInf = 3,5
    - LimSup = 4,0
    - Ku = 1,0
- QAD = Q / (A * D ^ 0,5)
- Condición de entrada
  - No sumergido, si QAD ≤ LimInf
  - Sumergido, si QAD ≥ LimSup, internamente el SWMM se considera sumergida si la pala alcanza el 95% de la altura de la sección
  - Transición, si LimInf < QAD < LimSup
- HWDinput, depende del estado de la entrada:
  - No sumergido
    - Ec - forma de la ecuación, puede ser:
      - Ec = 1: HWDentry = Hc / D + K * (Ku * Q / (A * D ^ 0,5)) ^ M + Ks * I
        En realidad, esta ecuación es más fácil de calcular si se realiza un cálculo iterativo:
        
        QescAD = Qesc / (A*D^0,5)
        
        arbitrar la altura de flujo (Lamina) entre 0 y 100% de D
        
        hLam = Lámina * D
        
        Calcular Am, Pm, B para hLam
        
        yh = Am / B
        
        QAD = Am / A * (g * yh / D) ^ 0,5
        
        Continuar iterativamente hasta que QAD = QescAD
        
        Dónde:
        
        QAD corresponde a Q/(A*D^0,5) de la ecuación de la forma 1, cuando Q=Qc (es confuso)
        Qesc es el caudal de diseño
        QescAD es la relación Q/(A*D^0,5) para Q=Qesc
        yh es la altura hidráulica para el h calculado
        tenga en cuenta que hLam será la altura crítica, es decir, el número de Froude=1, cuando finalice la iteración
        
        HcD = hLam + yh / (2 * D)
        
        Dónde:
        HcD corresponde a Hc/D de la ecuación en forma 1
        h e yh procede del cálculo iterativo anterior
        
        HWDentry = K * (QescAD) ^ M + HcD + Ks * I
      - Ec = 2: HWDentry = K * (Ku * Q / (A * D ^ 0,5)) ^ M
  - Sumergido
    - HWDentry = c * (Ku * Q / (A * D ^ 0,5)) ^ M + c + Ks * I
  - Transición
    Interpolar QAD en la línea (LimInf,hwdInf) a (LimSup,hwdSup):
    - qEscInf = LimInf * A * D ^ 0,5
    - qEscSup = LimSup * A * D ^ 0,5
    - hwdInf = function(no sumergido, qEscInf)
    - hwdSup = function(sumergido, qEscSup)
    - HWDentry = hwdInf + (QAD - LimInf) * (hwdSup - hwdInf) / (LimSup - LimInf)
Dónde:
- Hc - altura específica a la profundidad crítica
- K, M, Ks, Y, c en función del tipo de alcantarilla (véase el cuadro Coeficiente de entrada )
- Ku - conversión de unidades
- LimInf - límite inferior de la relación de caudal (QAD = Q / (A * D ^ 0,5)) no sumergido con control de entrada
- LimSup - límite superior de la relación de caudal (QAD = Q / (A * D ^ 0,5)) sumergido con control de entrada
- Ec - forma de la ecuación para calcular la relación HW/D para el control de entrada (HWDinput)
- HWDinput - Relación HW/D con control de entrada
Asumir el control de salida
El desbordamiento de las alcantarillas con control de salida puede producirse cuando la alcantarilla está total o parcialmente llena, en parte o en toda su longitud
Considéralo:
- dc, altura crítica, calcular iterativamente:
  1. arbitraria dc=hLam entre 0 y D
  2. Calcular, Am, Pm, B para hLam
  3. yh = Am/Pm
  4. v = (g * yh) ^ 0,5
  5. Qcalc = v * Am
  6. Hasta Qcalc = Qesc
- ho = if ( TW >= D ; TW ; ( dc + D ) / 2 )
- Ke = función del tipo de pozo, ver tabla
- H = (1 + Ke + (2 * g * n ^ 2 * L ) / ( Rh ^ (4 / 3) ) ) * V ^ 2 / ( 2 * g )
- HWDsaida = H + ho - I * L
Dónde:
- TW - altura de la lámina que desemboca en el arroyo, aguas abajo de la alcantarilla
- ho - altura piezométrica equivalente
- Ke - coeficiente de pérdida de carga a la entrada de las estructuras
- H - pérdida de carga de entrada
- HWDout - Relación HW/D con control de salida
Adoptar el mayor HWD
- Tipo de control = If ( HWDinput > HWDoutput ; input ; output )
- HWD = Máximo (HWDin, HWDout)
- HW = HWD * D
- V = función de tipo de control:
  - Salida:
    - hLam = function(TW, dc, D)
      - TW = D: hLam = D
      - dc < TW < D: hLam = TW
      - TW ≤ D: hLam = dc
    - Rh = Am / Pm
    - V = Rh ^ (2 / 3) * I ^ 0,5 / n
    Dónde:
    - hLam - altura del talud de drenaje al final de la alcantarilla
    - Am - superficie mojada para hLam
    - Pm - perímetro mojado para hLam
    - Rh - radio hidráulico
    - V - Velocidad a la salida del pozo
  - Entrada
    Funciona como un canal, entonces:
    - arbitrar hLam hasta que Qcalc = Q
    - V = Rh ^ (2 / 3) * I ^ 0,5 / n
    - Qcalc = Am * V
    Dónde:
    - hLam - altura de la lámina de escorrentía arbitrada
    - Am - superficie mojada para la altura de escorrentía hLam
    - Pm - perímetro mojado para la altura de escorrentía hLam
    - Qcalc - caudal calculado para la altura hLam
    - V - velocidad del flujo al final de la alcantarilla
    - Q - flujo de diseño

HY-8 utiliza números de tipo de caudal (tabla siguiente) para ayudar a definir cómo se calcula el caudal de las alcantarillas. Los números de tipo de caudal se basan en los números de tipo de caudal 1 a 6 del USGS (USGS 1968) complementados con:

Simplificación de HW = D para indicar la inmersión en la entrada,
Caudal tipo 7 para control de salida con perfil M1 o M2 (pronto en SOLIDOS) para la mayoría de los pozos de registro con HW> D
Indicadores estándar del perfil de la superficie del agua (S1, S2, M1, M2, H2 y H3, próximamente en SOLIDOS) y
Indicador de aguas residuales (n, c, t y f, próximamente en SOLIDOS) para aguas normales, críticas, residuales y llenas

Tabla 3.1. Tabla de tipos de caudal HY-8
Tipo de Flujo	Tipo de Controlar	Entrada Sumergido HW>D	Salida Sumergido TW>D	Ampliación a Sección completa
1	Entrada	No	No	Nada
5	Entrada	Sí	No	Nada
2	Salida	No	No	Nada
3	Salida	No	No	Nada
4	Salida	Sí	Sí	Todo
6	Salida	Sí	No	Más
7	Salida	Sí	No	Parcial

Fuente: "HYDRAULIC DESIGN OF HIGHWAY CULVERTS", tercera edición, abril de 2012.

Caudal USGS Tipo 1 (control de entrada) - La figura 3.25 muestra el flujo de tipo 1 con agua residual superior a profundidad crítica (S1t). Para este caso, se calcula una curva S1 y se utiliza si la curva S1 se extiende hasta la cara del pozo. Si la curva S1 alcanza la profundidad crítica, se calcula una curva S2 y se compara con la curva S1. y se compara con la curva S1. Si la profundidad subsiguiente para la S2 coincide con la S1 dentro del pozo de registro, se muestra un código JFt y la velocidad de salida se basa en el agua residual. Si la profundidad Si la profundidad subsiguiente no se alcanza en el interior del pozo, se supone que el salto ha sido barrido y se utiliza una curva S2 para calcular la velocidad de salida. se utiliza para calcular la velocidad de salida (S2n). Si el agua residual es mayor que D, el barril fluye lleno al final, se muestra S1f si S1 se extiende hasta la entrada. Si S1 alcanza el punto crítico, se mostrará el código JFf para indicar que la curva S2 salta a caudal lleno en el pozo.
USGS Caudal tipo 5 (control de entrada) - La figura 3.26 muestra el caudal tipo 5 con agua residual inferior a la profundidad crítica (S2n). profundidad crítica (S2n). Si el agua residual (TW) es mayor que la profundidad crítica, se calcula una curva S1 y se utiliza si la curva S1 se extiende hasta la cara del pozo. Si la curva S1 alcanza la profundidad crítica se calcula una curva S2 y se compara con la curva S1. Si la profundidad subsiguiente para S2 corresponde a S1 dentro del pozo de registro, se mostrará un código JFt y la velocidad de salida se basará en el agua de cola. Si no se alcanza la profundidad subsiguiente dentro del pozo de registro se supone que el pozo está barrido y se utiliza S2 para calcular la velocidad de salida. Si el agua de cola es mayor que D, la la alcantarilla fluye llena al final (S1f) se muestra si S1 se extiende hasta la entrada. Si S1 alcanza el valor crítico se mostrará el código JFf para indicar que la curva S2 salta a caudal lleno en la alcantarilla.
Caudal USGS Tipo 2 (control de salida) - La figura 3.27 muestra el tipo de flujo 2 con agua residual por debajo de la profundidad crítica. profundidad crítica. Para este caso (M2c), se calcula una curva M2 a partir de la profundidad crítica en la salida.
USGS Caudal tipo 3 (control de salida) - La figura 3.28 muestra el tipo de flujo 3 con agua residual superior a la profundidad crítica. profundidad crítica. Para este caso (M1t), se calcula una curva M1 a partir de la profundidad del agua residual en la salida.
Tipo de caudal USGS 4 y 6 (control de salida) - La figura 3.29 muestra el tipo de caudal 6 con una profundidad de agua residual superior a la crítica. mayor que la crítica. Para este caso (FFt), el barril fluye lleno en la mayor parte de su longitud. Se calcula una curva M2 empezando en la salida para determinar la longitud de la alcantarilla que fluirá completamente. La profundidad de salida es el agua residual para el caso FFt y es una profundidad crítica para el caso FFc. Para el tipo de caudal 4, el agua residual es superior a la coronación de la alcantarilla en la salida y el barril fluye lleno (FFf)
Tipo de caudal USGS 7 (control de salida) - La figura 3.30 muestra el tipo de flujo 7 con agua residual por debajo de la profundidad crítica. profundidad crítica. Para este caso (M2c), el barril fluye lleno en parte de su longitud. Se calcula una curva M2 calculada a partir de la salida para determinar la longitud de la alcantarilla que fluirá completamente. Salida es la profundidad del agua de cola para el caso M2t y es la profundidad crítica para el caso M2c. Si el agua de cola es mayor que la profundidad normal (M1t), se calcula un perfil M1