Sifón invertido en canales: pérdidas de carga en entrada, fricción, codos y salida

Cuando un canal tiene que cruzar una quebrada, un camino o una depresión del terreno y no hay altura para un acueducto, la solución clásica es el sifón invertido: el agua baja por un conducto a presión, pasa bajo el obstáculo y vuelve a subir al canal de salida. Funciona sin bombas, solo con la diferencia de niveles, y por eso tiene una condición inapelable: el desnivel disponible debe pagar todas las pérdidas. Si no alcanza, el canal de aguas arriba se remansa, se come el borde libre y el sifón pasa a ser el cuello de botella de todo el sistema.

Balance de energía

Entre la superficie libre del canal de entrada y la del canal de salida se exige:

donde $\Delta H_{disp}$ es el desnivel entre ambas superficies, $h_e$ la pérdida en la transición de entrada, $h_f$ la fricción en el conducto, $h_c$ la suma de pérdidas en codos y $h_s$ la pérdida en la transición de salida. El 10 % adicional es un margen habitual en la literatura de estructuras de canales para rejillas, juntas y envejecimiento del revestimiento.

Transiciones

Las pérdidas de entrada y salida se expresan como fracción del cambio de carga de velocidad entre canal y conducto:

con $V_t$ la velocidad en el conducto y $V_c$ la del canal. Los coeficientes dependen de la forma de la transición (valores de Hinds recogidos por Chow en Open-Channel Hydraulics):

Fricción y codos

Con el conducto lleno se usa Manning con radio hidráulico $R = D/4$:

Para cada codo de deflexión $\theta$ (grados) es frecuente en los textos de diseño de canales la expresión empírica $h_c = 0{,}25\sqrt{\theta/90}\;V_t^2/2g$. Dos criterios complementarios: velocidad en el conducto del orden de 1,5 a 3,0 m/s, para no sedimentar sin disparar la fricción, y un sello de agua sobre la clave de la entrada del orden de $1{,}5\,\Delta h_v$ (criterio USBR), para que no entre aire.

Ejemplo resuelto

Canal trapezoidal de $b = 1{,}00$ m, talud 1:1, tirante normal $y = 0{,}90$ m y $Q = 1{,}50$ m³/s (el tirante se obtiene con la calculadora de Manning). El sifón mide $L = 140$ m, es de hormigón ($n = 0{,}013$), tiene dos codos de 20° y transiciones rectas ($K_e = 0{,}30$, $K_s = 0{,}50$). El desnivel disponible es $\Delta H_{disp} = 1{,}20$ m.

En el canal: $A = (1{,}00 + 0{,}90)\times 0{,}90 = 1{,}71$ m², $V_c = 0{,}877$ m/s y $V_c^2/2g = 0{,}039$ m. Cada codo aporta $0{,}25\sqrt{20/90} = 0{,}118$ cargas de velocidad.

Con $D = 0{,}90$ m: $R = 0{,}225$ m y $h_f = \dfrac{0{,}013^2 \times 2{,}36^2 \times 140}{0{,}225^{4/3}} = 0{,}961$ m. La suma es 1,223 m y con el margen llega a 1,346 m: faltan 0,146 m y el canal se remansaría. Cambiar a transiciones alabeadas solo baja el total a 1,211 m, todavía insuficiente, porque la fricción es el 79 % de las pérdidas.

Con $D = 1{,}00$ m el total es 0,780 m, bajo los 1,20 m disponibles, con $V_t = 1{,}91$ m/s dentro del rango usual. Sobran 0,42 m, que pueden usarse para bajar la cota de salida o como reserva ante el aumento de rugosidad. El sello mínimo en la entrada es $1{,}5 \times 0{,}147 = 0{,}22$ m.

Errores frecuentes

• Pensar que las transiciones resuelven todo. En sifones largos manda la fricción; el diámetro es la variable que realmente pesa.
• Calcular solo con el caudal de diseño. Con caudales bajos el nivel de entrada cae, se forma un resalto en la bajada y el aire atrapado reduce la capacidad y genera golpeteo.
• Omitir la rejilla y la purga. Sin rejilla entra basura; sin válvula o cámara de desagüe en el punto bajo, el sedimento se acumula y no hay cómo vaciar el sifón para mantención.
• Olvidar la flotación y la socavación. Un conducto vacío bajo una quebrada puede flotar, y una crecida puede descubrirlo si no queda bajo la profundidad de socavación.
• Usar el $n$ de tubo nuevo. Conviene verificar también con un $n$ envejecido.

Relacionado: diseño de canales y borde libre, cómo elegir el n de Manning y pérdida de carga en tuberías.