Diseño de Sistemas Hidráulicos. Unidad I. Clase 2.

DISEÑO DE SISTEMAS HIDRÁULICOS

Prof. Ing. José Antonio Ugalde Herrera

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1.

Unidad i diseño de canales prismáticos

1.

SECCIONES DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA

secciones de máxima eficiencia hidráulica

La sección de un canal con mayor magnitud dada que permite que escurra el mayor caudal se conoce como: Sección de máxima eficiencia hidráulica.

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secciones de máxima eficiencia hidráulica

Considerando un canal de sección constante:

Entonces Q será máximo cuando R sea máximo

Si n, A y S son constantes, entonces:

Por lo tanto: Q es máximo si P es mínimo, con A constante.

secciones de máxima eficiencia hidráulica

secciones de mínima infiltración

Si un canal no está revestido y se encuentra sobre un material permeable se requiere tener una sección con las menores pérdidas posibles de agua. La infiltración está en función del tirante.

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consideraciones económicas

Considerando un canal de sección constante:

Volumen a revestir:

Terreno a expropiar:

2.

ENERGÍA ESPECÍFICA Y REGIMEN CRÍTICO

ENERGÍA ESPECÍFICA

Se define como la energía por kilogramo de agua que fluye de la sección, medida con respecto al fondo del canal.

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Curvas de ENERGÍA ESPECÍFICA

Info

regimen crítico

Se dice que un canal, o alguna sección de él, está trabajando bajo un régime crtíco, cuando:

1. Posee la energía específica mínima para un caudal dado, o
2. Posee el caudal máximo para una energía específica dada, o
3. Posee la fuerza específica mínima para un caudal dado.

Los términos del régimen crítico se definen

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"Un canal trapezoidal tiene un ancho de solera b = 1, talud Z = 1 y debe conducir un caudal de 3 m3/s. Calcular el tirante crítico, la energía específica mínima y la pendiente crítica si el coeficiente de rugosidad es n = 0,015"

3.

condiciones hidráulicas y no hidráulicas para el diseño

consideraciones prácticas para el diseño de canales

condiciones hidráulicas

Por tipo de flujo

Donde: v = velocidad (m/s) g = aceleración de la gravedad (m/s2) A = área hidráulica (m2) T = espejo de agua (m)

Para: F > 1: flujo súper crítico F = 1 flujo crítico F < 1 flujo sub crítico (recomendado)

Condiciones no hidráulicas

1.

Topografía del eje de la ruta del canal

4.

Hidrología e hidrografía

2.

Geología

5.

Hidrogeología

3.

Condiciones ambientales

tipos de sección Hidráulica

ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN CANAL

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pendiente o rasante de un canal de riego

Es la alineación del fondo del canal a lo largo de su recorrido, puede ser uniforme o variar por tramos. Esta en función de la topografía del terreno que sigue el eje del trazo y según el tipo del canal, sea principal o secundario.

La pendiente de un canal es uno de los factores más importantes para el diseño y depende directamente de las condiciones topográficas y del aprovechamiento económico que se deriva de la condición del agua.

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talud de un canal

El talud (Z) representa el grado de inclinación de los lados que forman la caja del canal con respecto a la horizontal.

Es la relación de la proyección horizontal con la vertical de la inclinación de las paredes laterales.

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Rugosidad del canal

La rugosidad depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supone que el canal está recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme. Sin embargo, el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservará con el tiempo, lo que quiere decir que en al práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad.

Es la resistencia al flujo del agua, que presentan los revestimientos de los canales artificiales y la geología del cauce en los conductos naturales; se relaciona principalmente a las condiciones y al estado de conservación de los revestimientos. El coeficiente de rugosidad depende del material, de su acabado y de su deterioro con el tiempo.

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CAUDAL

Generalmente el caudal será un dato de partida para el diseño.

Este depende del uso:

• Riego: caudal requerido para riego de acuerdo al área.
• Desfogue de aguas pluviales: consideraciones hidrológicas, cobertura y área de drenaje.
• Canales de conducción: caudal de diseño del proyecto.

Formula de manning para conocer el caudal

Donde: Q = caudal (m3/s) n = rugosidad A = área (m2) R = radio hidráulico

Criterios para el cálculo del tirante de agua

Los criterios que debe usar el/la ingeniero/a proyectista debe ser los óptimos, teniendo en cuenta todos los factores de agua y suelo, y del área al cual abastecerá dicho canal.

Se necesita conocer: La sección de máxima eficiencia hidráulica La sección de mínima infiltración

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Velocidad Máxima y mínima Permisible del agua en canales

La determinación de la velocidad del agua en un canal es fundamentalmente para evitar dos problemas que afectarían el normal funcionamiento del canal y de no tenerse en cuenta, hasta provocarían el colapso del mismo, estos son: La erosión La sedimentación

En canales sin revestimiento las velocidades, tanto mínima como máxima están en un rango de: 0.63 m/s - 0.96 m/s.

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Ancho de solera

Resulta útil en el diseño fijar el ancho de solera para mayor facilidad.

En canales pequeños esta en función de la maquinaria a utilizar (ancho de la pala.

Pueden utilizarse recomendaciones en función del caudal:

BORDO LIBRE

Es el desnivel entre la superficie libre del agua para el tirante normal y la corona de los bordes del talud del canal.

En canales revestidos:

Permite manejar caudales extraordinarios (mayores caudales de diseño)

Existen otros críterios prácticos:

En canales no revestidos:

PROFUNDIDAD TOTAL (H)

Es la profundidad total del canal y se encuentra una vez conocido el tirante del agua y el bordo libre:

Puede ser variable de acuerdo a la variación del bordo libre con la topografía.

ANCHO DE CORONA

Es el ancho de los bordes del canal en su parte superior.

Depende del tipo de obra.

En canales grandes se deja un ancho suficiente para que pueda transitar un vehículo.

En canales pequeños C puede ser aproximadamente igual al tirante.

En función del caudal se puede considerar:

• C = 0,6 m para Q <0,50 m3/s
• C= 1,0 m para Q >0,50 m3/s

Diseño de la sección hidráulica

Está basado en la determinación de las medidas geométricas e hidráulicas del canal. Las medidas geométricas trabajables para el diseño serán medidas constructivas.

El diseño de secciones hidráulicas más usadas son la rectangular y trapezoidal que son canales que deben tener las condiciones de máxima eficiencia hidráulica y mínima infiltración si son sin revestir o sección de máximas eficiencias hidráulicas para canales revestidos.

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3.

Programa Hcanales

v 3.0

Hcanales

Es un programa computacional que facilita el diseño de canales y estructuras hidráulicas. Permite simplificar los cálculos para determinar: tirante critico, tirante normal, curva de remanso, caudales, resalto hidráulico, entre otros.

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"Dado un canal trapezoidal, con un ancho de base de 3 metros, con talud 1.5:1, una pendiente longitudinal S = 0,0016 y un coeficiente de rugosidad de 0,013. Calcule el caudal y la velocidad normal, sabiendo que el tirante normal es de 2,60 m."

Ejercicio 1

"Un canal rectangular excavado en tierra debe transportar un caudal de 5 m3/s, la pendiente del lecho es 0,0015. ¿Cuál debería ser la profundidad para flujo normal?."

Ejercicio 2

"Un canalón de madera tiene como sección transversal un triángulo isóceles con un espejo de agua de 2,40 m y una altura de 1,80 m. ¿A qué profundidad fluirán de un modo uniforme 5 m3/s, en este canal si el mismo está colocado sobre una pendiente de 0,01."

Ejercicio 3

"Se tiene un canal no revestido con coeficiente de rugosidad n= 0,025, de sección trapezoidal, que conduce un caudal de 15 m3/s, y tiene un ancho de solera de 3 m, un tirante de 3 m, talud de 1 y la longitud del canal es de 60 km; además, se sabe que se ha excavado en un suelo Franco Arenoso, para el que se tiene un coeficiente K= 5x10^-6 cm/seg. Determine las pérdidas por infiltración por km y determine el caudal final."

Ejercicio 4

Con lo anterior se puede concluir que la relación que minimiza la infiltración en el canal es:

Algunos valores de Z a tomar en el diseño hidráulico de un canal

Hcanales

Desarrollado por el ingeniero Máximo Villón Béjar, constituye una herramienta muy poderosa de cálculo, fácil de utilizar que permite:

• Simplificar los cálculos tediosos que se requieren en el diseño de canales y estructuras hidráulicas.
• Realizar simulaciones, variando cualquier prámetro hidráulico como: diferentes condiciones de rugosidad, pendiente, forma y dimensiones del canal.
• Reducir enormemente el tiempo de cálculo.
• Optimizar técnica y económicamente el diseño de un canal.

Caudal o gasto crítico

Es el caudal máximo para una energía específica determinada, o el caudal que se producirá con una energía específica mínima.

Para realizar el diseño

de la sección del canal, es necesario tener datos como:

• Talud (Z)
• Coeficiente de rugosidad (n)
• Caudal de diseño (Q)
• Pendiente (S)

Sección de Máxima Ediciencia Hidráulica y Mínima Infiltración

Son las secciones cuyo diseño tiene la finalidad de que el canal transporte el caudal máximo y tenga una mínima pérdida de infiltración, estos diseños se realizan para canales sin revestimiento, o sea, en canales de tierra, esta sección viene a ser el promedio de M.E.H y mínima infiltración.

Relación base - tirante

Tirante crítico

Es el tirante hidráulico que existe cuando el caudal es máximo, para una energía específica determinada, o el tirante al que ocurre un caudal determinado con la energía específica mínima.

Sección de Máxima Eficiencia Hidráulica

Es aquella que teniendo menor área hidráulica, permite descargar el máximo caudal. Dicho de otro modo, es aquella sección que tiene el mínimo perímetro mojado. Fundamentalmente se utiliza para canales revestidos pues minimiza el volumen de revestimiento.

Relación Base - Tirante

Área hidráulica (A): superficie ocupada por el líquido en una sección transversal normal cualquiera.

Perímetro mojado (P): parte del contorno del conducto que está en contacto con el líquido.

Profundidad media: relación entre el área hidráulica y el espejo de agua.

Radio hidráulico (R): dimensión característica de la sección transversal, hace las funciones del diámetro en tuberías.

Principalmente se considera en el diseño de los canales, la temperatura y sus variaciones. Influye en el fraguado del concreto para canales revestidos.

Nos permite conocer las láminas de precipitación, así como su distribución temporal durante el año. Facilita el diseño de cunetas de drenaje. Nos proporciona la ubicación de los cauces naturales que cruzan el canal y facilita la ubicación o distanciamiento entre aliviaderos laterales en los canales principales.

Sección de Mínima Infiltración

Si un canal está trazado sobre un terreno bastante permeable se hace necesario diseñar una sección que permita obtener la menor pérdida posible de agua por filtración.

Relación base - tirante Se muestra un cuadro de la relación o base - tirante para secciones de mínima infiltración para diferentes taludes.

Régimen Supercrítico

Son las condiciones hidráulicas en las que los tirantes son menores que los críticos, las velocidades mayores que las críticas y los números de Froude mayores que 1. Es un régimen rápido, torrencial, pero perfectamente estable, puede usarse en canales revestido.

Tipos de Flujos

Velocidad crítica

Es la velocidad media cuando el caudal es crítico.

Régimen subcrítico

Son las condiciones en las que los tirantes son mayores que los críticos, las velocidades menores que las críticas y los números de Froude menores que 1. Es un régimen lento, tranquilo, fluvial, adecuado para canales principales o de navegación.

Nos ofrece información de los niveles freáticos o superficie piezométrica, de tal manera de poder diseñar detalles especiales de drenaje en la caja del canal (lloradores), de suma importancia para canales revestidos con concreto, ya que los efectos de sub presión sobre el revestimiento resulta perjudicial para la estabilidad de los taludes, sobre todo cuando el canal está vacío.

Para canales sin revestir

En forma práctica, los valores del coeficiente de rugosidad que se usan para el diseño de canales alojados en tierra están comprendidos entre 0.025 y 0.030.

Para cauces naturales

El valor de “n” es muy variable dependiendo generalmente del tipo y tamaño del material que conforman el lecho del cauce así como también del tipo y tamaño del tipo y densidad de vegetación existente en el cauce. En nuestras zonas generalmente los valores de “n” están 0.060 – 0.070.

Resumen

Elección del talud de un canal

Por Limitación Topográfica Cuando el eje de trazo por ruta que sigue un canal atraviesa una zona topográficamente accidentada (ladera empeñada), esta se convierte en una limitante para la selección del talud. Se obliga a reducir el ancho de corte de plataforma para disminuir volúmenes excesivos de corte y garantizar la estabilidad del talud superior, por lo tanto el ancho superficial del canal tiene que disminuir llegando al limite de que la inclinación sea nula y las paredes del canal sean verticales (canal de sección rectangular).

Por Estabilidad del Suelo Cuando los suelos en los cuales se alojará la caja del canal son de diferentes texturas puede ser arcillosos, arenosos, rocosos, etc. que es un factor condicionante para seleccionar el talud del canal. En estos casos el talud del canal tendrá la inclinación necesaria que garantice su estabilidad durante el tiempo de servicio del canal.

Pendiente crítica

Es el valor particular de la pendiente del fondo del canal, para la cual éste conduce un caudal Q en régimen uniforme y con energía específica mínima, o sea, que en todas sus secciones se tiene el tirante crítico, formándose el flujo crítico uniforme.

En la figura se muestra que para una determinada energía específica existen dos valores del tirante: y1, y2, denominados tirantes alternos o tirantes correspondientes, excepto en el punto en que la energía específica es la mínima con la cual puede pasar el caudal Q a través de la sección y para la cual existe un solo valor del tirante, yc, denominado tirante crítico y a la cual corresponde una velocidad llamada crítica. El estado del flujo que se desarrolla con el tirante crítico recibe el nombre de estado o régimen crítico.

Determinación del coeficiente de rugosidad

Para canales revestido con concreto:

• Concreto liso 0.013
• Concreto bien acadado, usado 0,014
• Concreto frotachado 0,015
• Concreto sin terminar 0,017

Muestra el relieve uniforme o quebrado del suelo a lo largo del eje del canal, según esto se determina la pendiente.

Para canales no revestidos y revestidos según material

La excavación es uno de los mayores costos que intervienen en la construcción de un canal.

Es posible pantear una sección donde se tenga la menor excavación para un caudal dado y una pendiente conocida.

Otras reglas empíricas

USA

India

Otros

Relación entre el tirante y E

El concepto de energía específica, mediante su adecuada consideración permite resolver los más complejos problemas de transiciones cortas en las que los efectos de rozamiento son despreciables.

Suponiendo que Q es constante y A es función del tirante, la energía específica es únicamente del tirante.

Ofrece información sobre la conformación del suelo donde se alojará la caja del canal, nos ayudará a determinar el talud de la caja y el coeficiente de Manning para canales sin revestir.