FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL

ESCUELA POLITECNICA NACIONAL

HIDRAULICA APLICADA

INTEGRANTES:IVAN LITUMA

JULIANA ROMEROBRIAN CAGUA

KARINA CAMPIÑOKEVIN PANTOJA

DISEÑO DE CANALES CON FLUJO UNIFORME

CANALES NO EROSIONABLES

INTRODUCION

MATERIAL Y REVESTIMIENTO

VELOCIDAD MINIMA PERMISIBLE

PENDIENTES

BORDE LIBRE

SECCIÓN HIDRAUÑICAMENTE OPTIMA

CALCULO DE LA SECCÓN

A. CANALES NO EROSIONABLES

• 1 ) Canal no erosionable

La mayor parte de los canales revestidos pueden resistir la erosión de manera satisfactoria a estos se les considera no erosionables

Criterios de diseño

La velocidad máxima permisible y la fuerza tractiva no hace criterio de diseño, sino, se calcula las dimensiones del canal y luego se decide las dimensiones finales de acuerdo a la eficiencia hidráulica, aspectos económicos y/ó constructivos

Factores considerables son: Clase de material que conforma el cuerpo del canal, velocidad mínima permisible, pendiente del fondo del canal, y pendientes laterales, borde libre y sección más eficiente

MATERIAL DE REVESTIMIENTO NO EROSIONABLE

• Su uso depende de la disponibilidad y del rubro destinado para esto.

• Es utilizado para evitar la erosión del canal y/ó evitar la perdida de agua por erosión

• Tipos: hormigón, mampostería, hierro fundido, acero, madera, vidrio , plástico, etc.

• VELOCIDAD MÍNIMA PERMISIBLE

• Es la velocidad mínima que debe haber en el canal para que se garantice que no haya sedimentación de agregados y no haya crecimiento de plantas marítimas o musgo.

• El valor de esta velocidad es muy incierta. Se recomienda utilizar un valor en rangos entre 2 a 3 [ft/s] si el porcentaje de limos en el canal es bajo, además de una velocidad media de 2.5 [ft/s] para evitar el crecimiento de plantación que cambie la efectividad hidráulica del cana.

• PENDIENTES DEL CANAL

• 1) Pendiente longitudinal

Esta depende en general de la topografía por donde va a transcurrir el canal y de la energía necesaria para la transportación del caudal.

También se puede considerar efectos de diseño en la pendiente debido al tipo de uso que se le va a dar al agua.

• PENDIENTES DEL CANAL

• 2) Pendientes laterales

Confinadas principalmente a que cumplan con: alta eficiencia y estabilidad hidráulica.

Dependen principalmente de la clase de material

Otros factores:

Métodos de construcción, perdidas por infiltración, los cambios climáticos, el tamaño del canal, etc.

PENDIENTES LATERALES APROPIADAS PARA CANALES CONSTRUIDOS EN DIFERENTES CLASES DE MATERIALES

Material Pendiente lateral

Roca Aproximadamente vertical

Estiércol y suelos de turba ¼ : 1

Arcilla rígida ó suelos con recubrimiento de hormigón

½ :1 ó 1:1

Suelo con recubrimiento de piedras 1:1

Arcilla firme ó tierra en canales pequeños 1 ½ :1

Arena suelta 2:1

Arcilla porosa 3:1

• BORDE LIBRE

• Es la distancia vertical entre la parte superior del canal hasta el espejo de aguas en el diseño del canal.

• Esta distancia debe estar diseñada pensada en que nunca haya un reboses de agua por los lados.

• En el diseño es común el uso de bordes libres que varían desde menos 5% a más del 30% de la profundidad del flujo.

• Si las canaletas son metálicas no mayores que el 80% de la velocidad crítica con un máximo de 8 [ft/s].

• En canaletas de alta velocidad o deflexiones se producen ondas que tuviesen que ser prevenidos del desborde.

• De acuerdo con con U.S Bureau of reclamation los estudios preliminares se hará con F=(cy)^0.5

Donde : F: el borde libre en pies.

y: profundidad del agua en el canal

c: coeficiente que varia de 1.5 a 2.5

El revestimiento dependerá de :

*tamaño del canal

*velocidad del agua

*curvatura de alineamiento

*entrada de aguas lluvia o aguas de drenaje

Fluctuaciones del nivel de agua debido a la operación de estructuras reguladoras del flujo y acción del viento

• BORDE LIBRE

• BORDE LIBRE

• SECCIÓN HIDRÁULICA ÓPTIMA

• La conductividad de una sección se incrementa con el aumento en el radio hidráulico o la disminución en el perímetro mojado, por consiguiente, el menor perímetro mojado para un área determinada tiene la máxima conductividad a esto se denomina sección hidráulica óptima.

• En general, una sección de canal debe diseñarse para cumplir con una eficiencia hidráulica óptima pero debe modificarse para tener en cuenta aspectos constructivos.

SECCIONES HIDRÁULICAS ÓPTIMAS

CÁLCULOS DE LAS DIMENSIONES DE LA SECCIÓN.

• 1) recolectar toda la información necesaria, estimar n y seleccionar s

• 2) Calcular el factor de sección AR^2/3 AR^2/3 = (nQ)/1.49(s^0.5)

• 3)Sustituir el valor del factor encontrado y sustituir los valores de A y R en función de la profundidad de la tabla de secciones óptimas.

• Algunos Ingeniero prefieren una solución por ensayo y error.

• 4)Para el diseño de canales de irrigación pueden utilizarse algunas reglas empíricas.

y= 0.5(A^0.5)

Donde A : área mojada.

• 5)Verificar la velocidad mínima permisible si el agua mueve sedimentos.

• 6) añadir el borde libre apropiado a la profundidad de la sección de canal.

CANALES EROSIONABLES

INTRODUCION METODOS DE APROXIMACIÓNVELOCIDAD MAXIMA PERMISIBLEMETODO DE LA VELOCIDAD PERMISIBLE

FUERZA TRACTIVA METODO DE LA FUERZA TRACTIVASECCION HIDRAULICAMENTE ESTABLE

• El análisis de este “tipo” de canales es muy complejo por ello para un trabajo inicial (pre-factibilidad) se emplean los “Métodos de aproximación”, entre ellos:

Método de la velocidad permisible.

Método de la Fuerza tractiva.

B. CANALES EROSIONABLES

Es la degradación y el transporte de suelo o roca que producen distintos procesos en la superficie de la Tierra (Fig. 01).

Fig. 01. Cárcavas: formas de erosión en las Bardenas Reales.

EROSIÓN DEL SUELO:

Fig. 02. Cárcavas: formas de erosión en las Bardenas Reales.

SOCAVACIÓN DE LOS SUELOS:

Es un problema del tránsito de sedimentos, resultado de la erosión causada por el agua excavando y transportando material del lecho y de los bancos de los ríos. (Fig. 02).

• MÉTODO DE LA VELOCIDAD MÁXIMA PERMISIBLE

• Este método hace referencia a que el flujo de “agua” debe circular en el canal con una velocidad inferior o a lo sumo igual a la erosionable (máxima permisible), por lo general se analiza para la condición critica (igual).

INCIERTA

VARIABLE

VELOCIDAD MAXIMA

PERMISIBLE

SE LA DEBE ASUMIR CON

CRITERIO INGENIERIL.

ECUACIÓN PARA LA VO:

Donde:

Vo = Velocidad media no sedimentante y no erosionable [pie/s].

y = Profundidad del flujo [pie].

x = 0.64 (varia ligeramente se sugiere 0.5 para agua limpia).

C= 0.84 ; siendo esta una constante que depende del suelo.

Nota:

Esta ecuación (01) no es la única pero se considera que fue la primera, publicada en 1895 por Kennedy.

Existen otras variaciones para C, algunas están en la Tabla 01 y para Vo en la tabla 02.

Vo= C*(y^x) Ec. 01

Tabla. 01. Coeficientes C.

VALORES DE C SEGÚN EL TIPO DE SUELO EN EL CANAL:

Tabla. 02. Valores de la velocidad limite en [m/s].

VALORES DE V SEGÚN EL TIPO DE SUELO EN EL CANAL:

• MÉTODO DE LA VELOCIDAD PERMISIBLE

• Estimar los valores de: n ( Coeficiente de rugosidad de Manning) ,Vo (Velocidad

maxima permisible), si el canal es trapezoidal imponerse un z (pendiente del talud

del canal).

• Calcular R (Radio hidráulico):

Vo = (1/n)*R^(2/3)*(Io)^(1/2)

• Calcular el <A> área y el <P> perímetro mojado:

[A=Q/Vo ] [P=A/R ]

• Como A=f1(a,b) y P=f2(a,b); solucionar el sistema de ecuaciones para hallar a,b.

• Añadir un borde libre y con criterio constructivo dimensionar.

• FUERZA TRACTIVA

• Halar del agua sobre el área de agua en dirección del flujoDEFINICIÓN

• La componente efectiva de la fuerza de gravedad sobre el cuerpo de

agua FLUJO UNIFORME

• Valor medio de la fuerza tractiva por unidad de área

• Canales abiertos anchos :

R=Y

FUERZA TRACTIVA

UNITARIA

DISTRIBUCIÓN DE LA FUERZA TRACTIVA UNITARIA

No uniforme a lo largo del perímetro mojado U.S. Bureau of Reclamation. Canales prismáticos .

Distribución de la fuerza tractiva unitaria para canales trapezoidales

MÁXIMA FUERZA TRACTIVA UNITARIA

Lados de los canales Fondo del los canales

• RELACIÓN DE LA FUERZA TRACTIVA

Dos fuerzas:

• Fuerza tractiva:

• Componente de la fuerza de gravedad:

Resultante:

; ;

Ángulos de reposo de material no cohesivo

U.S. BUREAU OF

RECLAMATION

• FUERZA TRACTIVA PERMITIDA

Máxima fuerza tractiva unitaria que no provoca erosión Fuerza tractiva crítica

Criterio de diseño: el valor permitido es menor que el crítico Determinación basada en:

Tamaño de las partículas del suelo no cohesivo Compacidad del material cohesivo Otras propiedades del suelo

Estudio de U.S. Bureau of Reclamation de los Canales San Luis Valley

FUERZAS TRACTIVAS PERMITIDAS

Material no cohesivo Material Cohesivo

• MÉTODO DE LA FUERZA TRACTIVA

1 Sección del canal

Muestras del material del

lechoPropiedades requeridas

2 Análisis de la fuerza tractiva Sección mínima estable

3 Proporciones finales de la sección

Una sección hidráulica estable es aquella que teniendo un caudal dado para una área mojada mínima no se va a erosionar

Para tener una sección hidráulica estable se recomienda usar secciones elípticas o parabólicas

• SECCIÓN HIDRÁULICA ESTABLE

Análisis de una Sección Hidráulica Estable

Suposiciones para el análisis matemático de BUREAU

La partícula se mantiene contra el lecho del canal

Las pendientes laterales en la superficie del agua y sobre ellas tienen un valor igual al ángulo de reposo

En el centro del canal la pendiente horizontal es cero

La fuerza tractiva es suficiente para mantener las partículas en el punto de inestabilidad incipiente

Las partículas entre el centro y el borde del canal se encuentra en movimiento incipiente

La fuerza tractiva es igual al peso del agua localizada encima del área que actúa en dirección del flujo

Suposiciones para el análisis matemático de BUREAU

La fuerza tractiva es igual al peso del agua localizada encima del área que actúa en dirección del flujo

Ecuación diferencial

Resolviendo la ecuación diferencial

La profundidad para el canal

Profundidad máxima

Velocidad

Área Ecuacion diferencial

Respuesta

CANALES EN PASTO

INTRODUCION COEFICIENTESVELOCIDAD

SELECCIÓN DEL PASTODISEÑO

1 • Turbulencia

2 • Desperdicio de Energía

3 • Eficiente en terrenos de Cultivo

4• Mejora en un nivel las cualidades del suelo

• Estabiliza• Evita la erosión

• INTRODUCCIÓN

COEFICIENTE DE MANNING = COEFICIENTE DE RETARDO

Coeficiente de retardoEn un principio•Profundidad•Forma •Pendiente del canal

Finalmente•Velocidad media ( V)•Radio hidraulico•Vegetacion

• COEFICIENTES DE RETARDO

Es la velocidad que evita que se produzcan daños en el suelo (erosión) en un tiempo demasiado corto

• VELOCIDAD PERMISIBLE

RecomendacionesPara caudales grandes se recomienda un

recubrimiento fuerte para evitar la pronta erosión

En pendientes fuertes se intenta evitar que se desarrollen canalización de los flujos, no se recomienda PASTOS DE

MANOJO, ALFALFA, KUDZU

Pendientes mayores a 5% se recomienda utilizar pastos uniformes ( BERMUDA, PASTO AZUL Kentuky )

• SELECCIÓN DEL PASTO INDICADO

Diseño A (Retardo bajo)Datos•Caudal•Pendiente•Clase de pasto

Con tablas suponer el valor de n y calcular VR

De la tabla de Velocidad Permisible determinar V y con la ecuación de Manning determinar VR

Seguir iterando hasta que los dos valores de VR coincidan

• DISEÑO