Clase 02 conductos a superficie libre obras hidraulicas

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CONDUCTOS A SUPERFICIE CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRELIBRE

Ing. Alejandro Zapata

[email protected]

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENERIA

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL



Ejemplo de diseño de canales2.10

Trazo de Canales2.9

Revestimientos empleados en Canales2.8

Criterios de diseño para Canales de Pendiente fuerte2.7

Criterios de diseño para canales de Flujo Uniforme2.6

Ecuaciones de la Hidrodinámica aplicadas a Canales2.5

Métodos para el diseño hidráulico de los canales2.4

Elementos de un canal2.3

Clasificación de canales2.2

Generalidades2.1

CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE12

1. Textos base: “Obras de riego para zonas montañosas”. P. Hoogendam – A. Bottega.2004 / “Irrigacion”.A. Rosell C.1993 / “Manual de riego por gravedad”. W. Olarte.1987 / “Obras de captación, Canales y Modelos Hidraulicos”. G. Sotelo A. 1996

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2.1. Generalidades

Los canales son conductos abiertos en los cuales el agua circuladebido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión. pues la superficie libre del líquido está en contacto con la atmósfera.

Los sistemas de conducción y distribución de agua en los proyectos de riego como en parte de los de abastecimiento de agua potable o en la derivación de las aguas de una central hidroeléctrica y en los cauces naturales pueden estar conformados por conductos abiertosque fluyen bajo la acción de la gravedad y se denominan "Canales", o por conductos cerrados que fluyen parcialmente llenos como los 'Túneles' y otros conductos cerrados.

2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE



2.1. Generalidades…

Los cauces naturales donde se incluyen los ríos. arroyos y torrentes están comprendidos dentro de las leyes del flujo de conductos a superficie libre; en estos casos algunos parámetros como la rugosidad del cauce son difíciles de estimar y en otros casos los flujos son muy cambiantes por la naturaleza del cauce. pendientes y diversidad de materiales que conforman su prisma principal.

En el caso de los canales artificiales sus secciones se definen en su diseño. sus cursos tienen diferentes secciones y pendientes lo que implica cambio de velocidades, rugosidades y en algunos casos cambio de régimen con el cual fluyen.


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2.1. Generalidades

Cuando las corrientes que discurren en los canales tienen fuertes pendientes se les denomina Rápidas y se caracterizan por la aireación espontánea que transforma el agua en una mezcla de agua y aire. las características del flujo en este tipo de escurrimiento difiere de los flujos lentos.




2.2. Clasificación de canalesLos canales pueden clasificarse según: a. La función que cumplen en los sistemas, es decir en:


Canal de Derivación: Es el canal que conduce las aguas desde la toma hasta el punto Inicial de reparto de las aguas.

Canal Madre o Principal: Es el canal que recorre por los puntos más altos del terreno por regar y desde él cual se Inicia la distribución mediante los canales secundarios.

Canales de Distribución: Llamados secundarios y laterales son los que llevan las aguas a las áreas de riego y finalmente a las parcelas

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Canal de derivación principal

Canal de madre

Canal de distribución



2.2. Clasificación de canales……

b. De acuerdo a su origen, es decir en:


Canales Naturales Son los cursos de agua existentes en forma natural como consecuencia del escurrimiento de la lluvia, varían desde un pequeño riachuelo. arroyo a un gran río; se incluye entre estos los cauces subterráneos que llevan agua a superficie libre.

Canales Artificiales Son los construidos por el hombre tales como: los canales de navegación, túneles. canales para proyectos de riego e irrigación como los. pequeños canales y conductos empleados en modelos reducidos.

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Canal natural

Canal artificial



2.2. Clasificación de canales…

c. Según su sección transversal, es decir en:...


Canales Rectangulares Son los que adoptan secciones cuadradas y rectangulares se utilizan en conductos cubiertos, transiciones, estructuras menores.

Canales Trapezoidales Son los más empleados y sus taludes varían de acuerdo a la geología que atraviesan.

Canales Trapezoidales Son utilizados en modelos y en algunos arroyos naturales con objeto de incrementar el tirante para una mejor determinación de la altura.

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2.2. Clasificación de canales…

c. Según su sección transversal, es decir en:...


Canales Circulares Son utilizados para trabajar parcialmente llenos se emplean en túneles, conductos cubiertos, alcantarillas. y desagües.

Canales Semicirculares Son utilizados en canales prefabricados y para pruebas de laboratorio.

Canales Herraje Llamados también Horse Shoe, se utilizan en túneles, alcantarillas y conductos cerrados.



2.3. Elementos de un canal

El diseño hidráulico de los canales se define en función de tres tipos de elementos:

- Elementos Geométricos- Elementos Cinéticos- Elementos Dinámicos

Los dos primeros elementos definen la forma del canal, los segundos las condiciones de flujo y los terceros su movilidad.


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2.3.1 Elementos Geométricos en generalUnidad

m y

m b

s/u z

m2 A = y (b+yz)

m P = b + 2 y (1+z2)1/2

s/u x = b/y

m B = b + 2 yz

m D = A/B

m YC

En flujo uniforme MS = A * R

En flujo critico MS = A * D

m/m SO = Tan

s/u ZT

m fB

Variable

Talud del canal

Area mojada de la seccion

Ancho en el fondo

Tirante normal

Detalle

Tirante medio

Ancho de la superficie

Relacion fondo tirante

Perimetro mojado

Pendiente geometrica de fondo

Talud de las escarpas

Bordo libre o freeboard

Tirante critico

Modulo de seccion

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2.3.1 Elementos Geométricos de secciones mas comunes



2.3.1 Elementos Cinéticos

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2.3.1 Elementos Dinámicos

Unidad

s/u n

Perdida de carga por friccion m hf En un tramo "L" del canal

s/u S = hf / L

Coeficiente de rugosidad

Pendiente hidraulica

Detalle Variable



2.4. Métodos para el diseño hidráulico de los canales

El diseño de los canales se debe efectuar teniendo en cuenta los tipos de flujos siguientes:

Flujo UniformeCuando permanecen constantes el tirante, la velocidad media el gasto y la pendiente hidráulica del tramo.

Flujo Variado ContinuoCuando son constantes el tirante, la velocidad medía, el gasto. y lapendiente hidráulica.

Flujo Variado DiscontinuoCuando el gasto es variable de sección a sección.

Flujo TransitorioCuando el gasto varía con el tiempo.


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2.4. Métodos para el Diseño hidráulico de Canales

Existen varios métodos dentro de ellos podemos indicar:

- Método del Ing. Enrique Góngora Pareja (Tablas)- Método del Ing. Lizandro Mercado (Nomogramas)- Formula de Chezy- Formula de Manning

La formula de Manning es la mas conocida y aplicada mundialmente la cual desarrollaremos en los siguientes ítems




La fórmula de Chezy


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La fórmula de Chezy…

Resulta la fórmula de Chezy para canales. sólo aplicable cuando el régimen es uniforme:




2.5. Ecuaciones de la Hidrodinámica aplicadas a Canales

El flujo uniforme sólo es posible en un canal de sección transversal constante, mientras si en un canal se presentan secciones transversales diferentes, el flujo es variado y puede presentarse en una corriente acelerada o en un remanso.

Las ecuaciones a aplicarse en los canales con flujo uniforme. esdecir cuando son constantes el tirante normal, la velocidad media, la pendiente hidráulica y el gasto se Indican a continuación.


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2.5.1 Principio de Continuidad o de Conservación de la Masa

Que expresa que para un escurrimiento uniforme el caudal es constante en dos secciones de área y velocidad diferentes si no existen aportaciones ni extracciones, del mismo.

Q = V1 x A1 = V2 x A2




2.5.2 Ecuación de la energía o Teorema de Bernoulli

El principio de conservación de la energía se expresa así: Para un tramo la energía de entrada debe ser Igual a la energía en la sección de salida su ecuación es:


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2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimiento

Según esta ecuación: La variación de la cantidad de movimiento de una masa de agua que fluye a través de un tramó de canal en la unidad de tiempo es Igual al Impulso resultante de las fuerzas actuantes sobre ella.

Siendo su expresión la siguiente:





La ecuación anterior tiene los factores que se indican a continuación:

P1 y P2 Resultantes de las presiones que actúan sobre el cuerpo Ubre del agua,W Peso de la masa de agua del tramo Angulo que determina la pendiente geométricaFf Fuerzas externas (fricción y otras resistencias)ɤ Peso volumétrico del agua. Coeficientes de corrección para la utilización de las velocidades medias

llamadas coeficientes de Boussinesq.V1 y V2 Velocidad antes y después del cambio.Q Caudal o gasto.


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El valor del coeficiente de Boussinesq se calcula a partir de la formula de cantidad de movimiento donde:

Cantidad de Movimiento CM1 = ƿ Q V

En un punto cualquiera δQ = V δ A

Cantidad de Movimiento CM = ʃ ƿ ((V δA) V) CM = ƿ ʃ (V2 δA)

Este sería el valor exacto de la cantidad de movimiento, pero para simplificar se utilizan las velocidades medias y se tiene un valor aproximado. CM = CM1





El valor del coeficiente de Boussinesq se calcula a partir de la formula de cantidad de movimiento donde:

Cantidad de Movimiento CM1 = ƿ Q V

En un punto cualquiera δQ = V δ A

Cantidad de Movimiento CM = ʃ ƿ ((V δA) V) CM = ƿ ʃ (V2 δA)

Este sería el valor exacto de la cantidad de movimiento, pero para simplificar se utilizan las velocidades medias y se tiene un valor aproximado. CM = CM1

Por tanto


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El coeficiente de Boussinesq se relaciona con el coeficiente de Coriolis mediante la ecuación siguiente:

Para casos prácticos α = = 1

Para tuberías se tiene α = 2 = 4/3

En el cuadro siguiente se dan los valores de y para diferentes tipos de conductos.




PREGUNTAS ????PREGUNTAS ????

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Tarea N° 02:1. ¿Realizar una hoja electrónica que permita definir las

características geométricas del canal, A, P, R?

En excel a mi correo [email protected] del archivo: 040512_Codigo_Apellido_T2.xls




Temas para el control de Lectura:

1. ¿Qué es la velocidad máxima de erosión?2. ¿Qué es la velocidad minima de sedimentación?3. ¿Qué es la Máxima Eficiencia Hidráulica?

LECTURASLECTURAS

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Preguntas????Preguntas????



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