Conducciones Abiertas PARTE 1

7/22/2019 Conducciones Abiertas PARTE 1

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CONDUCCIONES

ABIERTASParte 1

CARRERA : INGENIERA EN CONSTRUCCIN PCE 2009ASIGNATURA : OBRAS HIDRAULICASPROFESOR : CLAUDIO FARIAS ROJAS


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Conducciones Abiertas

Contenidos

1. Obras de Conduccin y sus tipos

2. Caractersticas Geomtricas e Hidrulicasde un Canal

3. Clasificacin Geomtrica de Canales segnsu Seccin

4. Nmero de Froude

5. Tipos de Rgimen6. Eje Hidrulico


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Obras de Conduccin

Son elementos destinados a

efectuar el transporte de

agua desde una fuente hasta

el sitio donde se produce elaprovechamiento o uso de

la misma.


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4

En una

conduccin

abierta el agua

fluye con unasuperficie libre.


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5

Tipos de Conducciones

NATURALES

ARTIFICIALES

De acuerdo

a su origen


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Conducciones Naturales

Esteros, quebradas, arroyos, ros pequeos ygrandes.

La

s propiedades

hidrulicas de un

cauce natural por

lo general son

muy irregulares.


7/51Curso: Hidrulica General7


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Conducciones Artificiales

Construidos o desarrollados mediante el esfuerzohumano: canales de navegacin, canales de centraleshidroelctricas,

Canal de Amsterdam, Holanda

canales de riego,

cunetas de

drenaje, canales

de trasvase,

cunetas a lo largode carreteras, etc.


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Canales

En Ingeniera se denomina canal a una obradestinada al transporte de fluidos

generalmente agua y que, a diferencia de

las tuberas, es abierta a la atmsfera.

La descripcin del comportamiento hidrulico

de los canales es una parte fundamental de lahidrulica.


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Canal en la ciudad de HortenNoruega


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11

Canal de Panam


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Canal de VeneciaItalia


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Caractersticas Geomtricase Hidrulicas de un Canal

Geomtricas corresponden a la seccin transversal,

sus dimensiones y la pendiente longitudinal del fondo

del canal.

Hidrulicas son la profundidad del agua (y), el

permetro mojado (P), el rea hidrulica (A), espejo de

agua (T), el radio hidrulico (R).


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y: Altura de Agua

A: rea hidrulica

i: pendiente longitudinal

S: Seccin

Transversal

pendiente lnea de agua

T

P: Permetromojado


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Y:Alturade agua

H:Altura de

Excavacin

Revancha

b: Base

A:reaHidrulica

T: Espejo de Agua

P: PermetroMojado

R: Radio Hidrulico

R = A / P

DH: Profundidad Hidrulica

DH= A / T

Ymax:Alturamxima de

agua


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Y: Alturade agua

H: Altura de

Excavacin

Revancha

b: Base

Ymax: Alturamxima de

agua

Mesa deCanal

Mesa deCanal

Ancho de faja (ancho de expropiacin)

Puede ser corte, terrapln o mixto

Z (Talud)

1


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Para cualquier flujo, el caudal Q en una seccin del canal se

expresa por Q=VA.Donde V es la velocidad media y A es el rea de la seccin

transversal de flujo perpendicular a la direccin de este.

Referencia

y1y

2

Nivel de Referencia

Z1 Z2


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Clasificacin Geomtrica de Canales,segn su Seccin:

Rectangular

Triangular

Trapezoidal

Circular

Especiales

Irregular


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Canales de seccin Rectangular:b = ancho de la base del canal.

rea hidrulica : A = by = TyPermetro Mojado: P = b + 2y

Canales de seccin Triangular:

z = Tan () siendo: () el ngulo del talud con la vertical.

rea hidrulica : A = zy2

Permetro Mojado: P = 2y (1 + z2)

Canales de seccin Trapezoidal:

rea hidrulica : A = (b + zy) yPermetro Mojado: P = b + 2y (1 + z2)

y

b

y

y

T

T

1

z

1

z

T

b


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Canales de Seccin Circular

r = radio de la seccin circular; la seccin mojada limitada por lacuerda c, que sostiene el ngulo al centro medido en grados.

rea hidrulica : A = (( sin ) D2) / 8Permetro Mojado: P = D/4

D y


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Colector de Aguas Lluvias,

Conducciones a seccin Semi-llena


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Canales de Secciones Especiales

Se han usado en el pasado y se siguen usando,especialmente para canalizaciones de aguas servidas, o

canalizaciones mixtas de aguas servidas y aguas de

lluvia, donde la variacin de caudales en el tiempo puede

ser considerable, secciones especiales o compuestas.

En estos casos la determinacin de los parmetros A, P y

R se realiza caso por caso en funcin de la geometra de

la seccin.


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Es el caso general para conducciones naturales, pero existen tambin canales

construidos con secciones geomtricas definidas, y que en el transcurso deltiempo, por efecto de la erosin, se han transformado en irregulares y deben

ser tratados como tales para obtener resultados de anlisis correctos.

En estos casos se determinan los tramos que se pueden considerar

homogneos con buena aproximacin.

Despus del levantamiento topogrfico y batimtrico de la seccin, se divide la

misma en fajas verticales.

Para cada faja vertical "i" se determina Ai, considerndolo un tringulo, o un

trapecio; y como Pi, se considera el respectivo tramo de fondo.

De esta forma el clculo del rea hidrulica y del permetro mojado se hacecon las expresiones:

A = Ai (i=1, .., n)

P = Pi (i=1, .., n)

Canales de Seccin Irregular


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Relaciones geomtricas de las secciones

transversales ms frecuentes


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Tambin es relevante la Rugosidad (n) de las paredes y

fondo del canal, que es funcin del material en que ha sido

construido, del uso que se le ha dado y del mantenimiento.

Rugosidad enun canal de Riego


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Rugosidad enun canal de Desvivoen Tranque Huechun


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Para determinar el valor de n es posible seguir 4 caminos

generales:

Factores que afectan al valorn:

Consultar una tabla de valores de n Tener conocimiento de los factores que afectan a n

Comparar con n de cauces controlados

Posibilidad de calcular analticamente n

Rugosidad de la superficie tamao y forma de los granos queforman el lecho

Existencia de vegetacin en el canal

Irregularidades del canal (en seccin)

Existencia de curvas en el trazado

Erosin y depsito de finos

Obstrucciones

Tamao y forma del canal

Altura de escurrimiento y caudal

Variaciones estacionales

Arrastre sedimentos


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Coeficiente de Rugosidad

segn el material

Hormign 0,012 0,014

Acero 0,011 0,013

Tierra y Roca 0,020 0,060


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DEFINICIONES

Aguas abajo

Con relacin a una seccin de un curso de agua, se dice que unpunto est aguas abajo, si se sita despus de la seccinconsiderada, avanzando en el sentido de la corriente.

Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Aguas arriba

Es el contrario de ladefinicin anterior.

La Velocidad de

desplazamiento de una

onda en un canal, estdada por la siguiente

expresin:

V0= Q / A


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Velocidades Mximas Permisibles

Canales sin RevestirArcillas : 1,0 m/s

Arena : 0,5 m/s

Limos : 0,4 m/s

Ripios conglomerados : 2,0 m/s

Conglomerados firmes : 2,5 m/s

Roca sana : 4,5 m/s

Canales Revestidos : 2,5 m/s


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Curso: Hidrulica General31


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El N de Froude relaciona las fuerzas de inercia con

las fuerzas de gravedad:

gD

vFr V : Velocidad media

D : Profundidad hidrulica

Notarl

AggD


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Tipos de Rgimen

Fr > 1 flujo sper crtico o rgimen de torrente

Fr < 1 flujo sub crtico o rgimen de ro

Fr = 1rgimen crtico

gD

vFr


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Tipos de RgimenRgimen de Ro

Las ondas producidas por una perturbacin son ms rpidas que el

agua.

El rgimen de ro es influenciable aguas abajo.

Rgimen de Torrente

Las ondas son ms lentas que el agua

El rgimen de torrente es influenciable por aguas arriba.


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Eje HidrulicoSe conoce como curva de remanso o eje hidrulico, al perfil longitudinal que

adquiere la superficie libre del lquido en un canal.

El clculo se puede realizar por diferentes mtodos usando un software

como HCanales, Hec-Ras, pero es intil intentarlo si no se entienden las

condiciones que gobiernan el escurrimiento aguas abajo.

Y3: altura normal del canal aguas abajo

Y2: altura antes de la transicin

Y1: altura en la grada

y1

y2

y3

a

b1= 3mb3 = 2 m

L = 15 metros


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Canal de Riego Laja-Diguilln

VIII Regin, Chile


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37

Cuneta al borde

de carretera


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Proyecto rio Mapocho

Navegable


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Referencia

Aguas Arriba

TiposdeFlujos

1) Uniforme

2) Variado

Flujos en Canales Abiertos y suClasificacin

Rpidamente Variado

Gradualmente Variado

Permanente

Impermanente

Permanente

Impermanente

El escurrimiento en un canal, puede ocurrir en distintascondiciones de flujo:

Flujoy1

y2


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40

Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

Corresponde al escurrimiento que tiende a producirse si el canal nopresenta variaciones en su trazado (seccin y pendiente constante).

La altura de agua es la misma en cada seccin del canal.

En el tramo considerado, las funciones arriba mencionadas asumen

la forma:

V = fv(x) = Constante; Q = fq(x) = Constante; h = fh(x) = Cte.

Un flujo Uniforme puede ser Permanente o No Permanente, segncambie la altura de agua en el tiempo.

Flujo Uniforme

El Flujo Uniforme Permanente es el tipo de flujo

fundamental que se considera en la hidrulica de

canales abiertos.


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Referencia

Aguas Abajo

Aguas Arriba

(Tiempo como Criterio)

Permanente: La altura de escurrimiento (y) o el caudal

en un punto son constantes en el tiempo.

En un Flujo Impermanente, la altura de escurrimiento (y)

o el caudal en un punto varan en el tiempo.

Flujo Permanente e Impermanente


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Referencia

Aguas Arriba

La Energa de CanalesDado un canal que escurre en rgimen permanente y con flujo uniforme:

y1

y2

z1 z2

Planteando Bernoullentre las dos secciones de escurrimiento definidas por y1 e y2

B1 = B 2 + Prd idas(Friccin + Locales)

g

vyzB2

2

1

111

g

vyzB2

2

2

222

Para condiciones de rgimen permanente y flujo uniforme, la prdida de energa

corresponde slo a prdidas de energa potencial, luego se tiene que:

= Prdidas de Energa = z1 z2


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43Aguas Abajo

Aguas Arriba

La Energa de Canales

Escurrimientoen presin

Escurrimiento ensuperficie libre


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Curso: Hidrulica General

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V12/2g

V22/2g

1

2


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45

Referencia

Aguas Arriba

En base a lo anterior se puede definir la energa especfica (E):

Para un canal en rgimen permanente y flujo uniforme se tiene E1 = E2

Para un canal trapezoidal:

A

Qvg

yg

yEZBE2

22

22

2

2

2 )( zyybg

QyE



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Referencia

Aguas Arriba

Ecuacin de Energa en una seccin de la obra:

La ecuacin anterior resulta ser una ecuacin cbica para y.

Esto implica que para un mismo nivel de energa existen dos

posibilidades de rgimen:

Torrente : Fr > 1

Ro : Fr < 1

A

Qvg

yg

yEZBE2

22

22

yr: Altura MayorVelocidad Menor

yt

: Altura MenorVelocidad MayorgDvFr

D=A/T



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Referencia

Aguas Abajo

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Alturade Agua (y)

Energa (E)E

yT

yr

Altura ro

Altura torrente

gvyE2

2

gvr2

2

yr

g

vt

2

2yt

EC

yC Condiciones crticas


Condiciones Crticas para un Canal


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Aguas Abajo

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Alturade Agua (y)

Energa (E)EC E

yC

yT

yr

gvyE ccc 2

2

g

vc2

2

yc

Condiciones crticas

Condiciones Crticas para un Canal

Se dan cuando la Energa de escurrimiento es mnima.Este escurrimiento se puede calcular al minimizar la expresin de la Energa

en funcin de la altura.


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gD

vFr V : Velocidad media

D : Profundidad Hidrulica

A travs de la expresin de Froude, se puede

determinar la Altura Crtica

Cuando Froude = 1, el escurrimiento es Crtico

D = A / T

A:reaHidrulica

T: Espejo de Agua

gDvFr = 1

1

2

Dg

Vc DgA

Q

c

2

2



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50

Fr < 1

Fr= 1

Fr > 1

Ro

Crtico

Torrente

Depende de las

condicionesAguas Abajo

Depende de las

condicionesAguas Arriba

Cdigo de Aguas


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51Aguas Abajo

1.- Demuestre que la energa mnima ocurre cuando Froude = 1

2.- Deduzca la formula para altura critica en canal rectangular.

Donde se define

yc

altura crtica (m)q = Q/T caudal por unidad (m3/s) de ancho

3

32

gyc

q/

Cdigo de AguasTAREA EN CLASE (20 minutos)

yc

T

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