UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

FACULTAD DE INGENIERIA

Escuela Académico Profesional de Ingeniería Civil

TEMA :

DISEÑO DE CANALES CON FLUJO NORMAL

CURSO :

INGENIERIA DE INGENIERIA

DOCENTE :

Ing. LONGA ALVAREZ JOSE

ALUMNO :

TERRONES MALCA, Rômulo.

Grupo :

“A”

Cajamarca, Octubre del 2010

DISEÑO DE CANALES DE CANALES CON FLUJO NORMAL

INTRODUCCIÓN

El diseño, construcción y mantenimiento de un sistema de conducción es una parte integral de la mayoría de los aprovechamientos de recursos hidráulicos, sean pequeños o grandes, simples o complejos y ya sea que sirvan para uno o diferentes usos. En la mayoría de los casos serán de usos múltiples.

Los canales son conductos abiertos en los cuales el agua fluye debido a la gravedad y sin ninguna presión.

Para optimizar los beneficios del aprovechamiento, el proyecto completo se debe considerar como unidad, antes de que se establezcan los requerimientos para el sistema de conducción y distribución.

Si el sistema de distribución es a base de flujo por gravedad, los vasos de almacenamiento deben quedar localizados a una elevación adecuada, arriba de la zona de aprovechamiento, con el objeto de suministrar la carga necesaria.

OBJETIVOS.

1. Aprender el trazado de un canal en el caso del sistema de drenaje es la evacuación de aguas para no deteriorar una estructura.

2. Aprender el diseño de un canal.3. Saber utilizar tablas y criterios para el diseño del canal.

DEFINICIONES Y PRINCIPIOS BÁSICOS

CANALES:

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

Los canales pueden ser naturales (ríos o arroyos) o artificiales (construidos por el hombre), dentro de éstos últimos pueden incluirse aquellos conductos cerrados que trabajan parcialmente llenos (alcantarillas, tuberías).

CLASIFICACION DEL RÉGIMEN DE LOS CANALES :

a) Régimen PERMANENTE; cuando pasa el mismo caudal en todas las secciones.b) Régimen VARIABLE: cuando varían los caudal.c) Régimen UNIFORME: cuando las velocidades son las mismas, en este caso la superficie del agua y la rasante son paralelas. Es decir cuando en el canal el escurrimiento se efectúa conservando la misma sección , velocidad, pendiente y el tirante.d) Régimen ACELERADO : cuando la pendiente del canal sea muy fuerte, la velocidad puede ir en aumento y disminuir el tirante de agua.e) Régimen RETARDADO : cuando la pendiente es menor y las velocidades se hacen menores y por lo tanto aumentan los tirantes.

C

H

T

b

Y

C

H-Y

1

Z

ALGUNAS SECCIONES TRANSVERSALES

La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy irregular y varía de un lugar a otro. Los canales artificiales usualmente sé diseñaba con formas geométricas regulares (prismáticos), las más comunes son las siguientes:

Secciones Abiertas

1. Sección Trapezoidal. Se usa siempre en canales de tierra y en canales revestidos.

2. Sección Rectangular. Se emplea para acueductos de madera, para canales excavados en roca y para canales revestidos.

3. Sección Triangular. Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, también en canales de tierra pequeños, fundamentalmente por facilidad de trazo. También se emplean revestidas, como alcantarillas de las carreteras.

4. Sección Parabólica. Se emplea a veces para canales revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra.

5. Sección Circular y Sección de Herradura. Se usan comúnmente para alcantarillas y estructuras hidráulicas importantes.

ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE LA SECCIÓN DE UN CANAL

Los elementos que componen la seccion de un canal se ilustran a continuación :

donde:

y = tirante del agua. Es la profundidad máxima del agua en el canal.

b = ancho de solera, ancho de plantilla o plantilla, es el ancho de la base de un canal.

T = espejo de agua, es el ancho de la superficie libre del agua.

C = ancho de corona.

H - y = borde libre.

Z

1

P

= ángulo de la relación de las paredes laterales con la horizontal.

Z = taludes la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también taludes de las paredes verticales del canal). Es decir Z es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1

Aplicando relaciones trigonométricas se tiene: Z – c tag

A = área hidráulica, es la superficie ocupando por el líquido en una sección transversal normal cualquiera.

P = perímetro mojado, es la parte del contrato del conducto que está en contacto con el líquido.

R = radio hidráulico, es la dimensión característica de la sección transversal, hace las funciones del diámetro en tuberías, se obtiene de la siguiente relación:

R = A/P

Y = Profundidad media, es la relación entre el área hidráulica y el espejo de agua, es decir:

Y = A/T

A

El trazo de un canal comprende un proceso adecuado, para ello necesitamos un cierto número de etapas y cálculos.

Para evitar derrumbes que eleven los costos de mantenimiento de los canales se plantean las siguientes inclinaciones de taludes para los diferentes materiales:

MATERIAL INCLINACIÓN DE TALUDES

Roca Firme 1/4 : 1

Roca en Fisuras 1/2 : 1

Arcillas con Grava, Suelos Francos 1 : 1

Suelos Francos con Grava 1 ½ : 1

Suelos Arenosos 2 : 1

Suelos muy Arenosos 3 : 1

Existen ciertas necesidades ambientales, tanto para los canales como para el paisaje natural por donde va a pasar el canal. El trazo escogido para un canal tiene que estar muy bien diseñado, pensado y analizado desde diferentes puntos de vista, uno de éstos puntos de vista son las necesidades ambientales, las que se van siendo impuestas por la topografía y la geología del recorrido del canal, estas pueden estar relacionadas con derrumbes, deslizamientos, lugares donde puede haber contaminación, (minas, industrias, etc).

Para evitar derrumbes que eleven los costos de mantenimiento de los canales se plantean las siguientes inclinaciones de taludes para los diferentes materiales:

MATERIAL INCLINACIÓN DE TALUDES

Roca Firme 1/4 : 1

Roca en Fisuras 1/2 : 1

Arcillas con Grava, Suelos Francos

1 : 1

Suelos Francos con Grava 1 ½ : 1

Suelos Arenosos 2 : 1

Suelos muy Arenosos 3 : 1

COEFICIENTE DE ASPEREZA DE MANNING, n. de H. W. King, Handbook of Hydraulics

TIPO DE SUPERFICIE GAMA DE COEFICIENTES DE ASPEREZA

Cemento neto

Mortero de cemento

Tablas aplanadas

Concreto

Escombros secos

Escombros de cementoTierra. Lisa y uniforme

Cortes de rocas. Lisos y uniformes

Cortes de rocas. Filosos e irregulares

Canales de tierra dragados

Canales con lechos pedregosos irregulares y vegetación en los bordes

Canales con fondo de tierra y bordes de escombros

0.010-0.013

0.011-0.015

0.010-0.014

0.012-0.018

0.025-0.035

0.017-0.030

0.017-0.025 +

0.025-0.035 +

0.035-0.045

0.025-0.033

0.02500.040

0.028-0.035

TALUDES RECOMENDADOS

La inclinación de las paredes de los canales depende de la geología de los materiales de excavación y relleno por lo que atraviese.

Para cortes en Talud

- Conglomerado 1:1

- Suelos Arcillosos 1:1 +

- Suelos Areno Limosos 1.5:1

- Suelos Arenosos 2:1 +

- Suelos de Arena S. 3:1

- Roca Alterada 0.5:1

- Roca Sana 1/4:1 +

Para rellenos en:

- Tierra 1.5:1

- Suelos Arenosos 3:1

CLASES DE FLUJO EN CANALES

1. Flujo Permanente y Uniforme.Cuando el fluido corre tranquilamente, es decir que la pendiente del

liquido tiene la misma pendiente del canal.

s

i

y

y

i= Pendiente del canal

s= Pendiente Hidráulica S = i

2. Flujo Permanente no uniforme.a. Flujo Gradualmente Variado

Cuando el flujo cambia gradualmente de pendiente, debido a un obstáculo como puede ser una piedra o un barraje.

Yn

b. Flujo raídamente variado.Cuando el flujo aumenta su velocidad repentinamente, debido a un cambio brusco de pendiente.

Curva de remanso

3. Flujo supercrítico, critico y sub crítico

Fr = V Nº de Froude

(g(An/T))

Fr = Flujo supercrítico rápido

Fr = Flujo Crítico

Fr = Flujo Subcrítico o lento

SECCION DE MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA

Se sabe que la sección de máxima eficiencia hidraúlica es la circular ya que con la misma área que una sección de otra forma, se tiene para la sección circular menos perimetro mojado, lo cual aumenta el Radio Medio Hidráulico observando la fórmula 4,a mayor radio mayor gasto o sea mayor rendimiento.

La sección circular queda desechada por la dificultad que representa su construcción resultando antieconómica, y además por ser excavado el canal en tierra no es aplicable.

Descontada la sección circular, tenemos la sección rectangular, siendo la de máxima eficiencia aquella en la que la profundidad es igual a la mitad del ancho. Esta sección también queda desechada ya que por no ser revestido el canal con concreto será necesario dar al terreno su talud de repose y por que hay secciones fáciles de construir y más eficientes hidráulicamente, tal es el caso de la sección trapezoidal, siendo la más eficiente dentro de estas la sección igual a la mitad del hexágono. Tratándose de canales excavados en tierra la forma estará supeditada al talud de reposo del material.

EJEMPLO DE APLICACIÓN

CALCULO DEL DISEÑO DE CANALES.

1.- SUELO ROCOSO:

DATOS: Q = 0.155 m3/seg.

= 14°2’

= 0.035.

a.) Area hidraúlica:

Ah = y

Ah = 1.812 y

b.) Radio hidraúlico:

Rh. =

c.) Ecuación de Manning:

Q = i

Reemplazando y despejando tenemos:

y = 0.43 m.

d.) Base o Solera:

b = 2y ( )

b = 0.67 m.

e.) Borde Libre:

hl = 0.30 m.

f.) Ancho de la Corona:

C = 0.60 m.

2.- SUELO ARENOSO:

DATOS: Q = 0.155 m3/seg.

= 63°26’

= 0.025.

a) Area hidraúlica:

Ah = y

Ah = 2.472 y

b) Radio hidraúlico:

Rh. =

c) Ecuación de Manning:

Q = i

Reemplazando y despejando tenemos:

y = 0.34 m.

d) Base o Solera:

b = 2y ( )

b = 0.16 m.

e) Borde Libre:

hl = 0.30 m.

f) Ancho de la Corona:

C = 0.60 m.

3.- SUELO ARCILLOSO:

DATOS: Q = 0.155 m3/seg.

= 45°00’

= 0.021.

a) Area hidraúlica:

Ah = y

Ah = 1.828 y

b) Radio hidraúlico:

Rh. =

c) Ecuación de Manning:

Q = i

Reemplazando y despejando tenemos:

y = 0.36 m.

d) Base o Solera:

b = 2y ( )

b = 0.30 m.

e) Borde Libre:

hl = 0.30 m.

f) Ancho de la Corona:

C = 0.60 m.