Hidraulica de Canales .

“Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria”

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

“HIDRÁULICA EN CANALES”

AUTORES:

BILL KEN BRAOLIN GUZMÁN JESÚS

NILO OJANAMA SORIA

DERICK TORREJON USHIÑAHUA

LUIS ADOLFO SALDAÑA CANLLA

PEDRO GIANCARLO IMÁN SILVA

DOCENTE:

Ing. SADITH N. GARRIDO CAMPAÑA

FECHA DE ENTREGA:

Jueves 06 de Junio de 2013

TARAPOTO – PERÚ

2013

http://www.tvperu.gob.pe/noticias/politica/gabinete/40540-este-2013-es-el-ano-de-la-inversion-para-el-desarrollo-rural-y-la-seguridad-alimentaria.html

Universidad César Vallejo

Escuela de Ingeniería Civil

INTRODUCCIÓN

El conocimiento de los principios básicos que rigen el comportamiento del flujo a superficie libre es fundamental en las ramas de la ingeniería que tienen que ver con el aprovechamiento del recurso hídrico, para el diseño de las estructuras y obras hidráulicas de sistemas de acueducto y alcantarillado, plantas de potabilización y tratamiento de aguas residuales, etc.

En este trabajo se expone los principios fundamentales del flujo a superficie libre en canales, clasificación de los canales, diseño de canales y otros puntos importantes que nos ayudaran a tener un conocimiento mas amplio sobre la Hidráulica de Canales.



OBJETIVO

EL objetivo principal es estudiar los principios que rigen es ofrecer los conocimientos básicos para el estudio de hidráulica de canales para poder tomar nuestras propias decisiones sobre el diseño de canales y poder identificar los tipos de flujo en un canal, ya que nos servirán de mucha ayuda para nuestra carrera profesional por tal motivo es necesario los conocimientos adquiridos durante el aprendizaje o ejercicio de la carrera.

Además que gracias a los conocimientos en hidráulica de canales podremos realizar diferentes tipos de construcciones sean propiamente dicho para mejorar la calidad del estudio de esta.



MARCO TEÓRICOCanal

En ingeniería se denomina canal a una construcción destinada al transporte de

fluidos (generalmente utilizada para agua) y que, a diferencia de las tuberías, es

abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación.

La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es una parte

fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería

hidráulica, una de las especialidades de la ingeniería civil.

Cuando un fluido es transportado por una tubería parcialmente llena, se dice

que cuenta con una cara a la atmósfera, por lo tanto se comporta como un

canal.

Clasificación de Canales

Canales naturales Se denomina canal natural a las depresiones naturales en la corteza terrestre,

algunos tienen poca profundidad y otros son más profundos, según se

encuentren en la montaña o en la planicie. Algunos canales permiten la

navegación, generalmente sin necesidad de dragado. Los canales naturales

influyen todos los tipos de agua que existen de manera natural en la tierra, lo

cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas

hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes, y estuarios de mareas. Las

corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también

son consideradas como canales abiertos naturales.

Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy

irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas

razonablemente consistentes en las observaciones y experiencias reales, de tal

modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables

mediante tratamiento analítico de la hidráulica teórica.



Canales de riego

Éstos son vías construidas para conducir el agua hacia las zonas que requieren

complementar el agua precipitada naturalmente sobre el terreno.

CANAL DE RIEGO



Canales de navegación Un canal de navegación es una vía de agua hecha por el hombre que

normalmente conecta lagos, ríos, incluso océanos.



Secciones Transversales mas frecuentes

El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en

tubería. Estas dos clases de flujos son similares en diferentes en muchos

aspectos, pero estos se diferencian en un aspecto importante.

El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo en

tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar

completamente el conducto.

Las condiciones de flujo en canales abiertos se complican por el hecho de que

la composición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el

espacio, y también por el hecho de que la profundidad de flujo el caudal y las

pendientes del fondo del canal y la superficie libre son interdependientes.

En estas la sección transversal del flujo, es fija debida a que esta

completamente definida por la geometría del conducto. La sección transversal

de una tubería por lo general es circular, en tanto que la de un canal abierto

puede ser de cualquier forma desde circular hasta las formas irregulares en ríos.

Además, la rugosidad en un canal abierto varia con la posición de una superficie

libre. Por consiguiente la selección de los coeficientes de fricción implica una

mayor incertidumbre para el caso de canales abiertos que para del de tuberías,

en general, el tratamiento del flujo en canales abiertos es mas mas que el

correspondiente a flujo en tuberías. El flujo en un conducto cerrado no es

necesariamente flujo en tuberías si tiene una superficie libre, puede clasificarse

como flujo en canal abierto.



Tipos de Flujo

El flujo en canales abierto puede clasificarse en muchos tipos y distribuirse de

diferentes maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el

cambio en la profundidad del flujo con respecto al tiempo y al espacio.

FLUJO PERMANENTE Y NO PERMANENTE: tiempo como criterio.

Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad del

flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo

en consideración.

El flujo es no permanente si la profundidad no cambia con el tiempo. En la

mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del

flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo el cambio en la

condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse

como no permante, el nivel de flujo cambia de manera instantánea a medida

que las ondas pasan y el elemento tiempo se vuelve de vital importancia

para el diseño de estructuras de control. Para cualquier flujo, el caudal Q en

una sección del canal se expresa por Q=VA. Donde V es lavelocidad media

y A es el área de la sección transversal de flujo perpendicular a

la dirección de este, debido a que la velocidad media esta definida como el

caudal divido por el área de la sección transversal.

FLUJO UNIFORME Y FLUJO VARIADO: tomando al espacio como

criterio.

Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad del

flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo UNIFORME puede

ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con

respecto al tiempo. El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo

fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La

profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo

consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente



requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero

permaneciendo paralela al fondo del canal.

El flujo es VARIADO si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal.

El flujo VARIADO PUEDE SER PERMANENTE O NO PERMANENTE es

poco frecuente, el termino "FLUJO NO PERMANENTE" se utilizara de

aquí en adelante para designar exclusivamente el flujo variado no

permanente.

El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente varia o

gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad

del agua cambia de manera abrupta en distancias compartidamente

cortas; de otro modo, es gradualmente variado. Un flujo rápidamente

variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son

el resalto hidráulico y la caída hidráulica.

A.- flujo permanente

1) flujo uniforme

2) flujo variado

a) flujo gradualmente variado

b) flujo rápidamente variado

B.- flujo no permanente

1) flujo uniforme no permanente "raro"

2) flujo no permanente (es decir, flujo variado no permanente)

a) flujo gradualmente variado no permanente

b) flujo rápidamente variado no permanente

ESTADO DE FLUJO. El estado o comportamiento del flujo en canales abiertos

esta gobernado básicamente por los efectos de viscosidad y gravedad con

relación con las fuerzas inerciales del flujo.

EFECTO DE VISCOSIDAD. El flujo puede ser laminar, turbulento o

transaccional según el efecto de la viscosidad en relación de la inercia.



EL FLUJO ES LAMINAR: si las fuerzas viscosas son muy fuertes en relación

con las fuerzas inerciales, de tal manera que la viscosidad juega con un papel

muy importante en determinar el comportamiento del flujo. En el flujo laminar,

las partículas de agua se mueven en trayectorias suaves definidas o en líneas

de corriente, y las capas de fluido con espesor infinitesimal parecen deslizarse

sobre capas adyacentes.

EFECTO DE LA GRAVEDAD. El efecto de la gravedad sobre el estado del flujo

representa por relación por las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales.

REGIMENES DE FLUJO: en un canal el efecto combinado de la viscosidad y la

gravedad puede producir cualquiera de 4 regímenes de flujo, los cuales son:

subcritico-laminar

súper critico-laminar

subcritico-turbulento

supercrítico-turbulento



RESULTADOS

Los elementos geométricos:

Son propiedades de una sección de canal que pueden ser definidos por

completo por la geometría de la sección y la profundidad de flujo. Estos

elementos son muy importantes y se utilizan con amplitud en el cálculo de flujo.

Para secciones de canal regulares y simples, los elementos geométricos

pueden expresarse matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y

de otras dimensiones de la sección. Para secciones complicadas y secciones de

corrientes naturales, sin embargo, no se puede escribir una ecuación simple

para expresar estos elementos, pero pueden prepararse curvas que

representen la relación entre estos elementos y la profundidad de flujo para uso

en cálculos hidráulicos.

donde:

y = tirante de agua, altura que el agua adquiere en la sección transversal

b = base del canal o ancho de solera

T = espejo de agua o superficie libre de agua



H = profundidad total del canal

H-y = borde libre

C = ancho de corona

θ = ángulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal

Diseño hidráulico de un canal:

Para el diseño de un canal se presume que el escurrimiento se desarrollará en

condiciones de flujo uniforme. El flujo no uniforme se presentará en situaciones

de cambios en la pendiente, rugosidad, dimensiones de la sección,

embalsamientos, caídas o por cambios inducidos por la operación de órganos

de operación o seguridad.

La velocidad media de flujo en un canal se determina por medio de la fórmula

desarrollada por Chezy:

Aplicando la ley de continuidad, se obtiene la capacidad de conducción:

Donde:

v Velocidad media de flujo en m/s

C Coeficiente de Chezy

R Radio hidráulico en m

I Pendiente hidráulica

Q Caudal en m3/s

A Area efectiva en m2

El caudal Q manifiesta la capacidad de conducción, la pendiente hidráulica del

canal que será función de las condiciones topográficas podrá estar asociada al

mismo tiempo a las velocidades límites; éstas se establecerán con base en las

características del material que conforme el perímetro mojado y tomará en

cuenta la probabilidad de erosión y sedimentación.



Según Manning-Strickler, el coeficiente de Chezi adquiere la siguiente forma:

donde: Ks coeficiente de fricción de Manning-Strickler

R Radio hidráulico en m

Por lo que la capacidad de conducción del canal se podrá expresar por medio

de la fórmula siguiente:

El coeficiente de fricción de Manning-Strickler dependerá del tipo de material

que conforma el perímetro mojado, del caudal y de las características

morfológicas del canal. La influencia de la rugosidad será mayor para caudales

menores, reduciéndose en función de su incremento. Por otra parte, la

configuración en planta también tendrá efectos sobre la rugosidad, siendo

mayor para trayectorias con numerosos curvas y cambios de sección, sin

embargo esta influencia en la práctica solo es posible determinar mediante

mediciones en canales ya construidos.

Para el diseño se deberá adoptar valores de Ks mediante una asociación entre

los materiales que se utilizarán para conformar el perímetro mojado y los

valores obtenidos de mediciones in situ y en laboratorio para materiales

similares. En la tabla 2.1 se muestra algunos valores que pueden servir de

referencia.

Tabla 1.1 - Valores de ks según Press-Bretchneider

MATERIAL CLASE, FORMA, ESTADO Ks en

m1/3 /s

Madera Tablas cepilladas

Tablas no cepilladas

Canales antiguos

Canales nuevos y lisos

85 a 90

75 a 85

65 a 70

90 a 95

Asfalto Canales revestidos de asfalto 70 a 75



Canales de hormigón asfáltico 72 a 77

Hormigón Con acabado liso

Hormigón c/encofrado metálico

Hormigón c/encofrado de madera

Hormigón bien acabado

Hormigón vibrado

Acabado ordinario

Galerías con cuidadoso acabado

Galerías con acabado ordinario

100

90 a 100

65 a 70

90

60 a 70

50 a 55

85 a 95

70 a 80

Fábrica Mampostería ladrillo bien

ejecutado

Mampostería normal

75 a 80

60 a 70

Piedra

natural

Sillería

Mampostería cuidadosamente

tratada

Mampostería normal

Mampostería ordinaria

Taludes de mampostería,

adoquinados, con solera de arena

o grava

70 a 80

70

60

50

45 a 50

Tierra Material duro, liso

Material duro, fino

Grava fina a mediana

Grava gruesa

Barro con torrones

Con piedras gruesas

Canales de tierra, mucha

vegetación

60

50

40 a 45

35

30

25 a 30

20 a 25

El diseño de un canal requiere del análisis de las velocidades medias de flujo,

de manera que no se presente sedimentación ni erosión; en el primer caso nos

referimos a la velocidad mínima o velocidad "que no sedimenta" vn.s y en el



segundo a la velocidad máxima o "velocidad no erosiva" vn.e.

Entre los primeros intentos para encontrar las relaciones hidráulicas de canales

sin erosión ni sedimentación, se puede mencionar al profesor inglés R.G.

Kennedy, que presentó en 1895 una fórmula basada en el estudio del

funcionamiento hidráulico de 22 canales de riego en la India, la misma que se

expresa de la siguiente manera:

Donde:

v0 Velocidad media de flujo que no ocasiona ni sedimentación ni erosión, en

pies/s

y Tirante de agua, en pies

C Coeficiente que depende de la firmeza del material que conforma el canal,

que King asocia al grado de finura de las partículas del suelo.

Posteriormente, trabajos relacionados al estudio de la Teoría de Régimen,

ampliaron los niveles de conocimiento sobre la estabilidad hidráulica de los

canales, sin embargo la aplicación de las fórmulas, desarrolladas sobre la base

de mediciones en la naturaleza, requieren del conocimiento preciso de los

rangos de validez de las mismas y de las características particulares de los

canales que sirvieron de modelo.

La velocidad mínima permisible, vn.s., que evite la sedimentación de partículas

sólidas, puede determinarse utilizando la fórmula empírica de I.I. Levy:

Donde:

w Velocidad de caída de una partícula de diámetro dav en mm/s

dks Diámetro característico de las partículas en suspensión en mm.

R Radio hidráulico del canal en m.

n Coeficiente de rugosidad del perímetro mojado del canal.

Girshkan propone la siguiente fórmula:



Donde:

F Coeficiente igual a: 0.33 para w = 1.5 mm/s

0.44 para w = 1.5 - 3.5 mm/s

0.55 para w > 3.5 mm/s

Q Caudal en m3/s

La velocidad límite o velocidad mínima que debe adquirir el flujo para evitar la

sedimentación en un canal, puede entenderse también como las capacidad del

flujo de transportar una determinada cantidad de sólidos suspendidos en el

agua. Bajo este concepto se aconseja utilizar la fórmula semi-empírica de E.A.

Zamarín.

m Concentración de sedimento en kg/m3 de agua

v Velocidad de flujo en m/s

w Velocidad de sedimentación en mm/s

R Radio hidráulico en m.

I Pendiente hidráulica

En el canal no se presentará sedimentación de sólidos en suspensión si la

capacidad de transporte m es mayor que la concentración manifestada por la

turbiedad del agua.

Por otro lado es importante analizar las condiciones de flujo desde el punto de

vista de las posibilidades de erosión y/o socavación, en este caso las

magnitudes de control se manifiestan en términos develocidad

máxima o tensión de corte máxima.

Para solera móvil, la velocidad admisible de flujo es dependiente del diámetro

de los granos que componen la solera y del tirante hidráulico. A.M. Latyshenkov

y B.I. Studennichnikov la fórmula empírica siguiente:

Donde:

vn.e Velocidad máxima permisible en m/s para la que no se presentaría erosión

en el perímetro mojado

F Coeficiente



r Exponente

dk Diámetro característico del material de la solera en mm.

n Exponente

Para dk < 1-10 mm F = 5, r = 0.3, n = 0.2

Para dk > 1-10 mm. F = 3.6, r = n, n = 0.25

Los sedimentos en suspensión reducen la acción erosiva del agua y según B.I.

Studennichnikov, la velocidad máxima admisible puede ser afectada por un

término dependiente de la turbiedad del agua, a saber:

Donde:

v'n.e. Velocidad máxima admisible para flujo con material en suspensión en m/s.

vn.e. Velocidad máxima admisible para flujo de agua limpia en m/s.

m Turbiedad del agua en kg/m3

En la tabla 8.2 se muestran valores de la máxima velocidad permisible del flujo

para diferentes tipos de materiales rígidos, considerando que el flujo es libre de

arena gruesa y guijarros.

Tabla 1.2 - Velocidad de flujo permisible vn.e en m/s para escurrimiento sin

erosión

TIPO DE MATERIAL Tirante h en metros

0.5 1.0 5.0

Roca (sedimentaría e

ígnea)

Canal de madera

Revestimiento de concreto

Revestimiento/

mampostería de piedra

1.7-

6.3

26 -

29

9.6 -

15.6

4.3 -

2.1-

7.7

28 -

32

10.6 -

17.3

5 - 8.7

3 - 11

34-38

13 -

21.2

6.7 -

11.6



7.4

Azevedo Netto-G.A. Alvarez plantean los siguientes valores:

Tabla 1.3 - Velocidad de flujo permisible para escurrimiento sin erosión.

MATERIAL vn.e. (m/s)

Canales arenosos

Arcilla arenosa

Materiales aglomerados

consistentes

Muro de piedra

Canales en roca compacta

Canales de concreto

0.30

0.40

2.00

2.50

4.00

4.50

El U.S. Bureau of Reclamation publicó en 1925 un cuadro realizado por Fortier y

Acobey (13) en el que se presenta valores de velocidad y tensión de corte

máximas, para canales de pequeña pendiente y tirantes menores a 0.91 m.

(Tabla 2.4).

Tabla 1.4 - Valores admisibles de la tensión de corte y velocidad media de flujo

según Fortier y Acobey

MATERIAL Ks

m1/3

Agua clara Agua c/limo



/s

v

m/s

o

kg/m

v

m/s

o

kg/m

Arena fina *

Greda arenosa **

Greda limosa **

Limo aluvial **

Greda común firme

Arcilla dura ***

Limo aluvial *

Grava fina

50

50

50

50

50

40

40

50

0.46

0.53

0.61

0.61

0.76

1.14

1.14

0.76

0.13

0.18

0.23

0.23

0.37

1.27

1.27

0.37

0.76

0.76

0.91

1.07

1.07

1.52

1.52

1.52

0.37

0.37

0.54

0.73

0.73

2.24

2.24

1.56

CONCLUSIONES



La energía hidráulica es algo importante ya que se puede producir energía

eléctrica, pues aprovechamos la caída del agua y nos es útil hasta en la

vida cotidiana, un ingeniero debe ser completo en su profesión, conociendo

todo lo referente a su tema, englobando todo esto que es importante.

Debemos tomarlo en cuenta y que esta investigación no quede en el vacío.

Y no cabe la menor duda que las energías renovables son el futuro de

nuestro planeta. Los recursos fósiles se están acabando y aunque todavía

se utilizan masivamente, quiero llegar a un punto que es necesario un

cambio hacia la energía limpia.

Dentro de estas destaca enormemente la energía hidráulica, que utiliza el

agua como principal recurso .Debido a sus especiales características, en

conclusión estamos ante una energía verdaderamente limpia y renovable,

ya que no influye para nada en el ciclo natural del agua, de este modo, las

reservas siempre serán estables y debemos aprovecharla.



Recomendaciones

Utilizar aparatos de precisión, para poder realizar cálculos lo más

cercano posible a la realidad en el terreno.

Se recomienda para próximos trabajos, adoptar todo el grupo un

canal del cual no se cuente con curvas de calibración y así dar algo

a La comunidad.

Con ayuda de La universidad y los estudiantes del curso de

hidráulica de canales abiertos, hacer un estudio de aforación del

caudal; para con base en estos datos realizar un estudio especial,

de la socavación de este, que ocurre más de marcadamente en las

bases y así evitar un nuevo colapso de una estructura.



BIBLIOGRAFIA Editorial

-LimusaTomo I.II, 200 pg. Hidráulica.

-Jackson. Diseño de canales (hidráulica)Pg.56

Hidraulica de Canales .

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