Informe de La Visita de Campo (Villa Santos)

INFORME DEL DRENAJE PLUVIAL DEL BARRIO VILLA SANTOS

ALFREDO REYESANA MILENA YANCEGREGORY RIVERO

LEONARDO BEDOYAMERCEDES BENITEZ

INFORME PRESENTADO AL INGENIERO CAMILO OSORIO EN LA ASIGNATURA DE HIDRAULICA

GRUPO: BD

UNIVERSIDAD DE LA COSTA (CUC)FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL-AMBIENTALBARRANQUILLA

2014

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCION 3

1. OBJETIVOS4

1.1. OBJETIVO GENERAL 4

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 4

2. GENERALIDADES DEL DRENAJE URBANO DEL CANAL VILLA SANTOS 5

3. DESCRIPCION DEL CANAL VILLA SANTOS 6

4. METODOLOGIA 7

5. DATOS TOMADOS DURANTE EL RECORRIDO 10

6. CALCULOS 11

7. RESULTADOS 36

8. ANALISIS DE RESULTADOS 37

9. CONCLUSION 39

10. BIBLIOGRAFIA 40

ANEXOS 41

2

INTRODUCCION

Las estructuras hidráulicas hoy en día son construidas para el aprovechamiento de los recursos hídricos como el agua, también para el drenaje y evacuación de las aguas pluviales, entre otras funciones. La estructura hidráulica más antigua y que hasta nuestros días es una de las más comunes son los canales, los cuales se pueden usar como, acequias y canales de desagüe, estas son formas artificiales creadas por el hombre, tienen lugar en la mayoría de los casos los canales de secciones rectas regulares y suelen ser rectangulares, triangulares o trapezoidales. El estudio de los canales en general contribuye un tema de vital importancia en hidráulica, en la que se imparten las bases necesarias para el diseño, manejo y dimensionamiento de este tipo de estructuras. Barranquilla como una de las cinco mejores ciudades de Colombia no cuenta con un completo alcantarillado pluvial y no tiene suficientes canales de drenaje para la evacuación de las aguas pluviales, dentro de los pocos que tiene se encuentra el canal del barrio Villa Santos, ubicado al norte de la ciudad, cuyo sistema de drenaje está compuesto por sumideros que recogen el agua la pasan a las tuberías y estas últimas llevan el agua al canal. El pasado 23 de septiembre de 2014 los estudiantes del grupo BD de la asignatura de hidráulica de la Universidad de la Costa (CUC) realizaron una visita al canal del barrio Villa Santos, durante la visita se realizó un recorrido por el canal de aguas lluvias del barrio y se tomaron sobre la sección del canal y la pendiente de este en diferentes puntos específicos. El presente informe basado en la visita al canal del barrio Villa Santos, tiene como finalidad evaluar el comportamiento hidráulico del canal de drenaje mediante la determinación de la capacidad hidráulica del canal en diferentes secciones o puntos específicos del canal, estimar el efecto del comportamiento del flujo ante los diferentes elementos u obstáculos encontrados a lo largo del recorrido del canal.

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1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVO GENERAL:

Evaluar el comportamiento hidráulico del canal de drenaje urbano del barrio Villa Santos.

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS:

Determinar la capacidad hidráulica del canal de drenaje Establecer métodos o equipos apropiados para la medición de caudal en

el canal pluvial de Villa Santos Establecer el comportamiento del flujo ante los elementos u obstáculos

encontrados en su trayecto Identificar los componentes del drenaje pluvial del barrio Villa Santos

4

2. GENERALIDADES DEL DRENAJE URBANO DEL CANAL DEL BARRIO VILLA SANTOS

Una de las problemáticas existentes en la actualidad en barranquilla, es la pérdida de superficie permeable como consecuencia de la urbanización. Con el paso de los años el barrio Villa Santos se ha ido urbanizando lo que ha causado la impermeabilización de zonas extensas que con anterioridad y de forma natural, eran capaces de gestionar el agua de lluvia que recibían.

Uno de los problemas, tal vez el más importante y visible, derivado de la impermeabilización de las zonas urbanas es la formación de inundaciones localizadas tras eventos de lluvia que causan daños a las propiedades u obstaculicen el normal desenvolvimiento de la vida urbana por eso fue importante desarrollar un sistema de drenajes de aguas pluviales en este barrio.

La principal función de este sistema de drenaje es la conducción de las aguas lluvias hasta sitios donde no provoquen daños. Esto se logra mediante distintos componentes que conforman el sistema de drenaje en la que encontramos las estructuras de captación como los sumideros que recolectan las aguas a transportar, las estructuras de conducción que transportan las aguas recolectadas. También se presentan estructuras de conexión y mantenimiento, estructuras de vertido e instalaciones complementarias como disipadores de energía. Los sumideros ayudan a recoger el drenaje pluvial, lo pasan a las tuberías y las tuberías entregan el agua al canal.

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3. DESCRIPCIÓN DEL CANAL VILLA SANTOS

El drenaje urbano del barrio villa santos se encuentra en la Cra 51B entre calles 98 y 100 en el parque villa santos.

El canal inicia en la Cra 51B calle 98 cerca de la Pista Bicicross hasta la Calle 110 # 49D-2 a 49D-100 donde se encuentra el box culvert y termina el barrio.

Los tramos del drenaje pluvial que vamos a estudiar son los siguientes:

1. Inicio del canal - Cra 51B calle 982. Culvert que contiene 4 tuberías - Calle100 # 49c-23. Canal rectangular prismático - Cra 49E #101-14. Canal rectangular prismático- Cra 49D # 102-25. Box Culvert-Calle 110 # 49D-2

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4. METODOLOGIA

La metodología del presente informe se basa en:

Recopilación y registro de datos durante el recorrido Organización de la información Tabulación y desarrollo de calculo

Recopilación y registro de datos durante el recorrido:

Durante la visita se realizó un recorrido por el canal de aguas lluvias del barrio Villa Santos y se tomaron medidas para calcular la capacidad hidráulica de diferentes secciones del canal. Por lo anterior se hizo necesario:

Cinta métrica (min 5 metros) Esta la utilizamos para tomar todas las respectivas medidas necesarias para desarrollar posteriormente los cálculos, con ella tomamos tanto el ancho con las diferentes alturas de las diferentes secciones del canal.

Manguera de nivel (min 5 metros) Esta la utilizamos para determinar la pendiente, la cual se hallaba luego de haber medido el nivel de la sección con la manguera, y estas medidas se tomaron de la siguiente manera:

- Primero se llenaba la manguera con agua de tal manera que a los lados quedara un espacio vacío para poder determinar las alturas, también se tenía que tener en cuenta que estas no tuvieran aire.

- Esta se debía nivelar antes de realizar la medición, y se hacía juntando ambos extremos de la manguera y viendo que el nivel del agua en ambos extremos se encontraran iguales.

- Luego se procedía a medir a cierta distancia, estirando la manguera. - Se medía la altura en ambos extremos y luego la longitud para así poder

calcular la pendiente.

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Calculadora Para realizar los cálculos correspondientes, como el cálculo

de la pendiente (S) S=∆ HL

Planilla de escritura Para la toma de datos.

Procedimiento general:

1. Para cada uno de los 5 puntos visitados, tomamos los datos y mediciones necesarios para realizar los cálculos planteados, como lo fueron las diferentes dimensiones del canal (Alturas, ancho, nivel.).

2. Se construyó un esquema del canal a lo largo del trayecto visitado, identificando los aportes de aguas lluvias que recibe este y los cambios que tiene en su trayecto; como escalones o transiciones. Para esto tomamos fotografías de todos los puntos.

3. Realizamos el recorrido por el barrio Villa Santos, identificando y localizando los elementos del drenaje urbano y especialmente su canal de aguas lluvias.

4. Para el punto 2 se identificó el cambio de sección del canal: pasando de una sección rectangular a una circular (conjunto de 4 tuberías) en el cruce de la calle 100. Allí tomamos las medidas de canal y tuberías para posteriormente poder estimar la capacidad hidráulica de las tuberías vs la capacidad del canal aguas arriba del cruce.

5. Para los puntos 2 y 3 del recorrido, se midieron los escalones y el cambio en el ancho del canal. Estos datos son necesarios para el desarrollo de los cálculos.

6. Las mediciones del 4 punto sólo se hizo fuera del canal, debido a que había presencia de agua durante ese tramo y por seguridad se tomaron los datos desde afuera. Las alturas se tomaron desde arriba, con la cinta métrica se tomaron desde el borde del canal hasta el fondo de este; y lo mismo se hizo con la toma del ancho, esta se tomó fuera del canal en un puente que se encontraba a través de este. Los datos de la pendiente se tomaron las medidas del nivel normalmente pero en la parte de afuera del canal.

7. En el punto 5 no se tomaron datos, solo se hicieron registros fotográficos, y esto se debió a que este se encontraba a una profundidad bastante considerable y sus dimensiones eran bastante grandes y resultaba peligroso bajar hasta donde este se encontraba.

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Organización de la información: Después de terminado el recorrido y registrado todos y cada uno de los datos se procedió a la tabulación y ordenación de la información obtenida durante el recorrido. En esta última parte se comprobaron los datos y se calcularon las pendientes en cada uno de los puntos del recorrido, con las pendientes calculadas y los datos organizados se procedió al proceso de cálculos.

Tabulación y desarrollo de cálculos: El desarrollo de caculos consistió en la aplicación de los temas y formulas vistas en clase durante el semestre, específicamente los conceptos y teorías sobre: flujo uniforme, energía específica, ecuación de Manning, régimen de flujo, elementos geométricos de las secciones de los canales, vertederos, distribución de velocidades, etc.

Los cálculos se basaron en calcular primeramente la profundidad de flujo en cada una de los puntos establecidos, para lo cual se consideró la altura total del canal en las secciones determinadas y se estableció un borde libre a partir de fuentes bibliográficas. Después se calculó el caudal máximo que en cada sección de flujo, considerando para ello un flujo uniforme y empleando la ecuación de Manning, cabe destacar que el caudal que se obtuvo realmente no es el caudal máximo porque con los datos tomados en recorrido no son lo suficiente contundentes para determinar realmente el caudal máximo que puede transportar el canal en cada una de las secciones. También se determinó la velocidad máxima y mínima a partir de la velocidad promedio y de la distribución de velocidades de un canal con sección rectangular como la del canal de Villa Santos, además se calculó con los caudales máximos obtenidos el número de Froude y la energía especifica mediante los respectivos modelos matemáticos ya establecidos teóricamente. Se determinaron las profundidades alternas mediante iteraciones. En el punto uno del recorrido se dimensiono un vertedero con el fin de conocer si era capaz de transportar adecuadamente el caudal, para el dimensionamiento del vertedero se tuvieron en cuenta formulas empíricas y se escogió la más adecuada que cumpliera con las especificaciones de la profundidad del canal en ese punto con el objetivo de evitar algún desbordamiento del flujo. Se determinó mediante la ecuación de Manning la capacidad hidráulica de las cuatro tuberías, suponiendo para ello un flujo presurizado y la misma pendiente del canal en el punto uno. Mediante la conservación de energía se pudo determinar el efecto que causa en la profundidad de flujo los escalones que se presentan en el punto del canal, y también por medio de conservación se pudo estimar el efecto sobre la profundidad de flujo el efecto del cambio de ancho del canal en el punto dos.

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5. DATOS TOMADOS EN EL RECORRIDO

A continuación en la tabla N° 1, se muestran los datos tomados durante el recorrido en cada uno de los puntos del canal es estudio.

Tabla N° 1: Registro de los datos tomados en el recorrido

PUNTOS DEL RECORRIDO

Ancho canal (m)

Altura borde

Izq. (m)

Altura borde Der.

(m)h1 (m)

h2 (m) ∆ H

L (m) S

PRIMER PUNTO 3.03 0.57 0.47 1.17 1.07 0.1 4.67 0.02141

Inicio PUNTO 2 7.24 0.68 0.69

Sección 1 PUNTO 2 7.24 0.9 0.89 1.1 1 0.1 4.5 0.0222

Sección 2 PUNTO 2 7.15 1.06 1.08 1.1 1 0.1 4.85 0.02061

Sección 3 PUNTO 2 4.85

TERCER PUNTO 3.96 1.04 1.08 1.29 1.25 0.04 2.39 0.01673

CUARTO PUNTO 4.02 1.08 1.08 0.66 0.59 0.07 3.79 0.01846

La pendiente se determinó mediante la siguiente formula: S=∆ HL

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6. CALCULOS

Calculo de la profundidad de flujo, el caudal máximo, la velocidad máxima, velocidad mínima, el número de Froude, la energía específica y las profundidades alternas para cada uno de los puntos del recorrido:

Como ya hemos venido mencionando el recorrido constaba de 5 puntos específicos del canal, a continuación describiremos cada uno de estos puntos y las medidas que se tomaron:

PUNTO 1:

El punto corresponde al punto inicial donde se inició el recorrido y donde se encuentra el Parque Pista Bicicross, en este punto se tomaron los datos en una sola sección del canal. Los datos que se tomaron son los siguientes:

s=0,02142

Ancho canal=303cm=3.03m

Para determinar la profundidad de flujo en un canal se debe tener en cuenta la altura total y el borde libre, en nuestro caso la altura total vienen siendo las alturas tomadas y el borde libre se determina mediante criterios especificados en fuentes bibliográficas.

El borde libre de un canal es la distancia vertical desde la parte superior del canal hasta la superficie de agua en la condición de diseño. Esta distancia debe de ser lo suficientemente grande para prevenir que ondas o fluctuaciones en la superficie del agua causen rebose por encima de los bordes. No hay regla universal para el cálculo de borde libre ya que las fluctuaciones pueden ser producidas por diversas causas incontroladas. Los valores comunes para el diseño de bordes van desde el 15% hasta el 30% de la profundidad de flujo. Para nuestros cálculos tomaremos como borde libre el 30% de la altura del canal.

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Por tanto el borde libre:

BL=30%∗Ht100%

Dónde:HT= altura total del canalBL= borde librey= profundidad de flujo

y=HT −Bl

Calculo del borde libre:

Bl=0,47m×30%100%

=0,141m

Entonces la profundidad de flujo en el canal es:

y=HT −Bl=0,47−0,141=0,329m

Nota: Se toma como altura total el valor menor de los medidos en el recorrido porque realmente ese corresponde al valor verdadero porque si se tomara el valor mayor entonces el flujo se desbordaría.

Teniendo calculada la profundidad de flujo se procede a calcular el caudal máximo, el cual se determinara empleando la ecuación de Manning en términos de caudal, cuyo modelo matemático viene dado de la siguiente manera:

Q=1n

A R23 S

12

Donde:

n=¿ Coeficiente de rugosidad de Manning, este depende del material

A=¿ Área de la sección del canal

12

R=¿ Radio hidráulico de la sección del canal

S=¿ Pendiente del canal

El coeficiente de rugosidad depende del material con que este hecho el canal, es por ello que tomaremos en consideración los siguientes materiales de canales y escogeremos el que cumpla con las condiciones del canal de Villa Santos:

Tabla N° 2: Coeficiente de Manning de algunos canales

Fuente: Tomado de http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion/Setiembre_2011/IF_ROMERO%20DEXTRE_FIPA/CUADRO%20N%BA2.pdf

Tomaremos como coeficiente de rugosidad 0.013, el cual corresponde a canales revestidos de hormigón, acabado con paleta paredes lisas, siendo este el que cumple con las especificaciones del canal de Villa Santos.

Seguidamente calculamos el área y radio hidráulico basándonos en las formulas correspondientes para elementos geométricos en canales con sección rectangular como el de Villa Santos.

R= AP

= b+ yb+2 y

= 3,03m∗0,329m3,03m+2 (0,329m )

=0,27m

A=0,99687m2

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http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion/Setiembre_2011/IF_ROMERO%20DEXTRE_FIPA/CUADRO%20N%BA2.pdf

http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion/Setiembre_2011/IF_ROMERO%20DEXTRE_FIPA/CUADRO%20N%BA2.pdf

Qmax=1

0,013(0,99687m2 ) (0,27m )

23 (0,02141 )

12=4,69m3/ s

Con el caudal máximo calculado procedemos a determinar el número de Froude la energía específica y la profundidad alterna para la sección del canal de Villa Santos del punto 1.

Número de Froude: Aplicamos la ecuación del Número de Froude pero en términos de caudal

Fr= QA √gy

= 4,69m3/ s

0,99687m2√(9,8m

s2 ) (0,329m )=2,62 ( flujo Supercritico )

Energía Específica: Al igual que con el número de Froude determinamos al energía especifica en términos de caudal:

E= y+ Q2

2 A2 g=0,329m+

(4,69m3/ s)2

2 (0,99687m2 )2(9,8ms2 )

=1,46m

Profundidad alterna: Para determinar la profundidad alterna aplicamos el principio de conservación de energía igualando las energías específicas en dos puntos específicos, para ello conozco la energía en un punto y pretendo conocer la profundidad en el otro punto suponiendo que en ambos puntos las energías debe ser iguales, quedando como resultado una ecuación cubica o un sistema que se resuelve por tanteo.

E1=E21,46m= y2+Q2

2 ( b y2 )2g

1,46m= y2+(4,69m3

s )2

2 (3,03m¿ y2 )2(9,8 ms2 )

1,46m= y2+0,122

( y2 )2

1.46m=1.462m

Por tanteo nos queda que las energías son iguales cuando y2 es igual a: y2=1,4m

una forma de comprobar que es la profundidad alterna es calculando el número de Froude cuyo régimen de flujo debe ser el inverso a la profundidad en uno

14

Fr=(4,69m3

s )(3.03m∗1.4m )∗√(9,8 m

s2 )∗1,4m

=0,29(flujo subcritico)

PUNTO DOS:

El punto es el paso por Culvert, donde se encuentran inicialmente las cuatro tuberías, este punto se encuentra a lado de la Estación de taxis, en este punto 2 se encuentran una serie de escalones que actúan como disipadores de energía, a continuación se presenta una figura de la vista en planta y de perfil del punto 2 del recorrido:

Como se puede ver en la figura anterior se encuentran una serie de losas, con las que se constituye el canal en este punto; cabe destacar que a diferencia de los otros puntos fue en el punto dos donde se tomaron datos en cuatro secciones diferentes del canal, cuyos datos e ilustraciones se encuentran establecidos en la siguiente figura:

15

Teniendo en cuenta que fue en la losa 1 y en la losa 2 donde se tomaron pendientes, es por ello que los cálculos se realizaran solamente en estas dos losas.

Sección 1 del punto 2: losa 1

Donde:

s=0,0222

Ancho canal=7.24m

HT =0.89m


Bl=0,89m ×30%100%

=0,267m


y=HT −Bl=0,89m−0,267m=0,623m

Caudal máximo:

Q=1n

A R23 S

12

n= Canal revestido de hormigón, acabado con paleta paredes lisas = (0,013)

R= AP

= b+ yb+2 y

= 7,24m∗0,623m7,24m+2 (0,623m )

=0,53m

A=4,51m2

Qmax=1

0,013(4,51m2) (0,53m )

23 (0,0222 )

12=33,85m3/s

Numero de Froude:

17

Fr= QA √gy

= 33,85m3/ s

4,51m2√(9,8m

s2 ) (0,623m )=3,04 ( flujoSupercritico )

Energía Específica:

E= y+ Q2

2 A2 g=0,623m+

(33,85m3/ s)2

2 (4,51m2 )2(9,8 ms2

)=3,5m

Profundidad alterna:

E1=E2

3,5m= y2+Q2

2 ( b∗ y2)2g

3,5m= y2+(33,85m3/s )2

2 (7,24m∗y2 )2(9,8 m

s2 )3,5m= y2+

1,115

( y2)2

3,5m=3,505m

Por tanteo nos queda que las energías son iguales cuando y2 es igual a:y2=3,41m

Fr=(33,85 m3

s )(7,24m∗3,41m )∗√(9,8 m

s2 )∗3,41m

=0,24( flujo subcritico)

Sección 3 del punto 2: Losa 2

Donde:

s=0,02061

18

Ancho canal=7.15m

HT =1.06m


Bl=1,06m ×30%100%

=0,318m


y=HT −Bl=1,06−0,318=0,742m

Caudal máximo:

Q=1n

A R23 S

12n= canal revestido de hormigón, acabado con paleta paredes lisas =

(0,013)

R= AP

= b+ yb+2 y

= 7,15m∗0,742m7,15m+2 (0,742m )

=0,614m

A=5,3053m2

Qmax=1

0,013(5,5053m2 ) (0,614m)

23 (0,02061 )

12=42,32m3/s

Numero de Froude:

Fr= QA √gy

= 42,32m3/s

5,5053m2√(9,8 m



E= y+ Q2

2 A2 g=0,623m+

(42,32m3/ s)2

2 (5,5053m2 )2(9,8 ms2

)=3,99m


E1=E23,99m= y2+Q2

2 ( b∗ y2)2g

19

3,99m= y2+(42,32m3/s )2

2 (7,15m∗y2 )2(9,8 m

s2 )3,99m= y2+

1,79

( y2 )2

3,99m=3,99m

Por tanteo nos queda que las energías son iguales cuando y2 es igual a:

y2=3,871mFr=(42,32 m3

s )(7,15m∗3,871m )∗√(9,8m

s2 )∗3,871m

=0,25 (flujo subcritico)

Sección 4 del punto 2: Losa 5

Donde:

s=No sedetermino

Ancho canal=4.85m

HT =1.07m


Bl=1,07m ×30%100%

=0.321m


y=HT −Bl=1,07−0,321=0.749m

PUNTO 3:

20

El punto tres lo identificamos por que cerca de él se ubica una cancha de micro, además es allí donde se presenta un canal rectangular prismático y se encuentra después del puente.

Donde:

s=0,0167

Ancho canal=3.96m

HT =1.04m


Bl=1,04m×30%100%

=0,312m


y=HT −Bl=1,04m−0,312m=0,728m

Caudal máximo:

Q=1n

A R23 S


(0,013)

R= AP

= b+ yb+2 y

= 3,96m∗0,728m3,96m+2 (0,728m)

=0,532m

A=2,88288m2

21

Qmax=1

0,013(2,88288m2 ) (0,532m )

23 (0,0167 )

12=18,81m3/ s

Numero de Froude:

Fr= QA √gy

= 18,81m3/s

2,88288m2√(9,8m



E= y+ Q2

2 A2 g=0,728m+

(18,81m3/s )2

2 (2,88288m2 )2(9,8 ms2

)=2,90m

La energía anteriormente calculada se realizó sin tener en cuenta el escalón, teniendo en cuenta el escalón tenemos que la energía tendría un valor de:

E= y+ Q2

2 A2 g+∆Z=0,728m+

(18,81m3/s)2

2 (2,88288m2 )2(9,8 ms2

)+0.73m=3,63m

Profundidad alterna con E1 sin escalon:

E1=E22,90m= y2+Q2

2 ( b∗ y2)2g

2,90m= y2+(18,81m3/s )2

2 (3,96m∗y2 )2(9,8 m

s2 )2,90m= y2+

1,15

( y2 )2

2,90m=2,90m


Fr=(18,81m3

s )(3,96m∗2,71m )∗√(9,8m

s2 )∗2 ,71m


PUNTO 4:

22

El punto cuatro se encuentra cerca de la estatua del soldado y de la segunda cancha de micro.

Donde:

s=0,0189

Ancho canal=4.02m

HT =1.08m


Bl=1,08m ×30%100%

=0,324m


y=HT −Bl=1,08m−0,324m=0,756m

Caudal máximo:

Q=1n

A R23 S


(0,013)

R= AP

= b+ yb+2 y

= 4,02∗0,756m4,02m+2 (0,756m )

=0,55m

A=3,04m2

Qmax=1

0,013(3,04m2 ) (0,55m)

23 (0,0189 )

12=21,58m3/s

Numero de Froude:

23

Fr= QA √gy

= 21,58m3/ s

3,04m2√(9,8m



E= y+ Q2

2 A2 g=0,756m+

(21,58m3/ s)2

2 (3,04m2 )2(9,8ms2

)=3,33m


E1=E23.33m= y2+Q2

2 ( b∗ y2)2g

3.33m= y2+(21,58m3/s )2

2 (4.02m∗y2 )2(9,8 m

s2 )3.33m= y2+

1,47

( y2 )2

3.33m=3.334m


Fr=(21,58 m3

s )(4,02m∗3,19m )∗√(9,8 m

s2 )∗3,19m


DISTRIBUCION DE VELOCIDADES EN UN CANAL DE SECCION RECTANGULAR:

En los canales abiertos debido a la presencia de la superficie libre y a la fricción a lo largo de las paredes del canal, las velocidades no están uniformemente distribuidas en su sección. Para el estudio de la distribución de las velocidades se han construido diversos modelos generales para la distribución de velocidades en diferentes secciones transversales de canales, como se ha venido diciendo anteriormente el canal de Villa Santos, es un canal abierto con sección transversal rectangular, por tanto para la distribución de velocidades del canal Villa Santos nos basaremos en el modelo general de distribución de velocidades de un canal de sección rectangular, el cual se muestra en la siguiente figura:

24

En la figura anterior se puede apreciar que para canales rectangulares la velocidad máxima se encuentra en el centro con un valor de 2.5 y la velocidad mínima se encuentra en las paredes del canal con un valor de 0.5, por tanto se puede determinar la velocidad máxima y mínima de la siguiente forma:

Vmax=2,5 (Vprom )Vmin=0,5 (Vprom)

Siendo Vprom , la velocidad promedio que circula por el canal y la cual determinamos con el caudal y el área de la sección, ya que si Q=A∗V ; entonces

V=QA

, Teniendo en cada uno de los puntos del recorrido tanto el caudal como el

área de la sección, las cuales fueron calculadas anteriormente se procede a terminar la velocidad máxima y mínima.

Punto 1:

Vprom=QA

=4,69

m3

s0,99687m2=4,7m / s

Vmax=2,5 (4,7m /s )=11,75m /sVmin=0,5 (4,7m / s)= 2 ,35m /s

Punto 2:

En el punto dos solo se realizan los cálculos de la losa uno y de la losa dos porque fueron donde se tomaron los datos completos para la realización de los cálculos.

25

Sección 1: Losa 1

Vprom=QA

=33,85

m3

s4,51m2 =7,50m /s

Vmax=2,5 (7,50m / s)=18,75m /sVmin=0,5 (7,50m /s)=3,75m /s

Sección 2: Losa 2

Vprom=QA

=42,32

m3

s5,3053m2=7,98m / s

Vmax=2,5 (7,98m / s)=19,95m /sVmin=0,5 (7,98m /s)=3,99m/ s

Punto 3:

Vprom=QA

=18,81

m3

s2,88288m2=6,52m / s

Vmax=2,5 (6,52m / s)=16,3m / sVmin=0,5 (6,52m /s)=3,26m /s

Punto 4:

Vprom=QA

=21,58

m3

s3,04m2 =7,1m/ s

Vmax=2,5 (7,1m /s )=17,75m / sVmin=0,5 (7,1m /s)=3,55m / s

DIMENSIONAMIENTO DE UN VERTDERO EN EL PUNTO UNO DEL RECORRIDO:

Para dimensionar un vertedero que mida el caudal en el punto uno del recorrido aplicaremos una formula específica para vertederos rectangulares que cumpla con los requerimientos dados y el flujo de agua no se desborde del canal. Para lo cual aplicaremos la fórmula de Bazin ampliada por Hegly, la cual se aplica para

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vertederos cuyas cargas (H) están comprendidas entre 0.10m y 0,60m, cuyas longitudes están entre 0,50m y 2m y en los que la altura del umbral (P) se encuentra entre 0,20m y 2m.

El vertedero a dimensionar debe tener como principal condición mantener sus mismas dimensiones con respecto a su altura y su ancho, es por ello que la altura total del vertedero no debe superar la altura de la profundidad de flujo en el punto uno, cuyo valor es de 0.329m≅ 0.33m; esto con el fin de que el agua no se desborde a las áreas aledañas al canal, por lo tanto la altura total del vertedero será de 0.33 m y la carga y el umbral se distribuirán teniendo en cuenta la altura total y las limitaciones de la fórmula de Bazin-Hegly. Con respecto a todo lo anterior se tomaran los siguientes valores de P y H:

P=0,20mH=0,13m

Como las longitudes están entre 0,50m y 2m según la fórmula de Bazin-Hegly, se diseñara un vertedero con contracciones laterales. En las siguientes figuras se muestran las dimensiones del vertedero a dimensionar:

La fórmula de Bazin-Hegly parte de la ecuación general de descarga de un vertedero:

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Q=23

√2 gC LH32

Donde para un vertedero con contracciones laterales el valor de la constate C viene dado mediante el siguiente modelo matemático:

C=(0,6075−0,045(B−LB ))(1+0,55( L

B )2

( HH+P )

2)Reemplazando nuestros datos tenemos que la constante del vertedero es:

C=(0,6075−0,045( 3m−2m3m ))(1+0,55( 2m

3m)2

( 0,13m0,13m+0,20m )

2)=0,0614976431Después calculamos el valor real de la longitud teniendo en cuenta las contracciones laterales:

L=(L−nH10 )=(2m−

2 (0,13m )10 )=1,974m

Seguidamente aplicamos la formula general de vertederos rectangulares para hallar el caudal:

Q=23

√2(9,8)(0,61 ) (1,974 ) (0,13 )32=0,17m3/s

El caudal que puede transportar el vertedero es de 0,17m3/ s, siendo este muy pequeño a diferencia del caudal obtenido en el punto uno antes de dimensionar el vertedero. Cabe destacar que se despreció la velocidad de aproximación por ser esta muy pequeña, ya que al calcularla da un valor minino, y este no afectaría mucho en la formula general.

Vo= QB(HT )

= 0,17m3/ s3m(0,33m)

=0,17 ms

Vo2g

=(0,17m /s)2

2 (9,8)=1,47×10−3

CAPACIDAD HIDRAULICA DE LAS TUBERIAS EN EL PUNTO 2:

En el punto dos se encuentran las cuatro tuberías ambas con un diámetro de 0.93 m, para determinar su capacidad hidráulica aplicamos la ecuación de Manning en términos de caudal esta vez aplicada al área y radio hidráulico de una tubería y

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tomando como pendiente, la pendiente del canal aguas arriba, es decir la del punto uno del recorrido, también se destaca que la capacidad hidráulica se determina suponiendo en las tuberías un flujo presurizado. La fórmula viene dada de la siguiente forma:

Q=1n ( π D2

4 )(D4 )

23 S

12

Donde:

n=¿ Coeficiente de rugosidad de Manning que para el caso de las tuberías corresponde al plastico (PVC )=0,009

D=¿ Diámetro de las tuberías 93cm=0,93m

S ( primer punto )=0,02141

Teniendo todos los datos procedemos a aplicar la fórmula:

Q= 10.009 ( π (0,93m)2

4 )( 0,93m4 )

23 (0,02141)

12=4,17m3/s

Capacidad hidráulica de una tubería= 4,17m3 /s

Capacidad hidráulica de las 4 tuberías 4,17∗4Tuberias=16,68m3 /s

EFECTO DE LOS ESCALONES EN LA PROFUNDIDAD DE FLUJO EN EL PUNTO DOS DEL RECORRIDO:

El punto dos es el que está compuesto por una serie de losas y escalones que cumplen la función de disipar la energía, estos escalones afectan la profundidad de flujo, es por ello que para determinar este efecto realizaremos conservación de la energía aplicando energía especifica en dos puntos determinados del punto dos, que para este caso partiremos como nuestro punto uno la energía en la losa uno y el punto dos la energía en la losa dos, tal como lo muestra la figura que se presenta a continuación. Los escalones se encuentran en todas las losas del punto dos hasta la última que es donde el canal cambia en su mayor parte su transición, sin embargo por el hecho de que solo se tomaron datos en la losa 1, en la losa 2 y donde se da la transición del canal, la cual está un poco separada de las dos primeras losas mencionadas anteriormente, es por ello que solo se determinara el efecto del escalón en la losa uno y la losa 2.

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E1 LOSA1=E2LOSA 2

La energía en 1 es la energía de la losa dos del punto 2, la cual ya se calculó anteriormente y cuyo valor es 3,5m, también se utilizara el caudal de la losa 1.

3,5m= y2+Q2

2 ( b∗ y2)2g

+∆ Z

3,5m= y2+(33,85 m3

s )2

2 (7,15m∗y2 )2(9,8 ms2 )

+0,22m

3,5m= y2+1,14

( y2 )2+0,22m

3,28m= y2+1,14

( y2 )2

y3−3,28 y2+1,14=0

De las respuestas obtenidas mediante la solución de la ecuación cubica, debemos tomar el valor con el cual se siga manteniendo el régimen de flujo que se dio en la losa 1, es decir un flujo supercrítico, las opciones de respuesta son:

y2=3,16

y2=−0,54

y2=0,66

30

Con la que se da flujo supercrítico es con y2=0.66m, por tanto esta seria la profundidad para la losa 2:

Fr=33,85

m3

s

(7,15m∗0,66m )∗√9,8 m

s2∗0,66m

=2,82Flujo Supercritico

Con la y2=0.66m, calculamos nuevamente Q, E y V en la losa 2:

n=0,013S2=0,02061A=b× y2=7,15m∗0,66m=4,719m2

P=b+2 ( y2 )=7,15m+2 (0,66m )=8,47mR= AP

=4,719m2

8,47m=0.56m

Caudal:

Q=1

0,013(4,719m2 ) (0,56m )

23 (0,02061 )

12=35,40m3/ s


E= y+ Q2

2 A2 g=0,66m+

(35,40m3/ s)2

2 (4,719m2 )2(9,8ms2

)=3,53

Velocidad:

V=QA

=35,40m3/s4,719m2 =7.50m /s

EFECTO DEL CAMBIO DE ANCHO DEL CANAL EN LA PROFUNDIDAD DE FLUJO EN EL PUNTO DOS:

Para determinar este efecto nos basaremos igual que en el caso anterior, siendo que para este caso tomaremos como energía en uno la última energía calculada de las losas, es decir la energía en la losa 2, tomaremos la que se calculó anteriormente porque es la que trae consigo la profundidad real del flujo por el efecto de los escalones. La energía dos para aplicar el principio de conservación de energía será la losa donde se presenta en gran medida el cambio de ancho del canal, es decir en la losa 5 del punto dos, cabe destacar que se igualara la energía

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en la losa 2 y en la losa 5 porque los datos de la losa más cercana a la 5 no los tenemos porque no se calcularon. A pesar de ello procederemos de la siguiente manera:

E1 LOSA2=E2 LOSA5

3,53m= y 2+ Q2

2 A2 g+∆ Z= y2+

(35 ,40m3 /s)2

2 (4.85m ¿ y2 )2(9,8 ms2

)+0.32m

3,53m= y2+2,72

( y2 )2+0,32m

3,21m= y2+2,72

( y2 )2

y3−3,21 y2+2,72=0

Se resuelve la ecuación cubica y se obtienen las siguientes opciones de respuesta:

y2=2,88

y2=−0,82

y2=1,15

Para mantenerse el mismo régimen de flujo la profundidad de flujo y2=1,15m

Siendo este valor diferente a la obtenida en el recorrido en la losa 5, cuyo valor de fue de 0.749 m.

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EQUIPOS Y MÉTODOS PARA LA MEDICIÓN DE CAUDAL PARA LOS PUNTOS 3, 4 Y 5:

Equipo: Caudalimetro en canal abierto 713

Se puede utilizar el caudalímetro en canal abierto para medir caudal en canales abiertos y vertederos. El convertidor 713 es un equipo completo para calcular la medida de caudal de forma continua y el volumen total. Se puede utilizar el caudalímetro en canal abierto para la medición en cualquier tipo de canal o vertederos.

Características:

Puede utilizarse con sensor de tipo ultrasónico o hidrostático.

Se adapta a cualquier tipo de vertedero o canal.

Indica caudal instantáneo, y el promedio de la medida del caudal durante la última hora y durante las últimas 24 horas.

Indica el caudal totalizado, así como el caudal total durante la última hora y durante las últimas 24 horas.

Indica el caudal totalizado, así como el caudal total durante la última hora y durante las últimas 24 horas.

Alarma ajustable para caudal alto o caudal bajo y para volúmenes grandes dentro de una hora y de 24 horas.

Aplicación:

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Se usa normalmente el caudalímetro en canal abierto para medir el caudal en instalaciones de depuración de aguas residuales, sean instalaciones de industria o municipales. También se usa en estaciones de bombeo para medir crecidas, en piscifactorias y para medir caudal en ríos y arroyos.

Funciones:

El convertidor 713 mide el nivel. Dentro del amplificador se linealiza la señal para que sea proporcional al caudal. El caudalímetro en canal abierto calcula el caudal en base a los tres principios siguientes:

Formulas prefijadas para distintas dimensiones de los vertederos y canales más comunes, por ejemplo canales Parshall, canales Venturi, canales Palmer & Bowlus, vertederos con muesca triangular y vertederos rectangulares.

Cuando se usan otros canales o vertederos se pueden programar el exponente y el factor de cálculo de la formula.

Cuando no existe una fórmula de cálculo, se puede introducir una serie de valores Q/h y se puede hacer una linealización de puntos a base de ellos. Este método se usa, por ejemplo, para canales que no cumplen con el estándar ISO 1438.

El caudalímetro en canal abierto 713 se usa para la medición del caudal en canales abiertos y vertederos. La determinación de la medida del caudal se basa en la siguiente función matemática básica:

Caudal Q = f ( nivel x * constante)

El exponente x y la constante dependen de las dimensiones del vertedero o del canal. El método de la medición y la linealización cumple con la norma ISO 1438. La norma indica cómo se forma la cresta sobre el vertedero y el canal y da los cálculos para la linealización. La operación del convertidor de caudal se lleva a cabo usando cuatro teclas de función: la tecla del caudal, la tecla de suma, la tecla de alarma y la tecla de muestras.

METODO: Flotadores

Se basa en obtener el área transversal midiendo el ancho del efluente, luego dividir en secciones y medir la profundidad en cada una de ellas para obtener el área transversal promedio. Medir y demarcar una distancia conocida a lo largo del canal; colocar suavemente sobre la superficie del agua un elemento flotante en el canal y simultáneamente activar el cronometro; medir el tiempo transcurrido hasta que el objeto termine de recorrer la distancia asignada. Repetir este proceso

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varias veces y calcular el promedio. El objeto flotante no se debe dejar caer ni arrojar sobre la corriente, por cuanto esto le imprimiría una velocidad que afecta la medición.

El caudal se calcula como:

Q=VxA

Donde,

Q= Caudal, m3/sV = Velocidad superficial, m/sA = Área transversal promedio, m2

La velocidad se calcula como:

V= Xt

Donde,V = Velocidad superficial, m/sX = Longitud recorrida por el elemento flotante, mt = Tiempo de recorrido del elemento flotante, s

El área transversal promedio se calcula como:

Donde,A = Área transversal promedio, m2

W = Ancho de la corriente, mH = Profundidad en cada vertical, mn = Número de puntos de medición o verticales

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7. RESULTADOS

A continuación en las siguientes tablas se resumen los resultados obtenidos sobre La profundidad de flujo, área, perímetro mojado, radio hidráulico, caudal, velocidad, coeficiente de Manning, velocidad promedio, velocidad máxima, velocidad mínima, número de froude, energía específica, profundidad alterna.

Tabla N° 3: Resultados obtenidos parte 1

Tabla N° 4: Resultados obtenidos parte 2

PUNTOS DEL RECORRIDO

n Q(m3/ s)Vprom(m / s) Vmax(m / s) Vmin

(m / s) E(m) Fr Tipo de Flujo

Y alterna(m) Fr Tipo de flujo

alterno

PRIMER PUNTO 0.013 4.690674 4.705401906 11.76350476 2.35270095 1.45863302 2.62 Subcritico 1.4 0.29 Subcritico Sección 1 PUNTO 2 0.013 33.921533 7.520537109 18.80134277 3.76026855 3.50863665 3.04 Subcritico 3.41 0.24 Subcritico Sección 2 PUNTO 2 0.013 42.939402 7.993068226 19.98267056 3.99653411 4.00164998 2.96 Subcritico 3.871 0.25 Subcritico

TERCER PUNTO 0.013 18.8223302 6.529002321 16.3225058 3.26450116 2.90289139 2.44 Subcritico 2.75 0.33 SubcriticoCUARTO PUNTO 0.013 21.558201 7.093566882 17.73391721 3.54678344 3.32328016 2.61 Subcritico 3.19 0.30 Subcritico

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PUNTOS DEL RECORRIDO b (m) HT (m) BL(m) Y (m) S Área¿) Perimetro Mojado(m) R(m)

PRIMER PUNTO 3.03 0.47 0.141 0.329 0.02141 0.99687 3.688 0.270300976

Sección 1 PUNTO 2 7.24 0.89 0.267 0.623 0.0222 4.51052 8.486 0.531524864

Sección 2 PUNTO 2 7.24 1.06 0.318 0.742 0.02061 5.37208 8.724 0.615781751

TERCER PUNTO 3.96 1.04 0.312 0.728 0.0167 2.88288 5.416 0.532289513

CUARTO PUNTO 4.02 1.08 0.324 0.756 0.0189 3.03912 5.532 0.549370933

8. ANALISIS DE RESULTADOS

El canal Villa Santos es uno de pocos sistemas que tiene nuestra ciudad para la evacuación y el drenaje de las aguas lluvias, durante el recorrido pudimos darnos cuenta que está compuesto por varios tramos y en los puntos específicos estudiados pudimos visualizar que a lo largo de toda la sección del canal, este tiene diversas alturas, y anchos debido en cierta parte a los cambios de pendiente que se van dando, ya que en los puntos de estudio las pendientes fueron muy variables, en el punto inicial se comenzó con una pendiente determinada que luego aumento un poquito en el punto 2 en la primera losa, pero luego por el efecto de los escalones desde las demás losas del punto 2 hasta el punto tres la pendiente disminuyo y aumento un poco en el punto cuatro, sin embargo aunque no afecte en gran medida no podemos obviar el hecho de ciertos errores en la toma de los datos, que quizás afectaron un poco las medidas tomadas, estos errores pudieron deberse a la mala nivelación para el cálculo de la pendiente, también en la toma de las medidas con la cinta métrica.

Con los datos obtenidos se pudo apreciar que en cada uno de los puntos de estudios se transportan caudales diferentes a velocidades diferentes, esto se debe por las dimensiones de cada una de las secciones, ya que la fórmula aplicada para calcular el caudal depende del coeficiente de Manning, del área, del radio hidráulico y de la pendiente, estos tres últimos tienen relación directamente proporcional con el caudal por tanto si aumentan de igual forma aumenta el caudal y viceversa, el coeficiente de Manning es inversamente proporcional al caudal, pero no afecta en este caso porque era el mismo en todas las secciones del canal por tanto el aumento o disminución del caudal dependía principalmente del área de la sección del canal y de la pendiente y al ser estos muy variables en cada sección fue lo que ocasiono que se dieran caudales diferentes, velocidades y energías diferentes, porque estas últimas a su vez dependen del caudal y del área hidráulica del canal. Con los datos obtenidos del número de Froude se pudo conocer que el flujo que transita a lo largo del canal es de tipo supercrítico.

De acuerdo al dimensionamiento del vertedero en el punto uno del canal en estudio podemos decir que para el transporte adecuado del caudal en dicho punto, la utilización de estructuras hidráulicas para medición de caudal como los vertederos no son los más adecuados, ya que estos transportan caudales muy pequeños y lo podemos ver reflejado en los resultados, porque cuando se calculó el caudal en el punto 1 sin el vertedero, este valor fue de 4,69 m3/s y cuando se calculó con el vertedero la disminución de caudal fue mucha, siendo un valor de 0,17 m3/s, reduciéndose casi aproximadamente al 96%. Por tanto se concluye que lo más recomendable es utilizar otros métodos para la medición de caudal, ya que los vertederos disminuyen mucho la descarga del flujo.

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Con respecto a la capacidad hidráulica en las tuberías podemos decir que esta capacidad es mucho mayor al caudal en el punto uno del canal en estudio, por tanto las tuberías tienen la capacidad suficiente para transportar el caudal, ya que el caudal en el punto uno es de 4,69 m3/s, y la capacidad hidráulica de las cuatro tuberías juntas es de 16.68 m3/s, superando aproximadamente cuatro veces el caudal aguas arriba (punto uno).

Los escalones en el punto dos del canal en estudio si afecta la profundidad en el flujo, porque cuando se determinó la profundidad en la losa dos del punto dos teniendo en cuenta el escalón la profundidad obtenida fue de 0.66 m y la profundidad que se obtuvo sin tener en cuenta el escalón fue de 0.742, por tanto los escalones disminuyen la profundidad de flujo y también la energía para efectuar su función de disipar la energía por medio de impacto e incorporación de aire al agua.

El cambio de ancho del canal en el punto dos si afecta la profundidad de flujo en la losa 5, porque la profundidad de flujo sin tener en cuenta el efecto del cambio del ancho del canal fue de 0.749 m y la profundidad obtenida teniendo en cuenta el cambio de ancho del canal es de 1.15 m, siendo este valor mucho mayor al valor de la profundidad que se tiene realmente en el canal la cual es de 0.749 m, que fue la que se determinó con la altura medida en el canal menos el valor del borde libre, teniendo en cuenta todo lo descrito anteriormente la altura del canal en esta sección al transportarse el flujo por este cambio de transición del canal se desbordaría, ya que la profundidad obtenida por la que se transporta el flujo con el cambio de ancho es mucho mayor a la obtenida en el recorrido.

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9. CONCLUSION

En síntesis decimos que el desarrollo del informe contribuyo de manera significativa a aplicar lo aprendido en clase para evaluar el comportamiento hidráulico de un canal de drenaje de nuestra ciudad, aplicando los conceptos de flujo uniforme mediante la fórmula de Manning para calcular la capacidad hidráulica en cada uno de los puntos de estudio, se aplicaron y analizaron formulas empíricas para el dimensionamiento de un vertedero, también se pudo estimar el comportamiento del flujo a lo largo del canal, teniendo en cuenta elementos u obstáculos como los escalones, los cuales afectan la profundidad de flujo, al igual que los cambios de transición en el canal también afectan la profundidad. Por medio de la visita realizada de una manera práctica y sencilla esta actividad extracurricular fue muy fundamental para nosotros como futuros profesionales, porque de alguna u otra manera aplicamos la teoría en una estructura hidráulica real y con la cual pudimos identificar como está compuesto el sistema de drenaje del barrio y también se pudo identificar zonas donde el caudal no podría transportarse adecuadamente.

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10.BIBLIOGRAFIA

Método para medición de caudal: Flotadores. Disponible en: http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358003/Residuales_Contenido_en_linea/leccin_17__medicin_de_caudales_de_descarga.html. (Consultado el 03 – Octubre – 2014).

Equipo para medición de caudal: Caudalimetro. Disponible en: http://www.mjk.com/fileadmin/downloadcenter/3._Flow_meters/Open_Channel_flow_meters_713/ES_3.1_Caudalimetro_en_canal_abierto_713_Datasheet_0401.pdf. (Consultado el 03 – Octubre – 2014).

Ven Te Chow, Hidráulica de Canales Abiertos, Editorial McGraw-Hill. España. 1994.

Rocha Arturo. Hidráulica de tuberías y canales. Editorial Universitaria. 2007.

40

http://www.mjk.com/fileadmin/downloadcenter/3._Flow_meters/Open_Channel_flow_meters_713/ES_3.1_Caudalimetro_en_canal_abierto_713_Datasheet_0401.pdf



http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358003/Residuales_Contenido_en_linea/leccin_17__medicin_de_caudales_de_descarga.html

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358003/Residuales_Contenido_en_linea/leccin_17__medicin_de_caudales_de_descarga.html

ANEXOS

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Fotografías del punto 1 del recorrido

Imagen N° 3: Inicio del canal del barrio Villa Santos

Imagen N° 4: Determinacion de la pendiente para el primer punto

44

Fotografias del punto dos del recorrido

Imagen N° 5: Vista lateral del punto 2 del canal

Imagen N° 6: Tuberias al inicio del punto

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Imagen N° 7: Vista completa del segundo punto

Fotografias del tercer Punto

Imagen N° 7: Vista general del punto 3

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Imagen N° 9: Continuación del canal después del punto 3

Fotografías del punto 4

Imagen N° 10: Zona superior del punto 4 (Otras entradas de agua al canal)

47

Imagen N° 11: Toma de medidas en el punto 4

Fotografías del 5 punto del recorrido

Imagen N° 12: Vista superior

48

Imagen N° 13: Vista inferior

Fotografías de los componentes del drenaje pluvial del barrio

Imagen N° 14: Sumidero

49

Imagen N° 15: Alcantarillado Pluvial

Imagen N° 16: Alcantarillado de aguas negras

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Imagen N° 17: Sumideros

Imagen N° 18: Alcantarillado

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Informe de La Visita de Campo (Villa Santos)

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