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DISEÑO DE CANALES ESTABLES
Departamento de HidrDepartamento de Hidrááulica, FIC.ulica, FIC.Dr. Constantino DomDr. Constantino Domíínguez Snguez Sááncheznchez
DISEÑO DE CANALES ESTABLES
PROPOSITO.
• APROVECHAMIENTO HIDRAULICO EN ZONAS DE RIEGO, CONTROL DE INUNDACIONES.
DEFINICION.
• CANAL EXCAVADO EN TIERRA SIN REVESTIR.
CARACTERISTICAS
• CONDUCIR AGUA.
• CONTORNOS NO EROSIONABLES.
• NO SE PRESENTAN DEPOSITOS DE SEDIMENTO.
CLASIFICACION.
• CANALES SIN ARRASTRE
• CANALES CON ARRASTRE O CANALES ALUVIALES.
DISEÑO DE CANALES ESTABLES
ANTECEDENTES.
• BRITÁNICOS (XIX Y XX), KENNEDY 1895, LINDLEY, LACEY, LANE, INGLIS, BLENCH Y OTROS (TEORÍA RÉGIMEN), 1963 SIMONS Y ALBERTSON, 1967 ENGELUN Y HANSEN, 1978 MAZA Y GARCÍA, 1980 CHANG, 1990 STEVENS Y NORDIN T. RÉGIMEN MODIFICADA.
VARIABLES DE DISEÑO
• FLUJO (Q, QS, C, S, ETC..)
• SEDIMENTOS (Dm, D50, D75, D84, D90, γS, Etc.)
• FLUIDO (γW ,ν ,ρ)
• GEOMETRIA DEL CANAL ( Ah, Pm, Rh, d)
DISEÑO DE CANALES ESTABLES ELEMENTOS GEOMETRICOS
DISEÑO DE CANALES ESTABLESPRINCIPIO FUNDAMENTAL.
• FUERZAS EROSIVAS MENORES QUE LAS FUERZAS RESISTENTES.
INICIO DEL MOVIMIENTO
• ESFUERZO CORTANTE CRITICO.
• VELOCIDAD MEDIA CRITICA
AMBAS SON FUNCION DEL TIPO DE MATERIAL Y DEL EQUILIBRIO DE FUERZAS.
MATERIALES NO COHESIVOSFw PesoFB FlotaciónFL SustentaciónFD ArrastreFR ResistenteATERIALES COHESIVOSCohesión
gDDw
s
−11.0
γγ
ν
( )DSRws
hs
γγγτ−
=*
Donde:
τ* Parámetro de Shields
νhRUR *
* =
DISEÑO DE CANALES ESTABLES
GRAFICA DE SHIELDS
PARAMETRO DE SHIELDS
ESFUERZO CORTANTE DIAGRAMA DE ESFURZOS EN LOS CONTORNOS DEL CANAL
ESFUERZO CORTANTE CRITICO
SUELOS GRANULARES
HENDERSON 1966
MAZA et al 1981
ESFUERZOCORTANTE CRITICO
SUELOS COHESIVOS
Bureau ofReclamation
VELOCIDAD MEDIA CRITICA SUELOS GRANULARES:
• Goncharov, Neill y Garde, Maza y García proponen
15.035.02/171.4 hc RDU ∆=
15.035.005.6 hc RDU =
• Si ∆ = 1.65
• PARA 0.1 mm < D < 400 mm, D = Dm
VELOCIDAD MEDIA PERMISIBLE
SUELOS NO COHESIVOS
Lischtvan-LevedievMaza et al. 1981
VELOCIDAD MEDIA PERMISIBLE SUELOS COHESIVOS
Lischtvan-Levediev Maza et al. 1981
TALUD Y ANGULO DE INCLINACION
ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL
UTILIZAR D50
α < φ
METODO DEL ESFUERZO CORTANTE
• TAMBIEN CONOCIDO COMO MÉTODO DE LA FUERZA TRACTIVA (LANE, 1953)
• SE BASA EN EL ESFUERZO CORTANTE QUE PROVOCA EL FLUJO (MARGENES Y FONDO) Y EN EL ESFUERZO CORTANTE CRITICO QUE RESISTEN LOS MATERIALES QUE LO CONFORMAN.
• HAY EROSIÓN SI LA RESULTANTE DE LAS FUERZAS ACTUANTES ES MAYOR QUE LA RESULTANTE DE LAS FUERZAS RESISTENTES. DE OTRA MANERA EL CANAL ES ESTABLE.
DATOS DE ENTRADA
• GASTO DE DISEÑO
• TIPO DE MATERIAL
• PENDIENTE
ESFUERZO CORTANTE CRITICO EN EL TALUD
ESFUERZO CORTANTE CRITICO EN EL TALUD A PARTIR DEL ESFUERZO CRITICO EN EL LECHO Y EL FACTOR DE LANE.
φαα
φα
ττ
2
2
2
2
tantan1cos1 −=−==
sensenK
CO
CT
PARA SUELOS COHESIVOS K = 1
DONDE:
τCT ESFUERZO CRITICO EN EL TALUD (Kg/m2)
τCO ESFUERZO CRITICO EN EL FONDO (Kg/m2)
α ANGULO DE INCLINACION DEL TALUD
Φ ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL
ESFUERZO CORTANTE MAXIMO DEL FLUJO
COwOo SdE τγτ ==
DONDE:
τt ESFUERZO MAXIMO EN EL TALUD (Kg/m2)
τO ESFUERZO MAXIMO EN EL FONDO (Kg/m2)
EO, Et COEFICIENTES DE DISTRIBUCION
ctwtt SdE τγτ ==
COEFICIENTE DE DISTRIBUCION EO
COEFICIENTE DE DISTRIBUCION Et
ANCHO DE PLANTILLA Y PROFUNDIDAD DEL FLUJO
Xdb=
mh P
AR =
21
32
SRnAQ h=
DONDE:
n COEFICIENTE DE RUGOSIDAD SEGÚN MANNING
A PARTIR DEL RADIO HIDRAULICO Y DE LA RELACION ANCHO-PROFUNDIDAD DEL FLUJO.
EL CAUDAL QUE TRANSPORTADO
21
61
50Dn =26
61
90Dn =39
61
75Dn =
AxDR
UQ
=
65*
27.12log75.5 SgRU h=*
Método del Esfuerzo Cortante
SECUENCIA DE CALCULO.
• SELECCIONAR LA SECCION TRANSVERSAL DEL CANAL.
• SELECCIONAR UN TALUD PARA EL CANAL.
• ENCONTRAR EL ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL.
• VERIFICAR QUE EL ANGULO DE INCLINACION DEL TALUD SEA MENOR O IGUAL QUE EL ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL.
• DETERMINAR EL ESFUERZO CORTANTE CRITICO EN EL FONDO Y EL ESFUERZO CORTANTE CRITICO EN EL TALUD.
• OBTENER EL ESFUERZO MAXIMO EN EL FONDO Y EL ESFUERZO MAXIMO EN EL TALUD.
• OBTENER LA PROFUNDIDAD DEL FLUJO EN EL CANAL.
• ENCONTRAR EL ANCHO DE LA PLANTILLA DE LA SECCION DEL CANAL Y EL RADIO HIDRAULICO.
• ENCONTRAR EL CAUDAL TRANSPORTADO.
Ejemplo DETERMINAR LAS CARACTERISTICAS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL EXCAVADO EN TIERRA SIN REVESTIR, SEGÚN LOS DATOS SIGUIENTES.
Q=15 m3/s, D50=20.1 mm, S=0.0015, γS =2680 kg/m3, γW = 1000 kg/m3, ν =1 E 10-06 m2/s
8.32 m
1.04 m 2
1
12.48 m
Φ Zc Zp b/d α K
PARAMETRO PARA EL
DIAGRAMA SHIELDS
τ* τco τct PROFUNDIDAD DEL FLUJO
ANCHO PLANTILLA
bAREA PERIMETRO
MOJADO
RADIO HIDRAULICO
Rhn GASTO
ANCHO SUPERFICIE LIBRE AGUA
grad grad LANE kg/m2 kg/m2 Eo Et m m2 m m m3/s m
34 1.48 2.00 8.00 26.57 0.60 11568.66 0.06 2.03 1.22 0.99 0.78 1.04 8.32 10.81 12.97 0.83 0.025 14.93 12.48
COEFICIENTE DE DISTRIBUCION
RESULTADOS
METODO DE LA VELOCIDAD MEDIA CRITICA
UUC =
EL METODO SE FUNDAMENTA EN DOS CONCEPTOS BASICOS:
• VELOCIDAD MEDIA CRITICA Y.
• VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO.
PRINCIPIO
• LA VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO MENOR QUE LA VELOCIDAD MEDIA CRITICA.
• EL PLANTEAMIENTO ES DETERMINAR LA VELOCIDAD MEDIA CRÍTICA EN FUNCIÓN DEL MATERIAL DEL CANAL POR ALGUNO DE LOS CRITERIOS DESCRITOS E IGUALRLA CON OTRA DE RESISTENCIA AL FLUJO.
=
50* 211.11log75.5
DR
UU hY LA VELOCIDA MEDIA
Método de la Velocidad Media Crítica
SECUENCIA DE CALCULO.
• SELECCIONAR LA SECCION TRANSVERSAL DEL CANAL.
• SELECCIONAR UN TALUD PARA EL CANAL.
• ENCONTRAR EL ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL.
• VERIFICAR QUE EL ANGULO DE INCLINACION DEL TALUD SEA MENOR O IGUAL QUE EL ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL.
• IGUALAR LA ECUACION DE LA VELOCIDAD MEDIA CRITICA CON LA VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO.
• OBTENER EL VALOR DEL RADIO HIDRAULICO DEL CANAL A PARTIR DE LA IGUALACION ANTERIOR.
• DETERMINAR LA MAGNITUD DE LA VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO.
• DETERMINAR LA MAGNITUD DE LA AREA HIDRAULICA Y EL PERIMETRO MOJADO DE LA SECCION DEL CANAL.
• ENCONTRAR EL ANCHO DE LA PLANTILLA DE LA SECCION DEL CANAL Y LAPROFUNDIDAD DEL FLUJO, A PARTIR DEL SISTEMA DE ECUACIONES PARA LA AREA Y PERIMETRO MOJADO.
Ejemplo DETERMINAR LAS CARACTERISTICAS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL EXCAVADO EN TIERRA SIN REVESTIR, SEGÚN LOS DATOS SIGUIENTES.
Q=15 m3/s, D50=20.1 mm, S=0.0015, γS =2680 kg/m3, γW = 1000 kg/m3, ν =1 E 10-06 m2/s
6.58 m
1.12 m 2
1
11.05 m
RESULTADOS
ANGULO REPOSO
Φ
TALUD CALCULADO
Zc
TALUD SELECCIONADO
Zp
ANGULO INCLINACION
TALUD (α)
RADIO HIDRAULICO
Rh
VELOCIDAD MEDIA
CRITICA
VELOCIDAD MEDIA AREA PERIMETRO
MOJADO n PROFUNDIDAD DEL FLUJO
ANCHO PLANTILLA b
ANCHO SUPERFICIE LIBRE AGUA
grad grad m m/s m/s m2 m m m
34 1.48 2.00 26.57 0.85 1.52 1.52 9.84 11.57 0.025 1.12 6.58 11.05
METODO DE LA VELOCIDAD MEDIA PERMISIBLE
EL METODO SE FUNDAMENTA EN DOS CONCEPTOS BASICOS:
• VELOCIDAD MEDIA PERMISIBLE Y.
• VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO.
PRINCIPIO
• LA VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO PARA EL GASTO DE DISEÑO NO DEBE SER MAYOR QUE LA VELOCIDAD PERMISIBLE.
• EL PLANTEAMIENTO ES DETERMINAR LA LAS CARACTERISTICAS DE LA SECCION TRANSVERSAL DEL CANAL A PARTIR DE LA VELOCIDAD PERMISIBLE Y SEGÚN LO SIGUIENTE:
Método de la Velocidad Media Permisible
SECUENCIA DE CALCULO.
• SELECCIONAR LA SECCION TRANSVERSAL DEL CANAL.
• SELECCIONAR UN TALUD PARA EL CANAL.
• ENCONTRAR EL ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL.
• VERIFICAR QUE EL ANGULO DE INCLINACION DEL TALUD SEA MENOR O IGUAL QUE EL ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL.
• ASUMIR UN VALOR PARA LA VELOCIDAD PERMISIBLE SUPONIENDO UN VALOR PARA LA PROFUNDIDAD DEL FLUJO.
• OBTENER EL VALOR DEL RADIO HIDRAULICO DEL CANAL.
•DETERMINAR LA MAGNITUD DE LA AREA HIDRAULICA Y EL PERIMETRO MOJADO DE LA SECCION DEL CANAL.
• ENCONTRAR EL ANCHO DE LA PLANTILLA DE LA SECCION DEL CANAL Y LAPROFUNDIDAD DEL FLUJO CON LAS EXPRESIONES DE LA TABLA ANTERIOR.
• LA PROFUNDIDAD DEL FLUJO CALCULADA DEBERA SER APROXIMADAMENTE IGUAL AL VALOR SUPUESTO.
Ejemplo DETERMINAR LAS CARACTERISTICAS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL EXCAVADO EN TIERRA SIN REVESTIR, SEGÚN LOS DATOS SIGUIENTES.
Q=15 m3/s, D50=20.1 mm, S=0.0015, γS =2680 kg/m3, γW = 1000 kg/m3, ν =1 E 10-06 m2/s
11.18 m
0.89 m 2
1
14.74 m
RESULTADOS
ANGULO REPOSO
Φ
TALUD CALCULADO
Zc
TALUD SELECCIONADO
Zp
ANGULO INCLINACION
TALUD (α)
PROFUNDIDAD DEL FLUJO
VELOCIDAD PERMISIBLE
RADIO HIDRAULICO AREA PERIMETRO
MOJADO n PROFUNDIDAD DEL FLUJO
ANCHO PLANTILLA b
ANCHO SUPERFICIE LIBRE AGUA
grad grad m m/s m m2 m m m m
34 1.48 2.00 26.57 0.90 1.30 0.76 11.54 15.16 0.025 0.89 11.18 14.74
DISEÑO DE CANALES ESTABLES
EN RESUMEN EL PROBLEMA QUE SE PRETENDE RESOLVER CON EL DISEÑO DE CANALES ESTABLES ES:
ENCONTRAR LAS CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL EXCAVADO EN TIERRA, SIN QUE EXISTA EROSION DE LOS CONTORNOS PARA UN CAUDAL O GASTO DE DISEÑO DADO.
PRACTICA