Clase 04 conductos a superficie libre obras hidraulicas

CONDUCTOS A SUPERFICIE CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRELIBRE

44°° claseclase

Ing. Alejandro Zapata

[email protected]

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENERIA

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL



2.6. Criterios de diseño para canales de Flujo Uniforme

En el diseño hidráulico de los canales se debe tener en cuenta las leyes de la hidráulica que Influyen en el flujo de los líquidos, asícomo las recomendaciones de Organismos Internacionales especializados en el diseño de estructuras, entre estas Agencias podemos citar:

- Bureau of Reclamation.- Cuerpo de ingenieros del Ejército de los Estados Unidos. - Secretaria de Recursos Hidráulicos de México.- Colegio de Ingenieros del Perú.

2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE



2.6. Criterios de diseño para canales de Flujo UniformeDe esa basta bibliografía producida por las Agencias y Organismos Internacionales anteriores conviene tomar en cuenta los criterios siguientes para el diseño de canales lo siguiente:

- Velocidad máxima de erosión- Velocidad mínima de sedimentación- Relación de máxima eficiencia hidráulica- Coeficientes de Rugosidad- Taludes recomendados- Radios de curvatura mínimos- Tirantes recomendados- Bordo Libre- Tirante crítico




2.6.1 Velocidad Máxima de Erosión

La velocidad del agua Influye en la conservación de los revestimientos y en la estabilidad de los canales no revestidos, asílas velocidades altas posibilitan la abrasión de los revestimientos de las paredes y el fondo de los canales debido al material grueso que transporta en suspensión el agua.

La erosión puede disminuirse con velocidades lentas. pero seránecesario aumentar la sección y por lo tanto el costo del canal. en este caso será preferible optar por canales no revestidos.




2.6.1 Velocidad Máxima de Erosión …También conviene considerar que un canal profundo transportará agua a mayor velocidad sin ocasionar erosión que otro de poca profundidad, pues la erosión es causada principalmente por la velocidad del fondo, este factor es fundamental para decidir si el revestimiento es conveniente.

Igualmente se debe tener en cuenta que la Velocidad Máxima de Erosión es aquella. a partir de la cual el agua comienza a efectuar destrozos en las paredes y el fondo de los. cauces naturales. canales revestidos y en canales de tierra.

De acuerdo al material empleado en el revestimiento de los canales se recomienda no sobrepasar las velocidades que se muestran en el cuadro siguiente:




2.6.2 Velocidad mínima de sedimentación…El fenómeno de arrastre de material en suspensión es complejo, pues tanto la velocidad que arrastra o deposita el material depende de las dimensiones, forma y naturaleza del material arrastrado; por lo que existen muchas variables en su origen.

Para diseñar un canal se debe tener en cuenta que la velocidad del flujo no debe descender de cierto límite Inferior que es la Velocidad de Deposición o Sedimentación del material en suspensión que acarrea el agua.

Este límite fue estudiado por Robert G. Kennedy, su expresión es la siguiente: U = h0.64 donde:

U: Velocidad media límite, que no produce sedimentación: Coeficiente que depende del material en suspensiónh: Altura de agua



2.6.2 Velocidad mínima de sedimentación…



2.6.3 Relación de máxima eficiencia hidráulica (MEH)

Entre las diferentes secciones que pueden adoptarse en el diseño de los canales, algunas secciones encierran condiciones llamadasde Máxima Eficiencia Hidráulica, son aquellas que para un mismo gasto. pendiente y revestimiento requieren un área mojada mínima cuando el terreno es aproximadamente plano.

En general la MEH se obtiene cuando el radio medio hidráulico es máximo, esto sucede si el perímetro mojado es mínimo.

La relación de Máxima Eficiencia Hidráulica es:

RMAX = A / PMIN



2.6.3 Relación de máxima eficiencia hidráulica (MEH)…

Remplazando valores y haciendo el radio hidráulico máximo se obtiene la siguiente fórmula: X = b/d = 2 d [(1+z2)0.5-z]

Talud Z Relacion X= b/d0 2.00

0.25 : 1 1.560.50 : 1 1.230.75 : 1 1.00

1 : 1 0.831.50 : 1 0.61

2 : 1 0.47 3 : 1 0.32

Circular 0.82 d/DHerraje 0.81 d/D

Relación de Máxima eficiencia hidráulica (MEH)



2.6.4 Coeficiente de Rugosidad

Es la resistencia al flujo del agua, que presentan los revestimientos de los canales artificiales y la naturaleza del cauce en los conductos naturales; se debe principalmente a las condiciones y al estado de conservación de los revestimientos.

En los cauces naturales la rugosidad puede variar con la estación del año principalmente por efecto de fenómenos naturales como los huaycos y transporte de sólidos así como por la Variedad de materiales que puede presentar un cauce natural según el nivel por cual discurre.




2.6.4 Coeficiente de Rugosidad…

Un ejemplo puede darlo el río Marañón, que el nivel de sus nacientes su cauce es de arenas y arcillas, en su curso medio derocas y conglomerado y en el curso bajo puede tener orillas cubiertas de vegetación.

En los cauces naturales el coeficiente de rugosidad es muy variable. Dependiendo de la topografía, geología y vegetación. Por lo que en esos casos se suelen usar fotos de ríos típicos, donde se ha conseguido determinar el valor de “n”.




2.6.4 Coeficiente de Rugosidad…Con la ayuda de las fotografías obtenidas por C.E. Ramser del Natíonal Resourses Committee de los E.U. se puede obtener algunos valores de la rugosidad principalmente para cauces naturales cubiertos de vegetación en las orillas.

En algunos casos como se ha mencionado anteriormente la rugosidad varia con las condiciones del flujo, por lo que no debe omitirse este aspecto, dado que en los cauces naturales, el coeficiente de rugosidad en- estiaje puede ser diferente al de avenidas, como consecuencia de una mayor" lubricación de las paredes debido a una mayor concentración de sedimentos o barro.




2.6.4 Coeficiente de Rugosidad…Únicamente en una zona absolutamente rugosa el valor de "n" permanece constante con el cambio de velocidad.

Puede darse el caso que las riberas del cauce sea de un materialdiferente al fondo, en ese caso las rugosidades también serán diferentes y la rugosidad media de la sección será un valor Intermedio.

Para estimaciones prácticas del coeficiente de rugosidad -se puede consultar el Handbook of Hydraulícs de King Horton, que da los valores para el coeficiente de rugosidad. mostrando fotografías de diferentes cauces naturales.




2.6.4 Coeficiente de Rugosidad…

Nota:

En la determinación del coefi-ciente de rugosidad conviene tener en cuenta que:

“La rugosidad del revestimiento depende del material y de su acabado, las irregularidades del revestimiento aumentan con el tiempo y la vegetación en el cauce aumenta la rugosidad porque tiene un efecto retar-dador en el flujo”



2.6.5 Taludes recomendados…La inclinación de las paredes de los canales depende de la geología de los terrenos que atraviesan por lo cual el Ingeniero al efectuar el trazo de' los canales recomienda los taludes más favorables. de acuerdo a su observación visual o con las calicatas que pudiera recomendar abrir para conocer mejor los materiales en el recorrido del canal.

En el caso de los canales rectangulares, circulares y herrajes se recomiendan estas secciones por otras consideraciones que generalmente corresponden a razones estructurales y económicas




2.6.5 Taludes recomendados…Los taludes empleados se muestran en el cuadro siguiente:


Nota:

Frecuentemente para canales pequeños para todo tipo de material encontrado en el trazo el talud, se recomienda 0.75:1, evitando de esta manera cambios contí-nuos de sección.



2.6.6 Radios de curvatura mínimos…Para el replanteo de las curvas horizontales es necesario determinar el radio de curvatura mínimo, de acuerdo al diseño elegido.

Se recomienda varíe entre los valores siguientes:

RC > 10 d @ 15 d y/o RC > 3B @ 15 B En el caso de canales con flujos de velocidades altas seránecesario calcular la mayor elevación que se produce por cambio de dirección en el lado exterior de la curva, lo cual obliga a aumentar el borde libre en la pared exterior del canal debido alefecto de vorticidad que se produce.




2.6.6 Radios de curvatura mínimos…El peraltamiento se calcula con la fórmula siguiente:

Donde:

P = Peraltamiento en mV = Velocidad del flujo en m/sB = Ancho del espejo de agua en mg = Aceleración de la gravedad en m/s2R = Radio de curvatura en m

Si el escurrimiento es cercano al critico el flujo se torna inestable y puede originar trenes de ondas.


V2 · Bg · R

P =



2.6.7 Tirantes de canal recomendados…Uno de los elementos mas Importantes en el diseño de canales es el Tirante o Altura de agua en el canal. Para determinar la sección óptima es necesario efectuar un análisis del costo del canal para diferentes tirantes, tomando como base la sección de Máxima Eficiencia Hidráulica.

El Bureau of Reclamation de USA recomienda en canales con taludes hasta de 1.5: 1 y tirantes hasta de 3 m que se cumpla lasiguiente relación: d = 0.9 · fEtcheverry recomienda se emplee para canales con caudales mayores de 5 m3/s y terrenos llanos no menores a: d= 0.5 √ A




2.6.7 Tirantes de canal recomendadosMolesword recomienda para canales con caudales menores de 5.0m3/s un tirante de: d= 0.5774 · √ A

Finalmente para canales en media ladera se aplica la fórmula racional que recomienda tirantes no menores a: d > 2 · R




2.6.8 Bordo LibrePara dar seguridad al canal es necesario considerar una altura adicional denominada borde libre con objeto de evitar desbordamientos por mal operación de compuertas, derrumbes, o por oleaje debido al Viento que pueden poner en Peligro la estabilidad del canal.

La altura adicional depende del riesgo, de los métodos de operación en el sistema, por lo cual recomendaremos para canales pequeños bordes libres de 0.30 m (canales hasta de 2 m3/s de capacidad).

El Bureau of Reclamation utiliza para canales con régimen supercrítico la fórmula: fb = 0.60 + 0.0037 V3 · d1/2

Donde:fb = Borde libre en mV = Velocidad del flujo en m/sd = Tirante en m




2.6.9 Tirante crítico…El tirante critico de- es aquel para el cual la energía específica es mínima, coincidentemente con este tirante el régimen lento o subcrítico pasa a régimen rápido o supercrítico.

El número de Froude determina la condición del flujo así:

Nf = 1 existe flujo críticoNf > 1 existe flujo supercríticoNf < 1 existe flujo subcrítico

Cuando el flujo está próximo a ser critico, la superficie del agua se hace inestable produciéndose olas que pueden rebasar el borde libre, por lo cual se recomienda no diseñar canales con dichas características.




2.6.9 Tirante crítico…Los tirantes críticos de acuerdo a la forma del canal son los que se indicanen el cuadro siguiente:




2.6.10 Pendiente CríticaSe llama pendiente critica al valor particular de la pendiente de un canal que conduce un gasto Q con régimen uniforme y con una energía específica mínima; es decir que circula con tirante crítico, su expresión es:


A · g · n2

B · R 4/3SC =



2.6.11 Transiciones en línea rectaDebido a los cambios de sección en el trazo de los canales es necesario efectuar transiciones entre ellos para asegurar un flujo lo más uniforme posible.

Cuando el régimen es uniforme se acostumbra diseñar transiciones rectas tanto horizontalmente como verticalmente.

La longitud de transición recomendable es en estos casos:

L = 2.50 (B2 – B1)donde: B1, B2 son los anchos de los espejos de agua en metros.

Se recomienda que el ángulo mínimo de las líneas de flujo en las transiciones debe ser de =12° 30.




2.6.11 Transiciones en línea rectaEl U.S. Conservation Service de E.U. propone una transición recta con una variación angular del muro respecto al eje del canal no mayor que:

donde:

Nf = número de Froude promedio de las secciones de inicio y final de la transición.


13 · NfarcTang( ) =



2.6.11 Transiciones en línea rectaLa diferencia de niveles al inicio y final de la transición se calcula mediante el principio de Bernoulli así:

Luego:

La diferencia de nivel de la rasante (h) se puede calcular teniendo en cuenta que:

K=0.10 si el flujo de velocidad menor a mayorK=0.20 si el flujo de velocidad mayor a menor


Va2 Vb

2 Va2 Vb

2

2 · g 2 · g 2 · g 2 · gcota (b) + db + + K · [ ]-cota (a) + da + =

Va2 Vb

2 Va2 Vb

2

2 · g 2 · g 2 · g 2 · g- ]= da - db + - + K · [ cota (a) - cota (b) = h



2.6.11 Transiciones en línea recta…



Tarea N° 04:1. Con la hoja electrónica desarrollada, para un Q=200 l/s, SO=0.5 O/OO, b=0.4 m se le pide responder a las siguientes preguntas:

- ¿Calcular las velocidades para un canal en tierra de sección trapezoidal (z=0.5) y comentar acerca del tipo de flujo, si sucede erosión o sedimentación? En caso de suceder cualquiera de los dos supuestos, comentar las soluciones técnicas para evitar.

2. Con la hoja electrónica desarrollada, para un Q=200 l/s, SO=5 %, b=0.4 m se le pideresponder a las siguientes preguntas:

- ¿Calcular las velocidades para un canal en tierra de sección trapezoidal (z=0.5) y comentar acerca del tipo de flujo, si sucede erosión o sedimentación? En caso de suceder cualquiera de los dos supuestos, comentar las soluciones técnicas para evitar.

3. ¿Que aspectos tomaría en cuenta para definir el bordo libre en canales diseñados en la sierra?



Temas para el control de Lectura 03:

1. ¿Qué son los trenes de ondas en los canales de fuerte pendiente?2. ¿Qué es y que expresa el Numero de Vedernikov y Numero de

Montuori?3. ¿Por qué revestir un canal?4. ¿Tipos de revestimiento en canales?

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