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Mecanica de Fluidos 2

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  • UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FILIAL CUSCO ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

    49 CURSO DE TITULACION 2014

    MODULO HIDRAULICA

    Docente: GORKI FEDERICO ASCUE SALAS Ing. Civil Magister en Ciencias (Evaluacin de Recursos Hdricos) e-mail: [email protected] Telfonos: #984603555 - 942715795

    Cusco, Enero - 2015

  • UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS FILIAL CUSCO ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

    CURSO 2:

    DISEO DE OBRAS HIDRAULICAS

    (Parte 1)

    Docente: GORKI FEDERICO ASCUE SALAS Ing. Civil Magister en Ciencias (Evaluacin de Recursos Hdricos) e-mail: [email protected] Telfonos: #984603555 - 942715795

    Cusco, Enero - 2015

  • HIDROLOGIA

    CONTENIDO:

    CAP. 1: CANALES

    CAP. 2: SIFON INVERTIDO

    CAP. 3: ALIVIADERO LATERAL

    CAP. 4: ALCANTARILLAS

    CAP. 5: DESARENADORES

    CAP. 6. RPIDAS

    CAP. 7: CAIDAS

    CAP. 8: BOCATOMAS DE MONTAA

    CAP. 9: RESERVORIO NOCTURNO

    CAP. 10: PRESA

    CAP. 11: TUBERIAS

    CAP. 12: CAMARAS DE CARGA

  • EVALUACION

    La evaluacin ser integral, continua y permanente, tomndose

    en cuenta como valor agregado la capacidad crtica del

    estudiante en clase y en los trabajos aplicacin.

    Formas e Instrumentos de Evaluacin:

    Prueba escrita. Informe individual de los problemas propuestos. Informe grupal de trabajo aplicativo. Asistencia a clases.

    Ponderaciones:

    Evaluacin de prueba escrita 50% Evaluacin de los informes 40% Evaluacin actitudinal 10%

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.1 GENERALIDADES Los canales son conductos que sirven para el transporte del agua, desde

    el punto de captacin hasta el punto de entrega para su uso (generacin

    de energa elctrica, riego, uso poblacional, etc.).

    Generalmente los canales que se utilizan en las plantas hidroelctricas

    son revestidos, en cambio, por razones de costo en lo que se refiere a la

    inversin inicial, en la mayora de los casos, los canales con fines de

    irrigacin se dejan sin revestir.

    Para el diseo de estructuras de

    canales, el ingeniero deber

    conocer los tipos de materiales,

    dimensiones apropiadas, el

    refuerzo de acero en

    proporciones normadas, para

    proporcionar estabilidad

    hidrulica y estructural.

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.2 CANALES DE RIEGO POR SU FUNCIN Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las

    siguientes denominaciones:

    Canal de primer orden (canal madre o de derivacin), se traza

    siempre con pendiente mnima, generalmente es usado por un solo

    lado ya que por el otro lado da con terrenos altos.

    Canal de segundo orden (canales laterales), son aquellos que salen

    del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia

    los sublaterales.

    Canal de tercer orden (canales

    sublaterales), nacen de los canales laterales, el caudal que

    ingresa a ellos es repartido

    hacia las propiedades

    individuales a travs de las

    tomas.

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3 ELEMENTOS BSICOS EN EL DISEO DE CANALES Son; topogrficos, geolgicos, geotcnicos, hidrolgicos, hidrulicos,

    ambientales, agrolgicos y otros.

    1.3.1 Trazo de canales

    Para trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la

    siguiente informacin bsica:

    1. Fotografas areas o imgenes satelitales para localizacin de

    poblados, caseros, reas de cultivo, vas de comunicacin y otros.

    2. Planos topogrficos y catastrales.

    3. Estudios geolgicos, salinidad, suelos y otros.

    En el caso de no existir informacin topogrfica bsica se procede a

    levantar el relieve del canal, procediendo con los siguientes pasos:

    1. Reconocimiento del terreno, se recorre la zona determinando un eje

    probable de trazo georreferenciando los puntos inicial y final.

    2. Trazo preliminar, se procede a levantar la zona con una brigada

    topogrfica, haciendo el levantamiento poligonal preliminar.

    3. Trazo definitivo, se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta

    la escala del plano (1:500 para terrenos con pendiente transversal

    mayor a 25% y 1:1000 o 1:2000 para terrenos con pendiente

    transversal menor a 25%).

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.2 Radios mnimos en canales

    El cambio brusco de direccin hace que tenga el canal tenga curvas con

    un radio mnimo, algunas recomendaciones:

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.3 Elementos de una curva

    LC = Longitud de curva. = Angulo de deflexin.

    PC = Principio de una curva. R = Radio de la curva

    PI = Punto de inflexin. C = Cuerda larga.

    PT = Punto de tangente. E = External.

    ST = Sub tangente. F = Flecha.

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.4 Rasante de un canal

    Para el diseo de la rasante se debe tener en cuenta:

    La base del perfil longitudinal del trazo. Los puntos de captacin cuando se trate de un canal de riego y los

    puntos de confluencia si es un dren u obra de arte.

    La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno (optimizar el movimiento de

    tierras), en caso de no ser posible por las fuertes pendientes, se

    proyectan cadas o saltos de agua.

    Para definir la rasante del fondo del canal se calcula con el caudal de diseo, verificando la velocidad obtenida en relacin con el tipo de

    revestimiento o si va ser en lecho natural, utilizando la mxima

    eficiencia o mnima de infiltracin.

    El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mnimo la siguiente informacin; Kilometraje, Cota de terreno, BMs

    (cada 500 1000 m), Cota de rasante, Pendiente, Indicacin de las

    deflexiones del trazo con los elementos de curva, Ubicacin de las

    obras de arte, Seccin o secciones hidrulicas del canal (indicando

    su kilometraje), Tipo de suelo y Cuadro con elementos geomtricos e

    hidrulicos del diseo.

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.5 Seccin Hidrulica Optima

    Donde:

    T = Ancho superior del canal

    b = Base o plantilla

    z = Valor horizontal de la inclinacin del talud

    C = Berma del camino segn el canal (0.50m, 0.75m, 1.00m)

    V = Ancho del camino de vigilancia (3.00m, 4.00m y 6.00m)

    H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal.

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.5 Seccin Hidrulica Optima

    Determinacin de Mxima Eficiencia Hidrulica: cuando para la misma

    rea y pendiente conduce el mayor caudal posible y sta condicin est

    referida a un permetro hmedo mnimo. De todas las secciones

    trapezoidales, la ms eficiente es aquella donde el ngulo a que forma el

    talud con la horizontal es 60 y para cualquier seccin de mxima

    eficiencia debe cumplirse: R = y/2

    Donde:

    R = Radio hidrulico

    = Arctan (1/z) b = Base o plantilla del canal

    y = Tirante o altura de agua.

    Determinacin de Mnima Infiltracin: se aplica cuando se quiere obtener

    la menor prdida posible de agua por infiltracin en canales de tierra, esta

    condicin depende del tipo de suelo y del tirante del canal.

    Donde:

    = Arctan (1/z) b = Base o plantilla del canal

    y = tirante o altura de agua

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.5 Seccin Hidrulica Optima

    Relacin b/y para mxima eficiencia, mnima infiltracin y el promedio

    de ambas.

    Nota: No siempre se puede disear de acuerdo a las condiciones

    mencionadas, al final se imponen una serie de circunstancias locales

    que imponen un diseo propio para cada situacin.

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.6 Diseo de secciones hidrulicas

    Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material

    del cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad, velocidad mxima y

    mnima permitida, pendiente del canal, taludes, etc.

    La ecuacin ms utilizada es la de Manning:

    Donde:

    Q = Caudal (m3/s)

    n = Rugosidad

    R = Radio hidrulico (m) R = A/P

    S = Pendiente del canal (m/m)

    A = rea (m2)

    P = Permetro hmedo (m)

    Rugosidad, esta depende del cauce y el talud de las paredes laterales

    del canal, vegetacin, radio hidrulico y obstrucciones en el canal. En

    canales en tierra el valor de rugosidad inicialmente asumido difcilmente

    se conservar con el tiempo, y en canales proyectados con

    revestimiento, la rugosidad esta en funcin del material a utilizarse.

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.6 Diseo de secciones hidrulicas

    Valores de la rugosidad de Manning:

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.6 Diseo de secciones hidrulicas

    Relaciones geomtricas de las secciones transversales ms frecuentes:

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.6 Diseo de secciones hidrulicas

    Relaciones geomtricas de las secciones transversales ms frecuentes:

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.6 Diseo de secciones hidrulicas

    Taludes apropiados para distintos tipos de material:

    Pendientes laterales en canales segn tipo de suelo:

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.6 Diseo de secciones hidrulicas

    Mxima velocidad permitida en canales no recubiertos de vegetacin:

    Sustancias coloidales: leche, salsa mayonesa, cremas cosmticas,

    gelatina, queso, aerosol liquido.

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.6 Diseo de secciones hidrulicas

    Velocidades mximas en canales de concreto en funcin de su

    resistencia:

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.6 Diseo de secciones hidrulicas

    Borde libre en funcin del caudal:

    Borde libre en funcin del caudal:

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.7 Criterios de espesor de revestimiento

    No existe una regla general para definir los espesores del revestimiento

    de concreto. Sin embargo, segn la experiencia en la construccin de

    canales en el pas, se puede usar un espesor de 5 a 7.5 cm para canales

    pequeos, y de 10 a 15 cm para canales medianos y grandes, siempre

    que estos se diseen sin armadura.

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.7 Criterios de espesor de revestimiento

    En el caso de proyectar un revestimiento con geomembranas, se tiene

    que tener en cuenta las siguientes consideraciones:

    Para canales pequeos se debe usar geomembrana de PVC y para canales grandes geomembrana de polietileno - HDP.

    Los espesores de la geomembrana pueden ser entre 1 a 1.5 mm. Utilizar tcnicas adecuadas para la instalacin de la geomembrana. El canal debe ubicarse en zonas con vigilancia permanentemente

    para no ser afectada la membrana por terceros.

    Los usuarios deber estar bien capacitados para el manejo, operacin y mantenimiento.

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.3.7 Criterios de espesor de revestimiento

    Se puede usar asociada la geomembrana con un revestimiento de concreto, la geomembrana acta como elemento impermeabilizante

    (el concreto se deteriora con las bajas temperaturas) y el concreto

    como elemento de proteccin, sobre todo en obras ubicadas en

    zonas desoladas o por encima de los 4, 000 msnm.

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.4 Video HIDRAULICA DE CANALES http://www.youtube.com/watch?v=xfdYlvDgj1M

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.5 Video H CANALES http://www.youtube.com/watch?v=f5UJp1l1dHg

  • CAP. 1: DISEO DE CANALES ABIERTOS

    1.6 Video TRABAJO DE PERFILACIN EN UNA OBRA DE CANAL DE RIEGO

    http://www.youtube.com/watch?v=VI4Elbzojto

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1 TEORIA DEL SIFON INVERTIDO Para cruzar una depresin, se debe recurrir a una estructura de cruce

    con la solucin mas conveniente para tener un funcionamiento

    hidrulico correcto, la menor prdida de carga posible y la mayor

    economa factible y estas pueden ser:

    Puente canal Sifn invertido Alcantarilla

    2.1.1 Eleccin del tipo de estructura

    Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstculo, se

    puede utilizar una alcantarilla.

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.1 Eleccin del tipo de estructura

    Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante

    del obstculo, se puede utilizar como estructura de cruce; un puente

    canal o un sifn invertido o la combinacin de ambos.

    El puente canal se utilizar cuando la diferencia de niveles entre la

    rasante del canal y la rasante de la quebrada o ro, permita un espacio

    libre, suficiente para lograr el paso del agua.

    El sifn invertido se utilizar si el nivel de la superficie libre del agua es

    mayor que la rasante del obstculo.

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.2 Concepto de acueducto o puente canal

    El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un

    canal, logrando atravesar una depresin. Esta formado por un puente y

    un conducto.

    El conducto puede ser de concreto, acero, madera u otro material

    resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad.

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.3 Concepto de sifn invertido

    Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presin,

    se utilizan para conducir el agua en el cruce de un canal con una

    depresin topogrfica o quebrada, tambin para pasar por debajo de un

    camino, una va de ferrocarril, un dren o incluso otro canal.

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.4 Criterios de Diseo

    Las dimensiones del tubo se determinan de acuerdo a los siguientes requerimientos; cobertura, pendiente del tubo, ngulos de doblados y

    sumergencia de la entrada y salida.

    La cobertura sobre la tubera del sifn esta de acuerdo al tipo de infraestructura que atraviesa; cuando cruza caminos principales o

    debajo de drenes (se requiere un mnimo de 0.90 m de cobertura),

    cuando cruza caminos parcelarios o canales de riego sin revestir (es

    suficiente 0.60 m) y si cruza un canal revestido es suficiente 0.30 m

    de cobertura.

    Cuando un sifn cruza una quebrada o ro de rgimen caudaloso, debe hacerse un estudio de profundidad de socavacin para definir la

    profundidad en la que debe enterrarse la estructura de forma segura

    sin que esta sea afectada.

    La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mnima del tubo horizontal debe ser 0.5% y se recomienda

    una transicin de concreto a la entrada y a la salida, si el sifn cruza

    caminos principales con tuberas mayores o iguales a 36 de dimetro y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/s.

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.4 Criterios de Diseo

    Para evitar desbordes agua arriba del sifn debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseo, se recomienda aumentar

    en un 50% o 0.30 m como mximo al borde libre del canal en una

    longitud mnima de 15 m a partir de la estructura.

    Las velocidades de diseo a la entrada y salida de los sifones relativamente cortos con transiciones de tierras pueden ser de 1 m/s,

    en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos pueden

    ser 1.5 m/s y en sifones largos con transiciones de concreto con o sin

    control en la entrada puede ser entre 3 a 2.5 m/s.

    Las prdidas de carga por entrada y salida del sifn, se puede calcular con los valores de 0.4 hv y 0.65 hv respectivamente.

    Para evitar remansos aguas arriba, las prdidas totales computadas se incrementan en 10%.

    En el diseo de la transicin de entrada, se recomienda que la parte superior de la abertura del sifn, est ligeramente debajo de la

    superficie normal del agua. Esta profundidad de sumergencia es

    conocida como sello de agua y es 1.5 veces la carga de velocidad del

    sifn (hv) o como mnimo 1.1 hv o 3 y en la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6 (Hte = prdidas por transicin de entrada).

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.4 Criterios de Diseo

    Para su inspeccin y mantenimiento, en sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo.

    En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse, debido a que el sifn opera a flujo parcial o a flujo lleno con

    un coeficiente de friccin menor que el asumido en el diseo, y por

    esta razn se recomienda usar n = 0.008 para calcular las prdidas de

    energa.

    Para evitar la cavitacin a veces se ubican ventanas de aireacin en lugares donde el aire podra acumularse.

    Con respecto a las prdidas de carga totales, se recomienda que la condicin de que estas sean iguales o menores a 0.30 m.

    Cuando el sifn cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto mximo de la creciente (caudal de mxima avenida).

    Se debe considerar un aliviadero de demasas y un canal de descarga inmediatamente aguas arriba de la transicin de ingreso.

    Se recomienda incluir una tubera de aeracin despus de la transicin de ingreso.

    Se debe analizar la necesidad de incluir vlvulas rompe presin en el desarrollo de la conduccin a fin de evitar el golpe de ariete, que

    podra hacer colapsar la tubera (solo para grandes caudales).

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.4 Criterios de Diseo

    Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el diseo hidrulico.

    Se debe tener en cuenta los criterios de sumergencia (tubera ahogada) a la entrada y salida del sifn, a fin de evitar el ingreso de

    aire a la tubera.

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.5 Clculo hidrulico de un sifn

    Mediante la energa especifica:

    Donde:

    H = Carga hidrulica (m) Zi = Cargas de posicin (m) Yi = Cargas de presin (m) Vi2 / 2g = Cargas de velocidad (m)

    g =9.81 m/s2

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.5.1 Partes de un sifn invertido

    a. Transiciones de entrada y salida, es recomendable su construccin para

    pasar gradualmente del canal a la tubera y viceversa.

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.5.1 Partes de un sifn invertido

    a. Transiciones de entrada y salida.

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.5.1 Partes de un sifn invertido

    b. Rejilla de entrada y salida, se acostumbra hacerla con varillas de 3/8" de

    dimetro o varillas cuadradas 3/8" x 3/8" colocados a cada 10 cm y

    soldadas a un marco de 1" x 1/2".

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.5.1 Partes de un sifn invertido

    c. Tuberas de presin, transportan agua y para que los costos de

    mantenimiento sean bajos se deben colocar soportes y/o anclajes en la

    tubera en pendientes estables y con buenos cimientos. No deber haber

    peligro de erosin por desprendimiento de laderas, pero si acceso seguro

    para hacer mantenimiento y reparacin.

    Utilizar tubera de presin para velocidades de diseo de 2.5 - 3.5

    m/s y un sifn se considera largo, cuando su longitud es mayor que

    500 veces el dimetro.

    Para calcular el conducto mas adecuado econmicamente y

    conveniente, se utiliza la siguiente ecuacin:

    Donde:

    Q = Caudal de descarga del sifn (m3/s)

    V = Velocidad media dentro de la tubera (m/s)

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.5.1 Partes de un sifn invertido

    d. El sifn siempre funciona a presin, por lo tanto, debe estar ahogado a la

    entrada y a la salida.

    Se debe comprobar con estas relaciones:

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.5.1 Partes de un sifn invertido

    d. El sifn siempre funciona a presin.

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.5.1 Partes de un sifn invertido

    d. El sifn siempre funciona a presin.

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.5.1 Partes de un sifn invertido

    d. El sifn siempre funciona a presin.

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.1.5.1 Partes de un sifn invertido

    e. Vlvula de purga de agua y lodos, se coloca en la parte ms baja del sifn

    para evacuar el agua y desalojar los lodos que se quede almacenada en el

    conducto. Para su limpieza o reparacin, se recomienda utilizar vlvulas de

    compuerta deslizante de las dimensiones que se estime conveniente de

    acuerdo con el caudal a desalojar.

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.2 Ejemplo de Diseo

  • CAPITULO 2: DISEO DE SIFON

    2.3 Video PROCESO CONSTRUCTIVO DE UN SIFN INVERTIDO

    http://www.youtube.com/watch?v=ajNyk81C3wg

  • TRABAJOS DE APLICACION

    INDIVIDUAL: Realizar un ensayo sobre Ejecucin de Obras Hidrulicas a altitudes

    mayores a los 4000msnm.

    GRUPAL: Efectuar el anlisis hidrulico de la Obra visitada; Instalacin del Servicio de Agua del Sistema de Riego en los Sectores de

    Succsoccasa, Minasmocco, Yaurisque, Huancarqui, Huayllapata,

    Markacchuay y Ranraccasa del Distrito de Yaurisque, Provincia

    Paruro Departamento Cusco.

    EXPOSICIONES Y EXAMEN

    MODULO IV: HIDROLOGIA Y DISEO DE ESTRUCTURAS

    HIDRAULICAS

    Exposiciones: 31/Enero/2015 3:00 8:00 pm

    Examen: 01/Febrero/2015 8:00 10:00 am