UNIVERSIDAD PRIVADA DEL VALLE

FACULTAD DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL

CARRERA DE INGENIERIA CIVIL

OBRAS HIDRAIULICAS I

GUIA PRACTICA DE LABORATORIO

COCHABAMBA - BOLIVIA

INDICE DE PRACTICAS EN TALLER DE OBRAS HIDRAULICAS

OBRAS HIDRAULICAS I

N PRACTICAS

1 IDENTIFICACION Y DESCRIPCION DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

2 MEDIDORES A REGIMEN CRITICO ESTRUCTURA PARSHALL

3 CALIBRACION DE VERTEDEROS

4 IDENTIFICACION Y DESCRIPCION DE RUGOSIDADES

5 DETERMINACION DE LA VELOCIDAD MEDIA EN LA VERTICAL

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Prctica No. 1

IDENTIFICACION Y DESCRIPCION DE ESTRUCTURAS HIDRULICAS 1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO.- Se debe repasar previamente:

Canales a superficie libre, componentes de un canal Estructuras hidrulicas en canales

2. COMPETENCIAS.- El estudiante Identificara cada una de las estructuras hidrulicas instaladas en el equipo construido en el rea de Obras, observara tambin las condiciones de ubicacin de cada uno de ellos y su influencia en las condiciones de flujo. 3. MATERIALES Y EQUIPOS.- Canal y sus diversas secciones Vertederos Marshall Compuertas Rpida

4. PROCEDIMIENTO.-

Observar e identificar todas las estructuras que componen el sistema Registrar las medidas geomtrica Registrar el acabado de la estructura

5. MEDICIN, CALCULOS Y GRAFICOS.-

Identificar las condiciones tericas en las que se debe instalar cada una de las estructuras que contiene el sistema

Desarrollar grficos y esquemas representativos de cada una de las estructuras

Mostrar tambin mediante esquemas la influencia que produce cada una de las estructuras en el flujo sobre el canal

Identificar la utilidad que puede darse a cada una de las estructuras identificadas, en el contexto del canal

6. CUESTIONARIO.-

Si cumplen razonablemente las condiciones de instalacin de las estructuras identificadas? Por qu?

En particular para la rpida, cmo se produce en ella el flujo? es posible identificar variables convencionales de flujo

En qu condiciones se puede disear y construir una rpida? Qu sugerencias plasmara para lograr un mejor desempeo del sistema y

de las prcticas?

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MEDIDORES A REGIMEN CRTICO ESTRUCTURA PARSHALL

1. CONOCIMIENTO TERICO REQUERIDO

1.1 Medidores a rgimen crtico

Los medidores de caudal a rgimen crtico esencialmente consisten en la

contraccin de las lneas de flujo en un canal abierto, de tal modo que se

alcanza la altura crtica en la garganta de la estructura. La contraccin se

produce por un estrechamiento en el canal, ya sea lateral, de fondo, o de

ambos.

El desempeo hidrulico de una estructura de este tipo es similar al

comportamiento de un vertedero de cresta ancha. La relacin altura -

caudal de la mayora de los medidores a rgimen crtico tiene la siguiente

forma:

Q C hdu= (1)

Donde:

Cd => coeficiente de descarga dependiente de las dimensiones de la

garganta

h => altura piezomtrica sobre la cresta en el canal de aproximacin

u => factor que vara entre 1.50 y 2.50 dependiendo de la geometra del

canal

Algunos ejemplos de estructuras de medicin de caudales a rgimen crtico

son: Parshall, Cut-throat flume, H-Flume, etc.

1.2 Aforador Parshall

Considerando los medidores de caudal a rgimen crtico, uno de las ms

ampliamente difundidos es el aforador Parshall, que se caracteriza por

contar con un canal con contraccin lateral y de fondo. (Figura 1)

Por su relativa facilidad de construccin y escaso mantenimiento, estas

estructuras se han estandarizado en cuanto a dimensiones y a su relacin

altura - caudal, en funcin al rango de caudales a medir. La medicin

prctica de flujo con este tipo de aforadores vara de 0.09 lt/s a 93 m3/s,

segn sus dimensiones y el material de construccin.

La medicin de tirantes en un Parshall se la hace en una de las paredes

convergentes de la base horizontal a una distancia:

a A= 23

(2)

La cual se mide de la forma en que se ilustra en la Figura 1. La dimensin

A para diferentes tamaos de Parshall se indica en el Cuadro 1.

En este cuadro adems, se muestran las magnitudes principales de algunas

estructuras Parshall y sus correspondientes relaciones altura - caudal.

La identificacin de los diferentes tipos de Parshall se la hace considerando

su magnitud ms representativa, la cual es el ancho de la garganta b en

pulgadas o pies.

En al Figura 2, se puede observar la geometra de un medidor Parshall en

planta y corte mas el detalle de sus dimensiones.

Cuadro 1. Dimensiones estndar de medidores Parshall

Parshall b A B C D L G Rango de Q

[lt/s] Ecuacin

[m3/s]

2 50.8 414 406 135 214 114 254 0.18 - 13.2 0.1207 h1.55

3 76.2 467 457 178 259 152 305 0.77 - 32.1 0.1771 h1.55

6 152.4 621 610 394 397 305 610 1.50 - 111.0 0.3812 h1.58

9 228.6 879 864 381 575 305 757 2.50 - 251.0 0.5354 h

1.53

Dimensiones en milmetros

AB

C

M T G

DW P

A A

PLANTA

CORTE A -A

2/3A

Medidor de tirantes

Ha

P

E

H

N K

Figura 2. Geometra de una estructura Parshall

2. MATERIALES Y EQUIPOS.

La prctica considera los siguientes materiales y equipos:

Canal a superficie libre de seccin cuadrada y con flujo controlado Medidor Parshall Sonda milimtrica para medicin de tirantes Nivel de burbuja para verificar pendientes Medidor de caudal en el canal

3. TCNICA O PROCEDIMIENTO

a. Identificar a cual de los Parshall clasificados en el Cuadro 1,

corresponde el que se va a utilizar en la prctica. Se debe tomar

nota de sus dimensiones y de la ecuacin altura - caudal (Q vs h)

correspondientes.

b. Dejar circular el agua por el canal de manera controlada.

c. Variar progresivamente el caudal de flujo con la compuerta al

menos tres etapas, considerando que antes de intentar una nueva

variacin el flujo debe estabilizarse de manera de permitir la medicin

de tirantes adecuadamente.

d. Para cada caudal que circule por el canal (y el Parshall) se debe

medir cuidadosamente el tirante de agua en el lugar indicado.

e. Las alternativas pueden ser:

Mtodo manual se efecta midiendo fsicamente el tirante de agua sobre el fondo del conducto, utilizndose para reglas graduadas

Medidor de tirantes (equipo opcional) que consta de una regla graduada con un cursor tipo aguja, se instala a la entrada del canal. )

Molinete para canales (equipo opcional)

4. COMPETENCIAS.

El estudiante Investigara las consideraciones tericas, de diseo y uso de

aforadores a rgimen crtico, y aplicara en obra el uso de un aforador

Parshall para la medicin de caudales en canales a superficie libre.

5. MEDICIN, CALCULOS Y GRAFICOS

a. A partir de las mediciones de tirantes para cada uno de las

variaciones de caudal considerados, se debe aplicar la ecuacin Q vs

h correspondiente al tipo de Parshall utilizado en la prctica.

b. Se calcula mediante la ecuacin el caudal "terico" y se compara con

los caudales medidos en el canal, utilizando una tabla.

Tirante [cm]

Caudal "terico"(ecuacin Q vs

h) [lt/sg]

Caudal medido [lt/seg]

c. Identificar estadsticamente las variaciones

d. Comentar el procedimiento y resultados.

6. CUESTIONARIO

a) Por qu se debe medir el tirante en el lugar indicado de la

estructura del Parshall y no en otro?

b) Identifique las variaciones de rgimen hidrulico - si es que existen -

mientras el flujo atraviesa la estructura Parshall.

c) De qu magnitud son las variaciones observadas entre los caudales

medidos y "tericos"?

d) A que atribuye estas diferencias?

e) Por qu considera que se llaman "medidores a rgimen crtico"?

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CALIBRACION DE VERTEDEROS 1.- COMPETENCIAS.- El estudiante desarrolla el proceso de calibracin de vertederos en una estructura de conduccin real, lo que podra replicarse en un canal abierto de la obra Lograra mantener el nivel de agua casi constante 2.- MATERIALES Y EQUIPOS.- Canal a cielo abierto del sector de Obras Hidrulicas Parshall instalado en el canal Vertedero rectangular de pared delgada instalado en el canal Vertedero de cresta ancha instalado en el canal Flexmetro

TRAPEZOIDAL

3.- PROCEDIMIENTO.-

Se miden las dimensiones representativas del Parshall para su posterior identificacin

Se debe dejar fluir agua por el canal a diferentes caudales sucesivamente Para cada uno de ellos, se debe lograr la estabilidad del flujo antes de

iniciar la prctica Se identifica en el Parshall instalado los niveles de agua para cada

variacin de caudal Simultneamente se mide los tirantes sobre el vertedero de pared delgada

a una distancia apropiada aguas arriba De igual manera de miden tirantes sobre el vertedero de cresta ancha

4.- MEDICIN, CALCULOS Y GRAFICOS.- En el Taller

El estudiante debe tomar nota de los tirantes de agua para cada variacin de caudal realizada, tanto en el Parshall como en el vertedero de pared delgada y en el de cresta ancha.

En gabinete

En base a las dimensiones tomadas en el Parshall, se lo identifica en las normas estandarizadas, as como su capacidad.

Con los tirantes medidos en el Parshall y la identificacin previa, se determinan los caudales correspondientes a cada variacin realizada.

Con los tirantes medidos en los vertederos, para cada uno de ellos se procede a su calibracin con los mtodos analtico y estadstico

Se obtendrn ecuaciones Q vs h para cada uno de los vertederos. Vertederos de pared gruesa

5.- CUESTIONARIO.-

Adems de un Parshall, que otras estructuras de medicin de caudal in situ son apropiadas para canales a superficie libre?

Cules son las caractersticas que debe cumplir la instalacin de vertederos (de cresta delgada y ancha) en canales?

Cul es el grado de confiabilidad que se puede lograr con un proceso de calibracin? De qu depende?

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IDENTIFICACION Y DESCRIPCION DE RUGOSIDAD 1.- CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO.- Se debe repasar previamente:

Flujo en canales a superficie libre Ecuaciones empricas aplicables al flujo en canales abiertos Ecuacin de Chezy, ecuacin de Manning, ecuacin de Bazin, ecuacin de

Kutter Coeficientes de rugosidad en cada caso

2.- COMPETENCIAS.- El estudiante Identificara y tomaran medidas en el canal las diferentes formas y diferentes materiales de acabado superficial, para aplicar los coeficientes de rugosidad ecuaciones empricas de flujo. 3.- MATERIALES Y EQUIPOS.- Canal a cielo abierto Parshall instalado en el canal Flexmetro Manguera de nivel

4.- PROCEDIMIENTO.-

Se medir inicialmente la pendiente longitudinal de cada tramo de canal con ayuda de la manguera de nivel

Conocidas las caractersticas del Parshall instalado, en el se medirn tirantes para su posterior identificacin de caudales de flujo.

Para un determinado caudal estabilizado previamente, se medir con el flexmetro en cada seccin de canal sus variables: solera, tirante y ngulo de taludes.

5.- MEDICIN, CALCULOS Y GRAFICOS.- En gabinete

Identificado el Parshall, se pueden determinar caudales para cada tirante medido.

En base a las mediciones efectuadas, se determinan las variables de flujo: tirante, solera, taludes, pendiente, permetro mojado, rea de flujo, radio hidrulico y caudal.

Siendo el coeficiente de rugosidad la nica incgnita en cada caso y para cada variacin de caudal, es posible calcularlo a partir de las ecuaciones empricas elegidas.

6.- CUESTIONARIO.- Considerando cada tramo de canal y las diferentes variaciones de caudal desarrolladas en el ensayo:

Cmo se comportaron los resultados? Deberan ser semejantes? Concuerdan con valores referenciales identificados en bibliografa

especializada? A qu atribuye las variaciones? Qu opinin le merece el resultado de la rugosidad en el canal trapezoidal

en el que se tienen diferentes materiales de acabado en la solera y en los taludes?

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DETERMINACION DE LA VELOCIDAD MEDIA EN LA VERTICAL 1.- CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO.- La velocidad media del agua en cada vertical puede determinarse mediante los siguientes mtodos, dependiendo del tiempo disponible y teniendo en consideracin el ancho, la profundidad del agua, las condiciones del lecho, los cambios de nivel, as como la precisin con que se desea operar: 2.- COMPETENCIAS.- El estudiante comparara y experimentara en el canal abierto la diferencia de velocidad de desplazamiento del flujo, tomando en cuenta los materiales de acabado superficial y el coeficientes de rugosidad en cada uno de los tramos a diferentes profundidades 3.- MATERIALES Y EQUIPOS.- Canal abierto Esferas Flotadoras Flexmetro o huincha Cronmetros 4.- PROCEDIMIENTO Y METODOS.- a) Mtodo de los puntos: Se deben realizar distintas observaciones de velocidad en cada vertical dependiendo de la profundidad del curso del agua. Para secciones de poca profundidad (menores a 60 cm) se realizan observaciones en cada vertical colocando el molinete a 0,6 de la profundidad total por debajo de la superficie libre. Para profundidades superiores, generalmente, se mide la velocidad a 0,2 y luego a 0,8 de la profundidad de la superficie libre y se usa el promedio de las dos medidas como la velocidad media en la vertical. En la Tabla 2.1 se resumen los antecedentes necesarios para el clculo de la velocidad media de acuerdo a la profundidad del cauce: b) Mtodo de mltiples puntos: consiste en medir velocidades en muchas posiciones de la vertical para definir el perfil de velocidad bastante bien y as calcular una velocidad media lo suficientemente exacta.? El mtodo es muy

preciso, dependiendo del nmero de puntos de referencia medidos para el perfil, pero requiere de mucho tiempo.

c) Mtodo superficial: implica medir la velocidad cerca de la superficie libre y despus? multiplicarla por un coeficiente que va desde 0,85 a 0,95, dependiendo

de la profundidad del agua, de la velocidad, y de la naturaleza del ro o canal.? La dificultad de determinar el coeficiente exacto limita la utilidad y la exactitud de este mtodo. En general, se utiliza para medir la velocidad en crecidas, en donde no se recomienda efectuar un aforo convencional, para proteger los equipos hidromtricos.

d) Mtodo de integracin (Molinete): En este mtodo el molinete es sumergido y elevado a lo largo de toda la vertical a una velocidad uniforme. La velocidad de ascenso o descenso del molinete no deber ser superior al 5% de la velocidad media del flujo en toda la seccin transversal y en todo caso deber estar comprendida entre 0.04 y 0.10 m/s. Se determina el nmero de revoluciones por segundo. En cada vertical se realizan dos ciclos completos y, si los resultados difieren de ms de 10%, se repite la medicin.

5.- MEDICIN, CALCULOS Y GRAFICOS.- En gabinete

6.- CUESTIONARIO.- Considerando cada tramo de canal y las diferentes variaciones de caudal desarrolladas en el ensayo:

Cmo se comportaron los resultados? Deberan ser semejantes? Concuerdan con valores referenciales identificados en bibliografa

especializada? A qu atribuye las variaciones? Qu opinin le merece el resultado de la rugosidad en el canal trapezoidal

en el que se tienen diferentes materiales de acabado en la solera y en los taludes?

Pro

fun

did

ad

Eje longitudinal

u = 2.5 u* ln(y/yo)yo