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“Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria”
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
“HIDRÁULICA EN CANALES”
AUTORES:
BILL KEN BRAOLIN GUZMÁN JESÚS
NILO OJANAMA SORIA
DERICK TORREJON USHIÑAHUA
LUIS ADOLFO SALDAÑA CANLLA
PEDRO GIANCARLO IMÁN SILVA
DOCENTE:
Ing. SADITH N. GARRIDO CAMPAÑA
FECHA DE ENTREGA:
Jueves 06 de Junio de 2013
TARAPOTO – PERÚ
2013
Universidad César Vallejo
Escuela de Ingeniería Civil
INTRODUCCIÓN
El conocimiento de los principios básicos que rigen el comportamiento del flujo a superficie libre es fundamental en las ramas de la ingeniería que tienen que ver con el aprovechamiento del recurso hídrico, para el diseño de las estructuras y obras hidráulicas de sistemas de acueducto y alcantarillado, plantas de potabilización y tratamiento de aguas residuales, etc.
En este trabajo se expone los principios fundamentales del flujo a superficie libre en canales, clasificación de los canales, diseño de canales y otros puntos importantes que nos ayudaran a tener un conocimiento mas amplio sobre la Hidráulica de Canales.
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OBJETIVO
EL objetivo principal es estudiar los principios que rigen es ofrecer los conocimientos básicos para el estudio de hidráulica de canales para poder tomar nuestras propias decisiones sobre el diseño de canales y poder identificar los tipos de flujo en un canal, ya que nos servirán de mucha ayuda para nuestra carrera profesional por tal motivo es necesario los conocimientos adquiridos durante el aprendizaje o ejercicio de la carrera.
Además que gracias a los conocimientos en hidráulica de canales podremos realizar diferentes tipos de construcciones sean propiamente dicho para mejorar la calidad del estudio de esta.
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MARCO TEÓRICOCanal
En ingeniería se denomina canal a una construcción destinada al transporte de
fluidos (generalmente utilizada para agua) y que, a diferencia de las tuberías, es
abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación.
La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es una parte
fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería
hidráulica, una de las especialidades de la ingeniería civil.
Cuando un fluido es transportado por una tubería parcialmente llena, se dice
que cuenta con una cara a la atmósfera, por lo tanto se comporta como un
canal.
Clasificación de Canales
Canales naturales Se denomina canal natural a las depresiones naturales en la corteza terrestre,
algunos tienen poca profundidad y otros son más profundos, según se
encuentren en la montaña o en la planicie. Algunos canales permiten la
navegación, generalmente sin necesidad de dragado. Los canales naturales
influyen todos los tipos de agua que existen de manera natural en la tierra, lo
cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas
hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes, y estuarios de mareas. Las
corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también
son consideradas como canales abiertos naturales.
Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy
irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas
razonablemente consistentes en las observaciones y experiencias reales, de tal
modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables
mediante tratamiento analítico de la hidráulica teórica.
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Canales de riego
Éstos son vías construidas para conducir el agua hacia las zonas que requieren
complementar el agua precipitada naturalmente sobre el terreno.
CANAL DE RIEGO
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Canales de navegación Un canal de navegación es una vía de agua hecha por el hombre que
normalmente conecta lagos, ríos, incluso océanos.
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Secciones Transversales mas frecuentes
El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en
tubería. Estas dos clases de flujos son similares en diferentes en muchos
aspectos, pero estos se diferencian en un aspecto importante.
El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo en
tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar
completamente el conducto.
Las condiciones de flujo en canales abiertos se complican por el hecho de que
la composición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el
espacio, y también por el hecho de que la profundidad de flujo el caudal y las
pendientes del fondo del canal y la superficie libre son interdependientes.
En estas la sección transversal del flujo, es fija debida a que esta
completamente definida por la geometría del conducto. La sección transversal
de una tubería por lo general es circular, en tanto que la de un canal abierto
puede ser de cualquier forma desde circular hasta las formas irregulares en ríos.
Además, la rugosidad en un canal abierto varia con la posición de una superficie
libre. Por consiguiente la selección de los coeficientes de fricción implica una
mayor incertidumbre para el caso de canales abiertos que para del de tuberías,
en general, el tratamiento del flujo en canales abiertos es mas mas que el
correspondiente a flujo en tuberías. El flujo en un conducto cerrado no es
necesariamente flujo en tuberías si tiene una superficie libre, puede clasificarse
como flujo en canal abierto.
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Tipos de Flujo
El flujo en canales abierto puede clasificarse en muchos tipos y distribuirse de
diferentes maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el
cambio en la profundidad del flujo con respecto al tiempo y al espacio.
FLUJO PERMANENTE Y NO PERMANENTE: tiempo como criterio.
Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad del
flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo
en consideración.
El flujo es no permanente si la profundidad no cambia con el tiempo. En la
mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del
flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo el cambio en la
condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse
como no permante, el nivel de flujo cambia de manera instantánea a medida
que las ondas pasan y el elemento tiempo se vuelve de vital importancia
para el diseño de estructuras de control. Para cualquier flujo, el caudal Q en
una sección del canal se expresa por Q=VA. Donde V es lavelocidad media
y A es el área de la sección transversal de flujo perpendicular a
la dirección de este, debido a que la velocidad media esta definida como el
caudal divido por el área de la sección transversal.
FLUJO UNIFORME Y FLUJO VARIADO: tomando al espacio como
criterio.
Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad del
flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo UNIFORME puede
ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con
respecto al tiempo. El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo
fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La
profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo
consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente
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requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero
permaneciendo paralela al fondo del canal.
El flujo es VARIADO si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal.
El flujo VARIADO PUEDE SER PERMANENTE O NO PERMANENTE es
poco frecuente, el termino "FLUJO NO PERMANENTE" se utilizara de
aquí en adelante para designar exclusivamente el flujo variado no
permanente.
El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente varia o
gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad
del agua cambia de manera abrupta en distancias compartidamente
cortas; de otro modo, es gradualmente variado. Un flujo rápidamente
variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son
el resalto hidráulico y la caída hidráulica.
A.- flujo permanente
1) flujo uniforme
2) flujo variado
a) flujo gradualmente variado
b) flujo rápidamente variado
B.- flujo no permanente
1) flujo uniforme no permanente "raro"
2) flujo no permanente (es decir, flujo variado no permanente)
a) flujo gradualmente variado no permanente
b) flujo rápidamente variado no permanente
ESTADO DE FLUJO. El estado o comportamiento del flujo en canales abiertos
esta gobernado básicamente por los efectos de viscosidad y gravedad con
relación con las fuerzas inerciales del flujo.
EFECTO DE VISCOSIDAD. El flujo puede ser laminar, turbulento o
transaccional según el efecto de la viscosidad en relación de la inercia.
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EL FLUJO ES LAMINAR: si las fuerzas viscosas son muy fuertes en relación
con las fuerzas inerciales, de tal manera que la viscosidad juega con un papel
muy importante en determinar el comportamiento del flujo. En el flujo laminar,
las partículas de agua se mueven en trayectorias suaves definidas o en líneas
de corriente, y las capas de fluido con espesor infinitesimal parecen deslizarse
sobre capas adyacentes.
EFECTO DE LA GRAVEDAD. El efecto de la gravedad sobre el estado del flujo
representa por relación por las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales.
REGIMENES DE FLUJO: en un canal el efecto combinado de la viscosidad y la
gravedad puede producir cualquiera de 4 regímenes de flujo, los cuales son:
subcritico-laminar
súper critico-laminar
subcritico-turbulento
supercrítico-turbulento
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RESULTADOS
Los elementos geométricos:
Son propiedades de una sección de canal que pueden ser definidos por
completo por la geometría de la sección y la profundidad de flujo. Estos
elementos son muy importantes y se utilizan con amplitud en el cálculo de flujo.
Para secciones de canal regulares y simples, los elementos geométricos
pueden expresarse matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y
de otras dimensiones de la sección. Para secciones complicadas y secciones de
corrientes naturales, sin embargo, no se puede escribir una ecuación simple
para expresar estos elementos, pero pueden prepararse curvas que
representen la relación entre estos elementos y la profundidad de flujo para uso
en cálculos hidráulicos.
donde:
y = tirante de agua, altura que el agua adquiere en la sección transversal
b = base del canal o ancho de solera
T = espejo de agua o superficie libre de agua
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H = profundidad total del canal
H-y = borde libre
C = ancho de corona
θ = ángulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal
Diseño hidráulico de un canal:
Para el diseño de un canal se presume que el escurrimiento se desarrollará en
condiciones de flujo uniforme. El flujo no uniforme se presentará en situaciones
de cambios en la pendiente, rugosidad, dimensiones de la sección,
embalsamientos, caídas o por cambios inducidos por la operación de órganos
de operación o seguridad.
La velocidad media de flujo en un canal se determina por medio de la fórmula
desarrollada por Chezy:
Aplicando la ley de continuidad, se obtiene la capacidad de conducción:
Donde:
v Velocidad media de flujo en m/s
C Coeficiente de Chezy
R Radio hidráulico en m
I Pendiente hidráulica
Q Caudal en m3/s
A Area efectiva en m2
El caudal Q manifiesta la capacidad de conducción, la pendiente hidráulica del
canal que será función de las condiciones topográficas podrá estar asociada al
mismo tiempo a las velocidades límites; éstas se establecerán con base en las
características del material que conforme el perímetro mojado y tomará en
cuenta la probabilidad de erosión y sedimentación.
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Según Manning-Strickler, el coeficiente de Chezi adquiere la siguiente forma:
donde: Ks coeficiente de fricción de Manning-Strickler
R Radio hidráulico en m
Por lo que la capacidad de conducción del canal se podrá expresar por medio
de la fórmula siguiente:
El coeficiente de fricción de Manning-Strickler dependerá del tipo de material
que conforma el perímetro mojado, del caudal y de las características
morfológicas del canal. La influencia de la rugosidad será mayor para caudales
menores, reduciéndose en función de su incremento. Por otra parte, la
configuración en planta también tendrá efectos sobre la rugosidad, siendo
mayor para trayectorias con numerosos curvas y cambios de sección, sin
embargo esta influencia en la práctica solo es posible determinar mediante
mediciones en canales ya construidos.
Para el diseño se deberá adoptar valores de Ks mediante una asociación entre
los materiales que se utilizarán para conformar el perímetro mojado y los
valores obtenidos de mediciones in situ y en laboratorio para materiales
similares. En la tabla 2.1 se muestra algunos valores que pueden servir de
referencia.
Tabla 1.1 - Valores de ks según Press-Bretchneider
MATERIAL CLASE, FORMA, ESTADO Ks en
m1/3 /s
Madera Tablas cepilladas
Tablas no cepilladas
Canales antiguos
Canales nuevos y lisos
85 a 90
75 a 85
65 a 70
90 a 95
Asfalto Canales revestidos de asfalto 70 a 75
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Canales de hormigón asfáltico 72 a 77
Hormigón Con acabado liso
Hormigón c/encofrado metálico
Hormigón c/encofrado de madera
Hormigón bien acabado
Hormigón vibrado
Acabado ordinario
Galerías con cuidadoso acabado
Galerías con acabado ordinario
100
90 a 100
65 a 70
90
60 a 70
50 a 55
85 a 95
70 a 80
Fábrica Mampostería ladrillo bien
ejecutado
Mampostería normal
75 a 80
60 a 70
Piedra
natural
Sillería
Mampostería cuidadosamente
tratada
Mampostería normal
Mampostería ordinaria
Taludes de mampostería,
adoquinados, con solera de arena
o grava
70 a 80
70
60
50
45 a 50
Tierra Material duro, liso
Material duro, fino
Grava fina a mediana
Grava gruesa
Barro con torrones
Con piedras gruesas
Canales de tierra, mucha
vegetación
60
50
40 a 45
35
30
25 a 30
20 a 25
El diseño de un canal requiere del análisis de las velocidades medias de flujo,
de manera que no se presente sedimentación ni erosión; en el primer caso nos
referimos a la velocidad mínima o velocidad "que no sedimenta" vn.s y en el
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segundo a la velocidad máxima o "velocidad no erosiva" vn.e.
Entre los primeros intentos para encontrar las relaciones hidráulicas de canales
sin erosión ni sedimentación, se puede mencionar al profesor inglés R.G.
Kennedy, que presentó en 1895 una fórmula basada en el estudio del
funcionamiento hidráulico de 22 canales de riego en la India, la misma que se
expresa de la siguiente manera:
Donde:
v0 Velocidad media de flujo que no ocasiona ni sedimentación ni erosión, en
pies/s
y Tirante de agua, en pies
C Coeficiente que depende de la firmeza del material que conforma el canal,
que King asocia al grado de finura de las partículas del suelo.
Posteriormente, trabajos relacionados al estudio de la Teoría de Régimen,
ampliaron los niveles de conocimiento sobre la estabilidad hidráulica de los
canales, sin embargo la aplicación de las fórmulas, desarrolladas sobre la base
de mediciones en la naturaleza, requieren del conocimiento preciso de los
rangos de validez de las mismas y de las características particulares de los
canales que sirvieron de modelo.
La velocidad mínima permisible, vn.s., que evite la sedimentación de partículas
sólidas, puede determinarse utilizando la fórmula empírica de I.I. Levy:
Donde:
w Velocidad de caída de una partícula de diámetro dav en mm/s
dks Diámetro característico de las partículas en suspensión en mm.
R Radio hidráulico del canal en m.
n Coeficiente de rugosidad del perímetro mojado del canal.
Girshkan propone la siguiente fórmula:
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Donde:
F Coeficiente igual a: 0.33 para w = 1.5 mm/s
0.44 para w = 1.5 - 3.5 mm/s
0.55 para w > 3.5 mm/s
Q Caudal en m3/s
La velocidad límite o velocidad mínima que debe adquirir el flujo para evitar la
sedimentación en un canal, puede entenderse también como las capacidad del
flujo de transportar una determinada cantidad de sólidos suspendidos en el
agua. Bajo este concepto se aconseja utilizar la fórmula semi-empírica de E.A.
Zamarín.
m Concentración de sedimento en kg/m3 de agua
v Velocidad de flujo en m/s
w Velocidad de sedimentación en mm/s
R Radio hidráulico en m.
I Pendiente hidráulica
En el canal no se presentará sedimentación de sólidos en suspensión si la
capacidad de transporte m es mayor que la concentración manifestada por la
turbiedad del agua.
Por otro lado es importante analizar las condiciones de flujo desde el punto de
vista de las posibilidades de erosión y/o socavación, en este caso las
magnitudes de control se manifiestan en términos develocidad
máxima o tensión de corte máxima.
Para solera móvil, la velocidad admisible de flujo es dependiente del diámetro
de los granos que componen la solera y del tirante hidráulico. A.M. Latyshenkov
y B.I. Studennichnikov la fórmula empírica siguiente:
Donde:
vn.e Velocidad máxima permisible en m/s para la que no se presentaría erosión
en el perímetro mojado
F Coeficiente
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r Exponente
dk Diámetro característico del material de la solera en mm.
n Exponente
Para dk < 1-10 mm F = 5, r = 0.3, n = 0.2
Para dk > 1-10 mm. F = 3.6, r = n, n = 0.25
Los sedimentos en suspensión reducen la acción erosiva del agua y según B.I.
Studennichnikov, la velocidad máxima admisible puede ser afectada por un
término dependiente de la turbiedad del agua, a saber:
Donde:
v'n.e. Velocidad máxima admisible para flujo con material en suspensión en m/s.
vn.e. Velocidad máxima admisible para flujo de agua limpia en m/s.
m Turbiedad del agua en kg/m3
En la tabla 8.2 se muestran valores de la máxima velocidad permisible del flujo
para diferentes tipos de materiales rígidos, considerando que el flujo es libre de
arena gruesa y guijarros.
Tabla 1.2 - Velocidad de flujo permisible vn.e en m/s para escurrimiento sin
erosión
TIPO DE MATERIAL Tirante h en metros
0.5 1.0 5.0
Roca (sedimentaría e
ígnea)
Canal de madera
Revestimiento de concreto
Revestimiento/
mampostería de piedra
1.7-
6.3
26 -
29
9.6 -
15.6
4.3 -
2.1-
7.7
28 -
32
10.6 -
17.3
5 - 8.7
3 - 11
34-38
13 -
21.2
6.7 -
11.6
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7.4
Azevedo Netto-G.A. Alvarez plantean los siguientes valores:
Tabla 1.3 - Velocidad de flujo permisible para escurrimiento sin erosión.
MATERIAL vn.e. (m/s)
Canales arenosos
Arcilla arenosa
Materiales aglomerados
consistentes
Muro de piedra
Canales en roca compacta
Canales de concreto
0.30
0.40
2.00
2.50
4.00
4.50
El U.S. Bureau of Reclamation publicó en 1925 un cuadro realizado por Fortier y
Acobey (13) en el que se presenta valores de velocidad y tensión de corte
máximas, para canales de pequeña pendiente y tirantes menores a 0.91 m.
(Tabla 2.4).
Tabla 1.4 - Valores admisibles de la tensión de corte y velocidad media de flujo
según Fortier y Acobey
MATERIAL Ks
m1/3
Agua clara Agua c/limo
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/s
v
m/s
o
kg/m
v
m/s
o
kg/m
Arena fina *
Greda arenosa **
Greda limosa **
Limo aluvial **
Greda común firme
Arcilla dura ***
Limo aluvial *
Grava fina
50
50
50
50
50
40
40
50
0.46
0.53
0.61
0.61
0.76
1.14
1.14
0.76
0.13
0.18
0.23
0.23
0.37
1.27
1.27
0.37
0.76
0.76
0.91
1.07
1.07
1.52
1.52
1.52
0.37
0.37
0.54
0.73
0.73
2.24
2.24
1.56
CONCLUSIONES
Universidad César Vallejo
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La energía hidráulica es algo importante ya que se puede producir energía
eléctrica, pues aprovechamos la caída del agua y nos es útil hasta en la
vida cotidiana, un ingeniero debe ser completo en su profesión, conociendo
todo lo referente a su tema, englobando todo esto que es importante.
Debemos tomarlo en cuenta y que esta investigación no quede en el vacío.
Y no cabe la menor duda que las energías renovables son el futuro de
nuestro planeta. Los recursos fósiles se están acabando y aunque todavía
se utilizan masivamente, quiero llegar a un punto que es necesario un
cambio hacia la energía limpia.
Dentro de estas destaca enormemente la energía hidráulica, que utiliza el
agua como principal recurso .Debido a sus especiales características, en
conclusión estamos ante una energía verdaderamente limpia y renovable,
ya que no influye para nada en el ciclo natural del agua, de este modo, las
reservas siempre serán estables y debemos aprovecharla.
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Recomendaciones
Utilizar aparatos de precisión, para poder realizar cálculos lo más
cercano posible a la realidad en el terreno.
Se recomienda para próximos trabajos, adoptar todo el grupo un
canal del cual no se cuente con curvas de calibración y así dar algo
a La comunidad.
Con ayuda de La universidad y los estudiantes del curso de
hidráulica de canales abiertos, hacer un estudio de aforación del
caudal; para con base en estos datos realizar un estudio especial,
de la socavación de este, que ocurre más de marcadamente en las
bases y así evitar un nuevo colapso de una estructura.
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BIBLIOGRAFIA Editorial
-LimusaTomo I.II, 200 pg. Hidráulica.
-Jackson. Diseño de canales (hidráulica)Pg.56