Clase 04 conductos a superficie libre obras hidraulicas

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CONDUCTOS A SUPERFICIE_obras hidraulicas

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Clase 04 conductos a superficie libre obras hidraulicas

  1. 1. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVILCONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE 4° clase Ing. Alejandro Zapata chafazg@gmail.com
  2. 2. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6. Criterios de diseño para canales de Flujo UniformeEn el diseño hidráulico de los canales se debe tener en cuenta lasleyes de la hidráulica que Influyen en el flujo de los líquidos, asícomo las recomendaciones de Organismos Internacionalesespecializados en el diseño de estructuras, entre estas Agenciaspodemos citar:- Bureau of Reclamation.- Cuerpo de ingenieros del Ejército de los Estados Unidos.- Secretaria de Recursos Hidráulicos de México.- Colegio de Ingenieros del Perú.
  3. 3. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6. Criterios de diseño para canales de Flujo UniformeDe esa basta bibliografía producida por las Agencias yOrganismos Internacionales anteriores conviene tomar en cuentalos 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
  4. 4. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.1 Velocidad Máxima de ErosiónLa velocidad del agua Influye en la conservación de losrevestimientos y en la estabilidad de los canales no revestidos, asílas velocidades altas posibilitan la abrasión de los revestimientosde las paredes y el fondo de los canales debido al material gruesoque 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. eneste caso será preferible optar por canales no revestidos.
  5. 5. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL 2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.1 Velocidad Máxima de Erosión …También conviene considerar que un canal profundo transportará agua amayor velocidad sin ocasionar erosión que otro de poca profundidad, puesla erosión es causada principalmente por la velocidad del fondo, estefactor es fundamental para decidir si el revestimiento es conveniente.Igualmente se debe tener en cuenta que la Velocidad Máxima de Erosiónes aquella. a partir de la cual el agua comienza a efectuar destrozos en lasparedes y el fondo de los. cauces naturales. canales revestidos y encanales de tierra.De acuerdo al material empleado en el revestimiento de los canales serecomienda no sobrepasar las velocidades que se muestran en el cuadrosiguiente:
  6. 6. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
  7. 7. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2.6.2 Velocidad mínima de sedimentación…El fenómeno de arrastre de material en suspensión es complejo,pues tanto la velocidad que arrastra o deposita el materialdepende de las dimensiones, forma y naturaleza del materialarrastrado; por lo que existen muchas variables en su origen.Para diseñar un canal se debe tener en cuenta que la velocidaddel flujo no debe descender de cierto límite Inferior que es laVelocidad de Deposición o Sedimentación del material ensuspensión que acarrea el agua.Este límite fue estudiado por Robert G. Kennedy, su expresión esla siguiente: U =  h0.64 donde:U: Velocidad media límite, que no produce sedimentación: Coeficiente que depende del material en suspensiónh: Altura de agua
  8. 8. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2.6.2 Velocidad mínima de sedimentación…
  9. 9. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2.6.3 Relación de máxima eficiencia hidráulica (MEH)Entre las diferentes secciones que pueden adoptarse en el diseñode los canales, algunas secciones encierran condiciones llamadasde Máxima Eficiencia Hidráulica, son aquellas que para un mismogasto. pendiente y revestimiento requieren un área mojada mínimacuando el terreno es aproximadamente plano.En general la MEH se obtiene cuando el radio medio hidráulico esmáximo, esto sucede si el perímetro mojado es mínimo.La relación de Máxima Eficiencia Hidráulica es: RMAX = A / PMIN
  10. 10. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2.6.3 Relación de máxima eficiencia hidráulica (MEH)…Remplazando valores y haciendo el radio hidráulico máximo seobtiene la siguiente fórmula: X = b/d = 2 d [(1+z2)0.5-z] Relación de Máxima eficiencia hidráulica (MEH) Talud Z Relacion X= b/d 0 2.00 0.25 : 1 1.56 0.50 : 1 1.23 0.75 : 1 1.00 1:1 0.83 1.50 : 1 0.61 2:1 0.47 3:1 0.32 Circular 0.82 d/D Herraje 0.81 d/D
  11. 11. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.4 Coeficiente de RugosidadEs la resistencia al flujo del agua, que presentan losrevestimientos de los canales artificiales y la naturaleza del cauceen los conductos naturales; se debe principalmente a lascondiciones y al estado de conservación de los revestimientos.En los cauces naturales la rugosidad puede variar con la estacióndel año principalmente por efecto de fenómenos naturales comolos huaycos y transporte de sólidos así como por la Variedad demateriales que puede presentar un cauce natural según el nivelpor cual discurre.
  12. 12. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.4 Coeficiente de Rugosidad…Un ejemplo puede darlo el río Marañón, que el nivel de susnacientes su cauce es de arenas y arcillas, en su curso medio derocas y conglomerado y en el curso bajo puede tener orillascubiertas de vegetación.En los cauces naturales el coeficiente de rugosidad es muyvariable. Dependiendo de la topografía, geología y vegetación. Porlo que en esos casos se suelen usar fotos de ríos típicos, dondese ha conseguido determinar el valor de “n”.
  13. 13. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.4 Coeficiente de Rugosidad…Con la ayuda de las fotografías obtenidas por C.E. Ramser delNatíonal Resourses Committee de los E.U. se puede obteneralgunos valores de la rugosidad principalmente para caucesnaturales cubiertos de vegetación en las orillas.En algunos casos como se ha mencionado anteriormente larugosidad varia con las condiciones del flujo, por lo que no debeomitirse este aspecto, dado que en los cauces naturales, elcoeficiente de rugosidad en- estiaje puede ser diferente al deavenidas, como consecuencia de una mayor" lubricación de lasparedes debido a una mayor concentración de sedimentos o barro.
  14. 14. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.4 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 serándiferentes y la rugosidad media de la sección será un valorIntermedio.Para estimaciones prácticas del coeficiente de rugosidad -sepuede consultar el Handbook of Hydraulícs de King Horton, que dalos valores para el coeficiente de rugosidad. mostrando fotografíasde diferentes cauces naturales.
  15. 15. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2.6.4 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”
  16. 16. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.5 Taludes recomendados…La inclinación de las paredes de los canales depende de lageología de los terrenos que atraviesan por lo cual el Ingeniero alefectuar el trazo de los canales recomienda los taludes másfavorables. de acuerdo a su observación visual o con las calicatasque pudiera recomendar abrir para conocer mejor los materialesen el recorrido del canal.En el caso de los canales rectangulares, circulares y herrajes serecomiendan estas secciones por otras consideraciones quegeneralmente corresponden a razones estructurales y económicas
  17. 17. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.5 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.
  18. 18. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.6 Radios de curvatura mínimos…Para el replanteo de las curvas horizontales es necesariodeterminar el radio de curvatura mínimo, de acuerdo al diseñoelegido.Se recomienda varíe entre los valores siguientes: RC > 10 d @ 15 d y/o RC > 3B @ 15 BEn el caso de canales con flujos de velocidades altas seránecesario calcular la mayor elevación que se produce por cambiode dirección en el lado exterior de la curva, lo cual obliga aaumentar el borde libre en la pared exterior del canal debido alefecto de vorticidad que se produce.
  19. 19. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.6 Radios de curvatura mínimos…El peraltamiento se calcula con la fórmula siguiente: 2 V ·BP = g·RDonde: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 mSi el escurrimiento es cercano al critico el flujo se torna inestable y puede originartrenes de ondas.
  20. 20. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.7 Tirantes de canal recomendados…Uno de los elementos mas Importantes en el diseño de canales esel Tirante o Altura de agua en el canal. Para determinar la secciónóptima es necesario efectuar un análisis del costo del canal paradiferentes tirantes, tomando como base la sección de MáximaEficiencia Hidráulica.El Bureau of Reclamation de USA recomienda en canales contaludes 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 caudalesmayores de 5 m3/s y terrenos llanos no menores a: d= 0.5 √ A
  21. 21. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.7 Tirantes de canal recomendadosMolesword recomienda para canales con caudales menores de5.0m3/s un tirante de: d= 0.5774 · √ AFinalmente para canales en media ladera se aplica la fórmularacional que recomienda tirantes no menores a: d > 2 · R
  22. 22. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.8 Bordo LibrePara dar seguridad al canal es necesario considerar una altura adicionaldenominada borde libre con objeto de evitar desbordamientos por maloperación de compuertas, derrumbes, o por oleaje debido al Viento quepueden poner en Peligro la estabilidad del canal.La altura adicional depende del riesgo, de los métodos de operación en elsistema, por lo cual recomendaremos para canales pequeños bordes libres de0.30 m (canales hasta de 2 m3/s de capacidad).El Bureau of Reclamation utiliza para canales con régimen supercrítico lafórmula: fb = 0.60 + 0.0037 V3 · d1/2Donde:fb = Borde libre en mV = Velocidad del flujo en m/sd = Tirante en m
  23. 23. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.9 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 arégimen 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 subcríticoCuando el flujo está próximo a ser critico, la superficie del agua se haceinestable produciéndose olas que pueden rebasar el borde libre, por locual se recomienda no diseñar canales con dichas características.
  24. 24. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.9 Tirante crítico…Los tirantes críticos de acuerdo a la forma del canal son los que se indicanen el cuadro siguiente:
  25. 25. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.10 Pendiente CríticaSe llama pendiente critica al valor particular de la pendiente de uncanal que conduce un gasto Q con régimen uniforme y con unaenergía específica mínima; es decir que circula con tirante crítico, suexpresión es: 2 A·g·n SC = 4/3 B·R
  26. 26. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.11 Transiciones en línea rectaDebido a los cambios de sección en el trazo de los canales esnecesario efectuar transiciones entre ellos para asegurar un flujo lomás uniforme posible.Cuando el régimen es uniforme se acostumbra diseñar transicionesrectas 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 lastransiciones debe ser de =12° 30.
  27. 27. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.11 Transiciones en línea rectaEl U.S. Conservation Service de E.U. propone una transición rectacon una variación angular del muro respecto al eje del canal no mayorque: 1  = arcTang( ) 3 · Nfdonde:Nf = número de Froude promedio de las secciones de inicio y final dela transición.
  28. 28. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.6.11 Transiciones en línea rectaLa diferencia de niveles al inicio y final de la transición se calculamediante el principio de Bernoulli así: 2 2 2 2 Va Vb Va Vb cota (a) + da + = cota (b) + db + +K·[ - ] 2·g 2·g 2·g 2·gLuego: Va2 Vb2 Va2 Vb2 cota (a) - cota (b) = h = da - db + - +K·[ - ] 2·g 2·g 2·g 2·gLa diferencia de nivel de la rasante (h) se puede calcular teniendo encuenta que:K=0.10 si el flujo de velocidad menor a mayorK=0.20 si el flujo de velocidad mayor a menor
  29. 29. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2.6.11 Transiciones en línea recta…
  30. 30. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVILTarea N° 04:1. Con la hoja electrónica desarrollada, para un Q=200 l/s, SO=0.5 O/OO, b=0.4 m se lepide 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 diseñadosen la sierra?
  31. 31. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVILLECTURASTemas 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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