Diseño de canales de flujo uniforme

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENERIA
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

CONDUCTOS A SUPERFICIE
LIBRE
4° clase

Ing. Alejandro Zapata
chafazg@gmail.com


2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE

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, así
como 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.


2.6. Criterios de diseño para canales de Flujo Uniforme
De 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, así
las 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 será
necesario 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 suspensión
h: 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 llamadas
de 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]
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


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 de
rocas 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”.



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.



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 material
diferente 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.



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 será
necesario 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 al
efecto de vorticidad que se produce.



2.6.6 Radios de curvatura mínimos…
El peraltamiento se calcula con la fórmula siguiente:
2
V ·B
P =
g·R
Donde:
P= Peraltamiento en m
V= Velocidad del flujo en m/s
B= Ancho del espejo de agua en m
g= Aceleración de la gravedad en m/s2
R= Radio de curvatura en m

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



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 la
siguiente relación: d = 0.9 · f
Etcheverry 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 recomendados
Molesword 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 Libre
Para 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 m
V = Velocidad del flujo en m/s
d = 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 crítico
Nf > 1 existe flujo supercrítico
Nf < 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 indican
en el cuadro siguiente:



2.6.10 Pendiente Crítica
Se 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:

2
A·g·n
SC =
4/3
B·R



2.6.11 Transiciones en línea recta
Debido 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.



El 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:

1
 = arcTang( )
3 · Nf
donde:

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



La diferencia de niveles al inicio y final de la transición se calcula
mediante 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·g

Luego:
Va2 Vb2 Va2 Vb2
cota (a) - cota (b) = h = da - db + - +K·[ - ]
2·g 2·g 2·g 2·g

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


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


LECTURAS

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?

Diseño de canales de flujo uniforme

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Was ist angesagt? (20)

Andere mochten auch

Andere mochten auch (8)

Ähnlich wie Diseño de canales de flujo uniforme

Ähnlich wie Diseño de canales de flujo uniforme (20)

Mehr von Deynerth Cuchillo

Mehr von Deynerth Cuchillo (17)

Kürzlich hochgeladen

Kürzlich hochgeladen (20)

Diseño de canales de flujo uniforme