4. estudio de ingenieria

7/26/2019 4. Estudio de Ingenieria

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UNIVERSIDAD NACIONAL:

"Jos Faustino Snchez Carrin

FACULTAD DE INGENIERA CIVIL - UNJFSC

DISTRITO: SAYAN PROVINCIA: HUAURA REGION: LIMA PROVINCIAS

DISEO DEL CANAL DE HUMAYA

studio de ingeniera


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El sistema actual de abastecimiento de agua es por gravedad y turnos, la Junta de

Usuarios de Huaura es la encargada de realizar los repartos de agua a los usuarios que la

solicitan. La venta de agua se realiza por hora y el pago es contra entrega.

Las bases de diseo estn conformadas por los planos en planta del cauce del CANAL

DE HUMAYA en un tramo de 1500 m aprox. el perfil longitudinal que ha permitido disear la

pendiente necesaria que evite alta sedimentacin y los planos de las secciones transversales

para efectuar el movimiento de tierras.

Debido al efecto de la gravedad sin presin alguna. El diseo hidrulico se har en

funcin de los elementos geomtricos, cinticos y dinmicos del escurrimiento, definiendo laforma del canal, las condiciones del flujo y la movilidad. Una consideracin muy importante

que se ha tomado en cuenta en el presente estudio de ingeniera, es que los canales

revestidos a proyectar, se les est considerando para que trabajen con una seccin

hidrulica ptima, es decir bajo la condicin de mxima eficiencia hidrulica y Mnima

Infiltracin, en nuestro caso se est considerando trabajar con una seccin trapezoidal pero

por fines tericos se mencionan otros tipos de seccin.

S. Rectangular,

S. Trapezoidal,

S. Circular


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Asimismo, el caudal de diseo proporcionado por el ministerio de agricultura es de

0.853 m3/s como promedio anual, pero para el diseo adicionamos el 25% , el cual sera un

caudal mximo 0.960 m3/s, se considerar un borde libre de , de acuerdo a su pendiente de

diseo 0.0015 m/m para canales revestidos con concreto.

Citaremos como principales los siguientes:

Ecuacin de Manning

Es la frmula ms utilizada para el clculo de la velocidad en el flujo uniforme, siendo

su ecuacin:

Dnde:

V = velocidad en m/sn = coeficiente de rugosidad

A = rea hidrulica en m2

R = radio hidrulico en m

S = pendiente de la lnea de energa, en m/m

Combinando las ecuaciones de Manning y la Ecuacin de continuidad, se obtiene la

ecuacin ms utilizada para el clculo del caudal en el flujo uniforme, siendo:

Dnde:

Q = caudal, m3/s

n = coeficiente de rugosidad

A = rea hidrulica, m2

R = radio hidrulico, m

S = pendiente de la lnea de energa, m/m


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Como en un flujo uniforme la pendiente de la lnea de energa es numricamente

igual que la pendiente del canal, para los clculos, se utiliza esta ltima.

Seccin del canal


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Se dice que un canal, o alguna seccin de l, estn trabajando bajo un rgimen

crtico cuando:

Posee la energa especfica mnima para un caudal dado,

Posee el caudal mximo para una energa especfica dada,

Posee la fuerza especfica mnima para un caudal dado.

El flujo crtico se puede conseguir en forma prctica:

1.- Reduciendo la seccin.

2.- Provocando una sobre elevacin del fondo del cauce.

3.- Utilizando los tres criterios anteriores.

Las condiciones tericas en que se desarrolla el rgimen crtico estn dadas por la

ecuacin:

Seccin del canal


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El resalto hidrulico es un fenmeno local, que se presenta en el flujo rpidamente

variado, el cual va siempre acompaado por un aumento sbito del tirante y una prdida de

energa bastante considerada (disipada principalmente como calor), en un tramo

relativamente corto.

En el resalto hidrulico, en un corto tramo, el tirante cambia de un valor inferior al

crtico a otro superior a este.

Lugares donde se forma el resalto hidrulico

El resalto hidrulico se puede formar:


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Ecuacin resalto seccin Trapezoidal


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Se conoce como curva de remanso o eje hidrulico, al perfil longitudinal que adquiere

la superficie libre del lquido en un canal, cuando se efecta un escurrimiento bajo las

condiciones de flujo gradualmente variado.

Definicin

Las rpidas son estructura que sirven para enlazar dos tramos con una canal donde

existente un desnivel considerable en una longitud relativamente corta. La decisin entre la

utilizacin de una rpida y una serie de cadas escalonadas est supeditada a un estudio

econmico comparativo

Datos de campo necesario para el diseo hidrulico

Se requiere conocer las propiedades hidrulicas y elevaciones de la rasante y de las

secciones del canal aguas arriba y aguas debajo de la rpida as como un perfil del tramo,

donde se localizara la estructura.

Elementos de una rpidaLos elementos de una rpida se muestran en la figura siguiente, la cual est

compuesta de:

Transicin de entrada

Seccin de control

Canal de la rpida

Trayectoria

Tanque amortiguador, colchn disipador o pozo de disipacin

Transicin de salida

Zona de proteccin


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Procedimiento para el diseo de una Rpida

Para una seccin rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes:


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Definicin

Las cadas o gradas segn Domnguez, son estructuras utilizadas en aquellos puntos

donde es necesario salvar desniveles bruscos en la rasante del canal; permite unir dos

tramos (uno superior y otro inferior) de un canal, por medio de un plano vertical,

permitiendo que el agua salte libremente y caiga en el tramo de abajo.

El Plano vertical es un muro de sostenimiento de tierra capaz de soportar el empuje

que estas ocasionan.

La finalidad de una cada es conducir agua desde una elevacin alta hasta una

elevacin baja y disipar la energa generada por esta diferencia de niveles. La diferencia de

nivel en forma de una cada se introduce cuando sea necesario de reducir la pendiente de un

canal.

La cada vertical se puede utilizar para medir el caudal que viere sobre ella, si se

coloca un vertedero calibrado.

Elementos de una cada vertical

En el diseo de una cada, se pueden distinguir los siguientes elementos:

Transicin de entrada

Seccin de control

Cadas en s

Poza o colchn amortiguador

Transicin de salida


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Transicin de entrada:

Une por medio de un estrechamiento progresivo la seccin del canal superior con laseccin de control.

Seccin de control:

Es la seccin correspondiente al punto donde se inicia la cada, cercano a este punto

se presentan las condiciones crticas.

Cadas en s:

La cual es de seccin rectangular y puede ser vertical o inclinada.

Poza o colchn amortiguador:Es de seccin rectangular, siendo su funcin la de absorber la energa cintica del

agua al pie de la cada.

Transicin de salida:

Une la poza de disipacin con el canal aguas abajo

Procedimiento para el diseo de una cada sin obstculos:

1. Diseo del canal, aguas arriba y aguas debajo de la cada:Utilizar las consideraciones prcticas que existen para el diseo de canales.

2. Clculo del ancho de la cada y tirante en la seccin de control:

En la seccin de control se presentan las condiciones crticas. Para una seccin

rectangular las ecuaciones que se cumplen son las siguientes:

Se puede asumir que Emin = En (energa especfica en el canal), para inicio de los

clculos y realizar la verificacin.


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Tambin se puede suponer un ancho en la seccin de control de la cada, calcular el

tirante crtico y por la ecuacin de la energa calcular el tirante al inicio de la transicin.

Existen frmulas empricas para el clculo del ancho de la rpida, las cuales son:

De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse:

Otra frmula emprica:

Por lo general el ancho de solera con esta ltima frmula, resulta de mayor magnitud

que con la frmula de Dadenkov.

3. Diseo de la transicin de entrada:

Para el caso de una transicin recta la ecuacin utilizada es:

Donde:

T1 = espejo de agua en el canal

T2 = b = ancho de solera en la cada

4. Clculo de la transicin de salida:

Se realiza de la misma forma que la transicin de entrada.

5. Dimensiones de la cada:

5.1. Cadas pequeas:

De acuerdo con los diseos realizados por el SENARA, en canales con caudales

menores o iguales que 100 l.p.s (Q 0.1 m3/s), se tiene:


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Donde:

h = 0.60 m

L = 4h/3

5.2. Cadas verticales sin obstculos:

El proceso de clculo para cadas verticales sin obstculos es como sigue:

Calcular el nmero de cada utilizando la siguiente relacin:

Donde:

D = nmero de cada

yc = tirante

h = desnivel

q = caudal unitario

Calcular los parmetros de la cada vertical, los cuales se muestra en la figura 4.2.Estos parmetros, segn Rand (1995), se calculan con un error inferior al 5%, con las

siguientes ecuaciones:


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yp es la altura que aporta el impulso horizontal necesario para que el chorro de agua

marche hacia abajo.

Calcular la longitud del resalto, se puede calcular con la frmula de Siechin:

Calcular la longitud total del colchn, la cual ser:

Debe evitarse que en la cmara de aire se produzca vaco, por que esto produce una

succin que puede destruir la estructura por cavitacin, para evitar esto se puede hacer

agujeros en las paredes laterales o incrementar en la poza 10 20 cm a ambos lados.

Para las filtraciones que se produce en la pared vertical, se recomienda hacer

lloraderos (drenes de desague).

5.3. Cadas verticales con obstculos:

Cuando la energa cintica es muy grande se construyen dados que ayudan a disipar

la energa en una longitud mas pequea de la poza de disipacin.

Segn el U.S. Bureau of Reclamation, las relaciones de los parmetros de una cada

vertical con obstculos (figura 4.3), son:


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Longitud mnima del colchn:

donde:

L = longitud mnima del colchn

Ld = longitud de la cada

yc = tirante crtico en la seccin de control

Ubicacin de los obstculos:

Produccin mnima de la capa de agua:

Altura ptima de los obstculos:

Ancho de los obstculos:

Espaciamiento entre los obstculos:


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Altura ptima del obstculo final:

La relacin:

est influenciada por el grado de sumersin, su valor se calcula con el monograma de

la figura 4.4.


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Definicin

Las alcantarillas son estructuras de cruce que sirven para conducir agua de un canal,

por debajo de un camino u otro canal. Generalmente la alcantarilla disminuye la seccin

transversal del cauce de la corriente, ocasionando un represamiento de agua a su entrada y

un aumento de velocidad dentro del conducto y la salida.

El xito del diseo hidrulico radica, por consiguiente, en proveer una estructura con

capacidad de descargar, econmicamente una cierta cantidad de agua dentro de los lmites

establecidos de la elevacin del nivel de las aguas y la velocidad. Cuando la altura y la

descarga han sido determinadas, la finalidad del diseo es proporcionar la alcantarilla ms

econmica la cual ser la que con menor seccin transversal satisfaga los requerimientos de

diseo.


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Consideraciones hidrulicas

El escurrimiento a travs de una alcantarilla generalmente queda regulado por lossiguientes factores:

Pendiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo del lugar.

Pendiente del fondo de la alcantarilla.

Altura y ahogamiento permitido en la entrada.

Tipo de resalto.

Rugosidad de las paredes de la alcantarilla.

Altura de remanso de salida.

Independientemente del uso que se le d al agua que fluye por los canales

(generacin de energa hidroelctrica, uso poblacional, utilizacin en los sistemas de riego,

acuacultura, etc.), resulta conveniente realizar la medicin del caudal disponible.

Las mediciones sirven para asegurar el mantenimiento de los programas adecuados

de suministros, determinar la cantidad de agua suministrada, descubrir las anomalas,

estimar y averiguar el origen de las prdidas que se produzcan en la conduccin (prdidas

por infiltracin) y de esta forma controlar el desperdicio.

Algunos dispositivos para la medicin de caudales, entre otros, son:


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Una compuerta, consiste en una placa mvil, plana o curva que al levantarse permite

graduar la altura del orificio que se va descubriendo, a la vez que controla el caudal

producido. El orificio generalmente se hace entre el piso de un canal y el borde inferior de la

compuerta, por lo que su ancho coincide con el del canal. El flujo en un canal cuando se

coloca una compuerta por lo general es normal a ella.

La ecuacin para el clculo del caudal en una compuerta, es:

Dnde:

Tambin:


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Siendo:

Cd = coeficiente de descarga.

Cc = coeficiente de contraccin. Cv = coeficiente de velocidad.


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Como talud, se define la relacin de la proyeccin horizontal y la proyeccin vertical

de las paredes del canal. Se designa como Z, a la proyeccin horizontal, cuando la vertical es

1.

La inclinacin de las paredes laterales depende de la clase de terreno donde est

alojado el canal. Mientras ms inestable sea el material, menor ser el ngulo de inclinacin

de los taludes, y mayor debe ser Z.

Algunos valores de Z experimentales, recomendados para diferentes materiales son:

CARACTERISTICAS DE LOSSUELOS

TALUD Z:1

CANALES POCOPROFUNDOS

CANALESPROFUNDOS

Rocas con buenas condicionesArcillas compactas oconglomeradosLimos arcillososLimoso arenosos

Arenas sueltas

Vertical

0.5:11:1

1.5:1

2:1

0.25:1

1:11.5:1

2:1

3:1

En el diseo de canales, la velocidad es un parmetro que es necesario verificar de

tal manera que estn en un rango cuyos lmites son:

Velocidades mnimas:

Que no produzcan sedimentacin (depsitos de materiales slidos en suspensin),

valores experimentales indican que este valor mnimo es 0.30 m/s, velocidades menores,disminuyen la capacidad de conduccin del canal.


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Velocidades mximas:

Que no produzcan erosin en las paredes y fondo del canal, valores que sobrepasanlas velocidades mximas permisibles, modifican las rasantes y crean dificultades al

funcionamiento de las estructuras que tenga el canal. Valores experimentales, indican

Velocidades mximas recomendadas, en funcin del material en el cual est

alojado el canal:

CARACTERISTICAS DE LOS SUELOS VELOCIDADES MXIMAS(m/s)

Canales en tierra franca 0.60

Canales en tierra arcillosa 0.90

Canales revestidos con piedra y mezcla simple 1.00

Canales con mampostera de piedra y concreto 2.00

Canales revestidos con concreto 3.00

Canales en roca:Pizarra

Areniscas consolidadasRoca dura, granito, etc.

1.251.50

3 a 5

El coeficiente de rugosidad n, es un parmetro que determina el grado de resistencia,

que ofrecen las paredes y fondo del canal al flujo del fluido.

Mientras ms spera o rugosa sean las paredes y fondo del canal, ms dificultad tendr

el agua para desplazarse.

Este parmetro ha sido muy estudiado por muchos investigadores en el laboratorio, por

lo que se ha elaborado una tabla para los diferentes valores de n, dependiendo del material

que aloja al canal.

La tabla representa solo una gua, ya que el canal a disear no siempre funcionar en

las mismas condiciones para las que fueron deducidas n.

Los valores del coeficiente de rugosidad n, propuesto por Horton, para ser utilizados en

la frmula de Manning son los que se muestran:


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MATERIAL COEFICIENTE DERUGOSIDAD n

Tubos de barro para drenaje 0.014

Superficie de cemento pulido 0.012

Tuberas de concreto 0.015

Canales revestidos con concreto 0.014

Superficie de mampostera con cemento 0.020

Acueductos semicirculares, metlicos, lisos 0.012

Acueductos semicirculares, metlicos corrugados 0.025

Tuberas de plstico corrugadas ADS 0.012

Canales en tierra, alineados y uniformes 0.025

Canales en roca, lisos y uniformes 0.033

Canales en roca, con salientes y sinuosos 0.040

Canales dragados en tierra 0.0275

Canales con lecho pedregoso y bordos de tierra enyerbados 0.035

Canales con plantilla de tierra y taludes speros 0.033

Corrientes naturales limpias, bordos rectos, sin hendeduras nicharcos profundos

0.030

Corrientes naturales igual al anterior, pero con algo de hierba ypiedra 0.035

Corrientes naturales igual al anterior, pero menos profundas,con secciones pedregosas

0.055

Ros con tramos lentos, cauce enyerbado o con charcosprofundos

0.070

Playas muy enyerbadas 0.125

Resulta muy til para clculos posteriores fijar de antemano un valor para el ancho

de solera, con lo cual se pueden manejar con facilidad las frmulas para calcular el tirante.

Una forma prctica de fijar el ancho de solera se basa en el caudal, como se muestra:

Caudal Q(m3/s)

Ancho de solera b(m)

menor de 0.1 0.30

entre 0.1 y 0.2 0.50entre 0.2 y 0.4 0.75mayor de 0.4 1.00


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En la determinacin de la seccin transversal de los canales, resulta siempre

necesario dejar cierto desnivel entre la superficie libre del agua para el tirante

normal y la corona de los bordes como margen de seguridad, a fin de absorber los

niveles extraordinarios, que puedan presentarse por encima del caudal del diseo

del caudal.

Una prctica corriente para canales en tierra, es dejar un borde libre o

resguardo igual a un tercio del tirante, es decir.

Mientras que para canales revestidos, el borde libre puede ser la quinta parte

del tirante es decir.

Existen tambin otros criterios prcticos para designar el valor del borde libre.

- En relacin con el caudal se tiene:

Caudal Q(m3/s)

Bordelibre

(m)

Menores que 0.5Mayores que 0.5

0.300.40

- En relacin con el ancho de solera se tiene:

Ancho de solera(m)

Borde libre(m)

Hasta 0.80De 0.80 a 1.5

De 1.50 a 1.50De 3.00 a 20.00

0.400.50

0.60

1.00


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El ancho de corona de los bordes de los canales en su parte superior, depende

esencialmente del servicio que estos habrn de prestar. En canales grandes se

hacen suficientemente anchos, 6.50 m como mnimo, para permitir el trnsito de

vehculos y equipos de conservacin a fin de facilitar los trabajos de inspeccin y

distribucin de agua.

En canales ms pequeos, el ancho superior de la corona puede disearse

aproximadamente igual al tirante del canal. En funcin del caudal se puede

considerar un ancho de corona de 0.60 m para caudales menores de 0.5m3/s y

1.00m para caudales mayores.

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