canalaes regimen uniforme
TRANSCRIPT
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
1/15
DISEÑO DE CANALES EN REGIMEN UNIFORME
Son aquéllos en los que el líquido circulante presenta una
superficie libre sobre la cual actúa la presión atmosférica. La
sección transversal no tiene, necesariamente, un perímetro cerrado
y cuando esto sucede, funciona parcialmente lleno.
Entre los conductos libres, podemos citar todos los cursos de agua,
las redes de alcantarillado pluviales y alcantarillados sanitarios,
canales de riego agrícola, canales de navegación y los canales deconducción de las centrales hidroeléctricas.
* CANALES DE RIEGO POR SU FUNCIÓN
Los canales de riego de acuerdo a su función tienen la siguiente
clasificación:
• Canal de primer orden.- Llamado también canal madre o dederivación, se traza siempre con pendiente mínima.
• Canal de segundo orden.- Llamado también lateral, es aquel
que sale del canal madre; el caudal que ingresa a ellos, esrepartido hacia los sub – laterales, el área de riego que sirve un
canal lateral se conoce como unidad de riego.
• Canal de tercer orden.- Llamado también sub – lateral, nace delcanal lateral, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las
propiedades individuales.
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
2/15
* FÓRMULA DE CÁLCULO
Se aplica la fórmula de Manning:
=
Donde:
V: Velocidad media del agua, en m/s.
R: Radio hidráulico, en m.S: Pendiente de la línea de energía, en m/m.
n: Coeficiente de rugosidad de Manning.
Multiplicando por el área mojada del canal:
=
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
3/15
El coeficiente de Manning depende de varios factores, Cowan
desarrolló un procedimiento para estimar el valor de n el cualviene dado por la siguiente expresión:
= 0 + + + + 4 5 Donde n0 es el valor del coeficiente de rugosidad para un canal
recto y uniforme, n1 considera el efecto de las rugosidades
superficiales, n2 considera las variaciones en forma y tamaño de lasección transversal del canal, n3 considera las obstrucciones, n4
considera la vegetación y m5 es un factor de corrección de los
efectos por meandros en el canal. Estos valores se muestran en elsiguiente cuadro:
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
4/15
Ejemplo:
Determinar el coeficiente de rugosidad de Manning en una canal
de tierra, cuya superficie presenta un grado de irregularidad
moderado, su sección transversal es frecuentemente alternante,además presenta obstrucciones de efecto apreciable, vegetación
alta y apreciable presencia de meandros.
A continuación se presenta algunos valores del coeficiente de
rugosidad para un canal recto y uniforme:
Tipo de cauce y descripción Valor de n
Mínimo Normal Máximo
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
5/15
En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande. Las siguientes
tablas indican radios mínimos, en las cuales B representa el ancho
de la base del canal.
Fuente: “International Institute for Land Reclamation and
Improvement”, ILRI, Principios y Aplicaciones de Drenaje, Tomo
IV, Wageningen The Netherlands 1978:
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
6/15
Capacidad del canal Radio mínimo (m)
Hasta 10 m3/s 3 B
De 10 m3/s a 14 m3/s 4 B
De 14 m3
/s a 17 m3
/s 5 BDe 17 m3/s a 20 m3/s 6 B
De 20 m3/s a más 7 B
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
7/15
* CRITERIO DE DISEÑO
En zonas con pendientes no pronunciadas y estables, el canal
puede desarrollarse por medio de secciones de corte total o
secciones combinadas corte-relleno (fig. a y b). En los sectores
empinados y estables resultará conveniente incorporar un muro en
el sector exterior (fig. c hasta f).
Para el diseño de canales sólo contamos con la ecuación de
Manning y al menos dos incógnitas: El tirante de agua y el ancho
del canal (o también: el área mojada y el Radio hidráulico).
Por esta razón es que será necesario introducir ciertas condiciones,
basadas principalmente en recomendaciones teórico-prácticas, así
como económicas, que permitan lograr una solución adecuada al
problema de la conducción de agua, según veremos más adelante.
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
8/15
El trazo del canal debe obedecer a criterios de radios mínimos de
curvatura y pendientes mínimas y máximas (esto último,
especialmente en canales no revestidos). Es muy similar, al diseño
geométrico de carreteras, con una única diferencia: la pendientesiempre es descendente pues el flujo se mueve por gravedad.
En lo posible, el trazado horizontal del canal deberá ser tal que
garantice que su pendiente longitudinal sea paralela a la del
terreno, lo cual se logrará en terrenos de topografía muy uniforme.
Si este es el caso, y especialmente en canales revestidos, la
recomendación es que se utilice el criterio de la Sección de
Máxima Eficiencia, pues es la que por lo general resulta como la
más económica en este tipo de topografía: menor excavación y
menor recubrimiento:
Cuando la topografía es muy irregular, de seguro aparecerán profundidades para la rasante del canal que estarán asociadas a
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
9/15
sobre-excavaciones que son indeseables en todo caso. En estas
condiciones ya el criterio de máxima eficiencia hidráulica no
estará asociado a la economía, siendo entonces recomendable
utilizar secciones en las que el ancho de la base es menor que elcorrespondiente a la sección de máxima eficiencia. De esta forma,
al prevalecer una sección más angosta, el volumen de sobre-
excavación se verá reducido. En la siguiente figura se muestra lo
mencionado:
De esta forma, antes de iniciar el proceso de diseño es conveniente
que hayamos considerado estos aspectos, especialmente en lo que
respecta a si utilizaremos canales revestidos o no pues
generalmente los primeros suelen requerir de una inversión inicial
elevada, pero a mediano y largo plazo el costo de mantenimiento
justifica su selección.
http://ingenieriacivil.tutorialesaldia.com/wp-content/uploads/2012/02/03_Comparacion-Excavacion-En-Canales.png
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
10/15
Canales Revestidos Canales No Revestidos
Requieren de Mayor Inversión
Inicial
Menores Costos de Construcción
Inicial
Requieren de Poco mantenimiento(bajo costo)
Requieren de Mantenimientofrecuente el cual es generalmente decosto elevado, por pérdida de taludes
o socavación.
Menores secciones transversales
(área de excavación) al ser menos
rugosas sus superficies.
Mayores secciones transversales, generadas no sólo por las altas
rugosidades del canal sino también
por la necesidad de utilizar
pendientes bajas para evitar
velocidades excesivas.
Disminución de Pérdidas por
Infiltración (si se habla de canales
para riego éste es un factor de gran
importancia)
Mayores pérdidas por Infiltración
Canal sin revestir
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
11/15
Canal revestido
* SECCIÓN DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA (MEH)
En términos simples, la sección de Máxima Eficiencia
Hidráulica es aquella para la cual se obtiene un área mojada
mínima para transportar un determinado caudal, con rugosidad,
pendiente y forma geométrica especificada.
De esta forma tendremos que, de lograrse el diseño con la Secciónde Máxima Eficiencia, se podrían minimizar las áreas y
volúmenes de excavación así como las cantidades relacionadas
con la construcción del revestimiento (menor perímetro mojado).
La ecuación que determina la sección de máxima eficiencia
hidráulica es:
= 2 (2)
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
12/15
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
13/15
* VELOCIDAD MÍNIMA Y MÁXIMA PERMISIBLE
La velocidad mínima permisible es aquella velocidad que no
permite sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser
determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este
valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el
crecimiento de las plantas, en canales de tierra. Valores entre 0,60
m/s y 0.8 m/s se considera como la velocidad apropiada que no
permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas
en el canal.
La velocidad máxima permisible depende del tipo de material que
forma el canal. El cuadro siguiente nos da valores sugeridos.
El U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda que para el
caso de canales de concreto, las velocidades no deben exceder de
2,5 m/s – 3,0 m/s para evitar la posibilidad de que el revestimiento
se levante.
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
14/15
* BORDE LIBRE (BL)
Es la distancia vertical entre el extremo superior del canal y la
superficie libre del agua para el caudal de diseño. No existe
ninguna regla fija para el cálculo del borde libre, debido a que las
fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede
originar por diversas causas como por ejemplo, la acción del
viento.
Una práctica común es considerar un borde libre igual a la tercera
parte del tirante para canales no revestidos (BL = 1/3 Y) e igual a
la quinta parte del tirante para canales revestidos (BL = 1/5Y)
El U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda calcular el
borde libre aplicando la relación siguiente:
= √ Donde:
BL: Borde libre, en pies.
C: Igual a 1,5 para caudales menores a 20 p3/s y hasta 2,5 para
caudales del orden de los 3000 p3/s.
La secretaría de Recursos Hidráulicos de México, recomienda los
siguientes valores de BL:
Caudal
(m3/s)
C. Revestido
(cm)
C. sin Revestir
(cm)
≤ 0,05 7,5 10
0,05 – 0,25 10 20
0,25 – 0,50 20 40
0,50 – 1,00 25 50
> 1,00 30 60
-
8/17/2019 CANALAES REGIMEN UNIFORME
15/15
Máximo Villón sugirió valores de BL en función del ancho de la
base del canal (B):
B (m) BL (m)
Hasta 0,8 0,4
0,8 – 1,5 0,5
1,5 – 3,0 0,6
3,0 – 20,0 1,0
Ejemplo: Un canal rectangular de 4,8 m de ancho, que transporta
agua con un tirante igual a 1,2 m; tiene una pendiente de 0,1%, yestá revestido con mampostería (n=0.017). Se desea aumentar en
lo posible el caudal sin cambiar la pendiente del canal o la forma
de la sección. Las dimensiones de la sección pueden cambiarse,
pero el canal debe contener la misma cantidad de revestimiento
que la condición inicial.
Calcular las nuevas dimensiones y el aumento probable del caudal.
* Solución:
- Aplicando la ecuación de Manning, se calcula el caudal en el
canal en su condición inicial: Q = 9,23 m3/s.
- Se aplica la condición de MEH pero considerando que el canal
debe contener la misma cantidad de revestimiento.