1er Trabajo Economia para Ingenieros 2018 II

 

HIDRAULICA DE CANALES FUNDAMENTO TEORICO FUNDAMENTO Mr Mr.. Sc. Ing. Luis Miranda Gutiérrez Gutiérrez

 

Introducción Flujo a supericie li!re El "o#i"iento del luido se reali$a por 

conductos a!iertos o cerrados parcial"ente llenos% de or"a &ue e'iste una supericie li!re &ue est( en contacto con la at"ósera) El "o#i"iento se reali$a *racias a la uer$a de la *ra#edad +pendiente,)

 

Dierencia entre lujo en tu!er-as . canales a!iertos

 

OBJETIVOS DE LAS CLASES 

Presentar infr!aci"n acerca de #s $rinci$is %idr&u#ics uti#izads en e# $rinci$is %idr&u#ics en e# dise' ( $eraci"n de uti#izads estructuras %idr&u#icas a# interir de un $redi agr)c#a* +ue un Ingenier Ci,i# de-e cncer* $ara definir* dise'ar ( e,a#uar $r(ects de rieg su$erficia# a ni,e# $redia#.

 

EST/CT/AS 0IDA/LICAS /TILI1ADAS S E2 E2 LA AGIC/L AGIC/LT/A T/A DE /TILI1ADA IEGO  Cana#es Cana#es



Verteders  C!$uertas  Marcs $artidres 

E!-a#ses

 

CA2ALES

 

Las a*uas de rie*o se conducen principal"ente a tra#/s de Cana#es% los cuales pueden tener un ori*en natural% pero co"0n"ente constitu.en o!ras 1idr(ulicas artiiciales% &ue por su construcción dierencial en or"a% ta"a2o . pendiente% deter"inan la cantidad a*ua &ue ca"po +eldecaudal, ) pueden lle#ar al

 

La capacidad del canal  de!e de!e estar de acuerdo al caudal "('i"o &ue "('i"o  &ue &ue conducir(% &ue puede ser la cantidad de a*ua necesaria para re*ar una deter"inada supericie terreno% o la cantidad &ue real"ente de tiene el a*ricultor para re*ar) Es antieconó"ico construirlos con una capacidad "u. superior a la re&uerida)

 

Conceptos !(sicos 

Los canales poseen #arias clases de escurri"ientos l-&uidos% pero la or"a "(s interesante de conocer es la Crriente  ))



Los re*i"enes de corriente representati#os . anali$ados en este curso son3 a, Corriente per"anente . corriente #aria!le) !,

Corriente unior"e . no unior"e)

 



a,

Las dierencias &ue deter"inan estas clasiicaciones de Corriente dependen principal"ente del "/todo de "edición de la #elocidad de la "is"a3

En cual&uier punto del espacio de circulación del a*ua) !, En cual&uier sección trans#ersal a la corriente)  

 

TIPOS DE CA2ALES       

Seg3n #a secci"n4 Seccines a-iertas Se!icircu#ares +A !iertos de 1or"i*ón en "asa o ar"ado prea!ricado Se!icircu#ares+A +A!iertos prea!ricado,, "aterial,, se e"plea para acueductos de "adera% "adera% para canales e'ca#ados en roca . para para canales re#estidos) ectangu#ares  ectangu#ares +A!iertos +A!iertos . cerrados de cual&uier tipo de "aterial Triangu#ares +A!iertos +A!iertos . cerrados de cual&uier tipo de "aterial, se usa para cunetas re#estidas en las carreteras ta"!i/n canales de tierra pe&ue2os% unda"ental"ente de (cil tra$o) !iertos de cual&uier tipo de "aterial ,se usa sie"pre en +A!iertos "aterial,se Tra$ezida#es +A en canales canalesde de tierra . en canales re#estidos% re#estidos% +A!iertos de 1or"i*ón en "asa o ar"ado prea!ricado,Se prea!ricado,Se e"plea a #eces para canales or"a &ue to"as apro'i"ada"ente "uc1os canales naturales . canales #iejos d etierra) Para-"#ic ara-"#ic s  +A!iertos canales re#estidos . es la or"a

 

Secciones A!iertas

 



Secciones trans#ersales "as recuentes Seccines a-iertas

Circu#ares +Cerrados, O,ides +Cerrados, 0erradura +Cerrados, +Cerrados, Se usan co"0n"ente para alcantarillas . estructuras 1idr(ulicas i"portantes)   

 

Ele"entos 4eo"/tricos de la seccion

y= Tirante de Agua.(es la profundidad máxima del agua en el canal) B= Ancho de solera, ancho de la base del canal T= Espeo de agua, es el ancho de la superficie libre del agua. != Ancho de corona "= profundidad total del canal "#y= Bordo libre $= Angulo de inclinaci%n de las paredes laterales con la hori&ontal. '= Talud, es la relaci%n de la proyecci%n hori&ontal a la ertical de la pared lateral ( se llama tambien talud

de la paredes laterales del canal)  

Relaciones 4eo"/tricas . tri*ono"/tricas Aplicando relaciones trigonomtricas* &= ctg$ A= +rea hidráulica, es la superficie ocupada por el liuido en una secci%n transersal normal cualuiera.  p= per-metro moado, es la parte del contorno del conducto ue esta en contacto con el liuido.

 



R5 radio 1idr(ulico% es la di"ensión caracter-stica de la seccion trans#ersal% 1ace las unciones del di("etro en tu!er-as% se o!tiene de la si*uiente relación3 R5 A67 85 proundidad "edia% es la relacion entre el area 1idraulica . el espejo de a*ua% es decir3 85 A6T

 

7ara Conductos Cerrados 

Una or"a "as sencilla de c(lculos dereali$ar A% p . Rlos en conductos circulares parcial"ente llenos% conocida la relación entre el tirante . el di("etro del conducto% es utili$ando el si*uiente cuadro)

 

Cuadro .6d

 

Cuadro .6d

 

Eje"plo de calculo3 



7ara una relación .6d 5 9): se o!tiene3

 A6D  5 9) entonces3 A9 9) D  p6D 5 ;)=:?@ entonces p5 ;)=:?@ D ;

;



9);:?9 entonces R5 9);:?9  A R6D partir5de las relaciones relaciones o!tenidas . D conocido D% se calculan A% p . R)

 

Ele"entos *eo"/tricos de la sección de un canal 



anal tiene dos La sección en un ccanal 5r!a Ta!a' caracter-sticas !(sicas3  . . ) Estas caracter-sticas deter"inan el 6rea Su$erficia#  del del canal . las #aria!les #aria!les &ue se

desprenden de este concepto)  Al*unas de estas #aria!les son3 Prfundidad% Per)!etr de !7ad% adi



%idr&u#ic .. Ta#ud)  

 

CA2AL ECTA2G/LA  rea +en "etros cuadrados,

B Anc1o Supericial +en "etros, B 7roundidad Hidr(ulica +en "etros, B 7er-"etro Mojado +en "etros, B Radio Hidr(ulico

 

CA2AL TIA2G/LA

6rea 8en !etrs cuadrads9 Anc% Su$erficia# 8en !etrs9 Prfundidad 0idr&u#ica 8en !etrs9

Per)!etr M7ad 8en !etrs9

adi 0idr&u#ic

 

CA2AL TAPECIAL 6rea 8en !etrs cuadrads,

Anc% Su$erficia# 8en !etrs9 Prfundidad 0idr&u#ica 8en !etrs9

Per)!etr M7ad 8en !etrs9

adi 0idr&u#ic

 

CA2AL CIC/LA 6rea 8en cuadrads9

!etrs

Anc% Su$erficia# !etrs9

Prfundidad 8en !etrs9

Per)!etr !etrs9

8en

0idr&u#ica

M7ad

8en

adi 0idr&u#ic  

CA2AL PAABOLICO  rea +en "etros cuadrados, cuadrados, B Anc1o Supericial +en "etros, B 7roundidad Hidr(ulica +en "etros, B 7er-"etro Mojado +en "etros, B Radio Hidr(ulico

 

elocidad del A*ua en canales 



En el estudio del "o#i"iento de un luido es de una *ran i"portancia la #elocidad)    A dierencia de lo &ue sucede en los "o#i"ientos de sólidos% en los luidos no e'iste "u. pro!a!le"ente una sola #elocidad &ue los caracteri$a total"ente en cada punto)  

 

VELOCIDAD DEL AG/A E2 CA2ALES

 

C#asificaci"n de #s f#u7s Seg ún el espacio Flujo uniforme Los parámetros hidráulicos del flujo (velocidad, profundidad del agua ag ua)) per perman manece ecen n cons consta tant ntes es a lo lo larg largo o del del condu conduct cto. o. Se considera uniforme el flujo de l íquidos en tuberías o canales de sección constante y gran longitud.

Flujo variado Los parámetros hidráulicos del flujo varían a lo largo del conducto. Por ejemplo, controles en los canales como compuertas, presas, cambios de pendiente, hacen que el flujo sea variado. En conductos a presión, el flujo es variado cuando hay cambios de secci ón transversal y presencia de controles como v álvulas.

 



Seg3n e# tie!$

Flujo permanente Los paráometros hidr ulicos del flujo permanecen enun el tiempo sea que laávelocidad de las part ículas constantes que ocupan punto dado es la misma para cada instante. La mayoría de los problemas pr ácticos implican condiciones permanentes del flujo, como por ejemplo, el transporte de í

l quidos bajo condiciones constantes de altura de carga. Flujo no permanente o inestable Los parámetros hidráulicos del flujo varían en el tiempo. Ejemplos son la salida de agua por el orificio de un dep ósito bajo carga variable y la creciente de un r ío.

 



Seg3n e# tie!$ ( e# es$aci

Flujo permanente uniforme Los parámetros hidráulicos del flujo permanecen constantes en el espacio y el tiempo. Flujo no permanente uniforme Los parámetros hidráulicos permanecen constantes en el espacio pero nodel en elflujo tiempo. Flujo variado permanente á

á

í

Los parpero metros ulicos Este del flujo varflujo an puede en el espacio no enhidr el tiempo. tipo de subdividirse en gradualmente variado o r ápidamente variado.

 

-

Flujo gradualmente variado. Los cambios en la velocidad del flujo son graduales en la direcci ón principal del flujo como cuando existen contracciones o expansiones suaves en las conducciones. También es el caso de las curvas de remanso en los embalses. Este tipo de flujo se subdivide a su vez en gradualmente variado retardado o acelerado, seg ún que la velocidad disminuya o aumente en el sentido del flujo.

- Flujo rápidamente variado. Los cambios en las características del flujo son abruptos a lo largo de la conducci ón como cuando ocurren variaciones bruscas en la secci ón transversal de un conducto, o flujo a trav és de válvulas y rotores de bombas. Este tipo de flujo se subdivide a su vez en r ápidamente variado retardado o acelerado, seg ún que la velocidad disminuya o aumente en el sentido del flujo.

 

Clasiicación del lujo en canales a!iertos

 

FLUO UNIFORME 

5unda!ent te"ric



Se considera &ue el lujo unior"e tiene las si*uientes caracter-sticas principales3 La proundidad% el (rea "ojada% la #elocidad . el caudal en cada sección del canal son constantes) La l-nea de ener*-a% la supericie del a*ua . el ondo del canal son decir% sus pendientes son todas i*uales S 5 S 5 So paralelos% es decir% 5 S% donde S es la pendiente de la l-nea de ener*-a% S es la pendiente del a*ua . So es la pendiente del ondo del canal)

 



Cuando el lujo resistencia a "edida ocurre&ue en lu.e un canal a*uas a!ierto% a!ajo)elEsta a*uaresistencia encuentrapor lo *eneral es contrarrestada por las co"ponentes de las uer$as *ra#itacionales &ue act0an so!re el cuerpo de a*ua en la dirección del "o#i"iento +i*ura @,) Un lujo unior"e se alcan$ar( si la resistencia se e&uili!ra con las uer$as *ra#itacionales) La proundidad del lujo unior"e se conoce co"o  profundidad normal 

 

Fi*ura @) Consideraciones para la ecuación de C1/$.

 

La "a.or parte de las ecuaciones pr(cticas de lujo unior"e pueden e'presarse en la or"a 5 C R donde  es la #elocidad "edia R es el radio SG%  donde 1idr(ulico S es la pendiente de la l-nea de ener*-a  . G son e'ponentes . C es un actor de resistencia al lujo% el cual #ar-a con la #elocidad "edia% el radio 1idr(ulico% la ru*osidad del canal% la #iscosidad . "uc1os otros actores)  Se 1an desarrollado . pu!licado una *ran cantidad de 

ecuaciones pr(cticas dea"plia"ente lujo unior"e) Las ecuaciones "ejor conocidas . "(s utili$adas son las ecuaciones de C1/$. . de Mannin*

 

La ecuación de C1/$. 

Antoine C1/$. desarrolla pro!a!le"ente la pri"era En @9")  5 @ Lue*o3  A 5 +!$.,. 5 +9)>  ., . p 5!;.+@  $;, 5 9)>; +;., 5 9)>;)?;?=. Sustitu.endo #alores en +;,% resulta3 +., 5 ++9)>.,.,> 6 +9)>;)?;?=.,; 5 9)9@9?

 



Co"o se o!ser#a% se tiene una ecuacion en unción de .% para su solución procede"os a dar #alores a .% e#aluando para cada caso el #alor nu"/rico del pri"er "ie"!ro)

.

+.,

9)=9

9)99;P

9)=>

9)99=>

9)>9

9)99?>

9)9

9)9;>:

9)>;

9)9@9? alor



Los c(lculos se reali$an de el or"a analó*ica% 1asta &ue #alor resultante% sea lo "as cercano posi!le al #alor 9)9@9?) El proceso de calculo acilita si losen#alores o!tenidos se colocan una ta!la% co"o la &ue se "uestra)  Lue*o

solución

. 5 9)>;")

!uscado

 

M/todo 4raico Se usa el "ono*ra"a preparado por ente C1o% C1o% para el calculo del tirante nor"al)  De la or"ula de Mannin* % se tiene3 5 AR;6PS@6;  6 6 n+@, Despejando los #alores conocidos3  ' n 6 S@6;   55 A R;6P+P, Se anali$an las di"ensiones del ; "ie"!ro de la ecuacion +P, se tiene3 5 +L,?6P 5 +L;, +L,;6P  5    A A R;6P  5  Se o!ser#a &ue  A R;6P  % % tiene co"o di"ensiones +L, ?6P  para &ue de co"o resultado un #alor adi"ensional% se de!e di#idir entre una ?6P) 

lon*itud ele#ado la ?6P% ende este caso% se puede di#idir ! Di#idiendo a"!s a"ie"!ros la ecuacion +P, entre ! ?6P)%entre resulta3  resulta3

 ' n 6 S@6;  ! !?6P)  5 5 A R;6P  66 !?6P)  +=, +=,   Se conocen % n% S . ! sustitu.endo #alores% se tiene3 Se conocen % n% S . ! sustitu.endo #alores% se tiene3

 



9)> ' 9)9@= 6 9)99@@6;  9)>9 9)>9?6P)  5 5 A R;6P  66 !?6P ;6P

?6P

@)=9>> 5 A R  66 ! +>, 

C1o% se Con este #alor in*resa"os al "ono*ra"a de ente C1o% in*resa en le eje  con

 A R;6P  66 !?6P 5 @)=9>> 1asta

interceptar a la cur#a % en este caso 5 @ en el eje ' . se encuentra el #alor de . 6 !% dela si*uiente or"a3 59)>9

 

5@ 5@)>

( ; - > ?.@ (;- > ?.@ ( > ?.@ ( > ?.@  . (> .:!

A :; > ?.@

 

@) 4eneralidades) 



En un pro.ecto de irri*ación la parte &ue co"prende el dise2o de los canales . o!ras de arte% si !ien !ien es cierto &ue son de #ital i"portancia i"po rtancia en el costo de la o!ra% no i"portancia cclla#e es lo "(s i"portante puesto &ue el caudal% actor cla#e a#e en el dise2o . el "(s i"portante en un pro.ecto de rie*o% es un par("etro &ue se o!tiene so!re so!re la !ase del tipo de suelo% culti#o% condiciones cli"(ticas% "/todos de rie*o% etc)% es decir "ediante la conjunción de la relación a*ua  suelo  planta . la 1idrolo*-a% de "anera &ue cuando se trata de una planiicación de canales% el dise2ador tendr( una #isión "as a"plia . ser( "as eiciente% "oti#o por lo cual el in*eniero a*r-cola destaca . predo"ina en un un pro.ecto de irri*ación)

 

Canales de rie*o por su  







unción)

Los canales de rie*o por sus dierentes unciones adoptan las si*uientes deno"inaciones3 B Canal de pri"er orden) Lla"ado ta"!i/n canal "adre o de deri#ación . se le tra$a sie"pre con pendiente "-ni"a% "-ni"a% nor"al"ente es usado por un solo lado .a &ue por el otro lado da con terrenos altos) B Canal de se*undo orden) Lla"ados ta"!i/n laterales% son a&uellos &ue salen del canal "adre . el caudal &ue in*resa a ellos% es repartido 1acia los su!  laterales% el (rea de rie*o &ue sir#e un lateral se conoce co"o unidad de rie*o) BnacenCanal decanales tercer orden) Lla"ados ta"!i/n su!  laterales . de los laterales% el caudal &ue in*resa a ellos es laterales% repartido 1acia las propiedades indi#iduales indi#iduales a tra#/s de las to"as del solar% el (rea de rie*o &ue sir#e un su!  lateral se conoce co"o unidad de rotación)

 



De lo anterior de deduce &ue #arias unidades de rotación constitu.en una unidad de rie*o% . #arias unidades de rie*o constitu.en un siste"a de rie*o% este siste"a adopta el no"!re o codiicación del canal "adre o de pri"er orden)

 

@)

Ele"entos !(sicos en el dise2o de canales)



Se consideran al*unos ele"entos secciones% #elocidades per"isi!les%topo*r(icos% entre otros3  Tra$o de canales) Cuando se trata de tra$ar un canal o un siste"a de canales es necesario recolectar la si*uiente inor"ación !(sica3  Foto*ra-as a/reas% para locali$ar los po!lados% caser-os% (reas de culti#o% #-as de co"unicación% etc)  7lanos topo*r(icos . catastrales)  Estudios *eoló*icos% salinidad% suelos . de"(s inor"ación &ue pueda conju*arse en el tra$o de canales)

 

7ASOS  



Una #e$ o!tenido los datos precisos% se procede a o!tenido los tra!ajar en *a!inete dando un tra$o preli"inar% el cual se replantea en ca"po% donde se 1acen los ajustes necesarios% o!teni/ndos o!teni/ndosee inal"ente el tra$o deiniti#o) e'istir ir inor"ac inor"ación ión topo*r(ica topo*r(ica !(sica se procede procede a En el caso de no e'ist le#antar el relie#e del canal% procediendo con los si*uientes pasos3 



Reconoci"iento del terreno) Se recorre la $ona% a) anot(ndose todos los detalles &ue inlu.en en la deter"inación de un eje pro!a!le de tra$o% deter"in(ndose el el punto inicial . el punto inal) Tra$o preli"inar !) preli"inar) ) Se procede a le#antar la $ona con una !ri*adapreli"inar topo*r(ica% cla#ando en el terreno con las estacas la poli*onal . lue*o el le#anta"iento teodolito%de posterior"ente a este le#anta"iento se ni#elar( la poli*onal . se 1ar( el le#anta"iento secciones trans#ersales% estas le#anta"iento de secciones secciones se 1ar(n de acuerdo a criterio% si es un terreno con una alta distorsión de relie#e% la sección se 1ace a cada > "% si el terreno no "uestra "uc1as #ariaciones . es unior"e la

sección es "('i"o a cada ;9 ")  



c) Tra$o deiniti#o) Con los datos datos de +!, se procede al tra$o deiniti#o% teniendo en cuenta la escala ddel el plano% la cual depende !(sica"ente de de la topo*ra-a de la $ona . de la precisión &ue se desea3 







Terrenos con pendiente trans#ersal "a.or a ;>V% se reco"ienda escala de @3>99) Terrenos con pendiente trans#ersal "enor a ;>V% se reco"ienda escalas de @3@999 a @3;999) @3;999) Radios "-ni"os en canales) En el dise2o de canales% el ca"!io !rusco dir dirección ección se sustitu.e sust itu.e por una cur#a cu.o radio radi o no ser "u.de *rande% . de!e esco*erse esco*ers e ununa radio "-ni"o% dado &uede!e al tra$ar cur#as con radios "a.ores al "-ni"o no si*niica nin*0n a1orro de ener*-a% es decir la cur#a no ser( 1idr(ulica"ente "(s eiciente% en ca"!io s- ser( "(s costoso al darle una "a.or lon*itud "a.or desarrollo)

 

Las si*uientes ta!las indican radios Ta!la"-ni"os DC9@) Radiose*0n "-ni"o enel canales a!iertos  W @9 "P6s autor o lapara uente3 Ca pacidad del canal Capacidad

Radio "-ni"o

Hasta @9 "P6s De @9 a @= "P6s De @= a @< "P6s

P X anc1o de la !ase = X anc1o de la !ase > X anc1o de la !ase

De @< a ;9 "P6s De ;9 "P6s a "a.or 

 X anc1o de la !ase < X anc1o de la !ase

Los radios "-ni"os de!en ser redondeados 1asta el pró'i"o "etro superior  Fuente3 YInternational Institute.For Land Recla"ation And To"o I% I"pro#e"entY ILRI% 7rincipios Aplicaciones del Drenaje%

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