INFORME-IRRIGACIONES

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Contenido 1.

INTRODUCCIÓN   ................................................................................................................................ 2

2.

MARCO TEORICO  ............................................................................................................................ 3

2.1.

SECCIONES DE MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA  ....................................................... 3

2.1.1. 2.2. 3.

RELACIONES GEOMETRICAS.......................................................................................

4

SECCIÓN DE MINIMA INFILTRACIÓN .................................................................................. 9

AFORO DEL CANAL CIMIR .......................................................................................................... 13

3.1.1.

MÉTODO DEL FLOTADOR:...........................................................................................

3.1.2.

RESULTADOS DE LABORATORIO ............................................................................. 15

13

4.

SECCIÓN TRANVERSAL DEL CANAL CIMIR  .......................................................................... 17

5.

CÁLCULO DE LA SECCIÓN DE MAXIMA EFICIENCIA.  ........................................................ 18

6.

CÁLCULO DE SECCIÓN DE MINIMA INFILTRACIÓN ................ ................. .................. ......... 19

7.

SECCIÓN DE MINIMA INFILTRACION EN HEC-RAS  ............................................................. 20

8.

CONCLUSIONES  ............................................................................................................................. 23

9.

RECOMENDACIONES   ................................................................................................................... 24

10.

ANEXOS  ........................................................................................................................................ 25

11.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.  ........................................................................................ 28

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1. INTRODUCCIÓN

Dentro de este tema se verá la parte que comprende el diseño de los canales, y es el manejo de la hidrología, que ayuda a una buena planificación de canales, con todo esto el diseñador tendrá una visión más amplia y será más eficiente su trabajo En un proyecto de irrigación la parte que comprende el diseño de los canales y obras de arte, así como el caudal, constituyen factores importantes en un proyecto de riego. Este último es un parámetro que se obtiene sobre la base del tipo de suelo, cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua  – suelo – planta y la hidrología. Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal. La determinación de la mínima infiltración se aplica cuando se quiere obtener la menor perdida posible de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración.

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2. MARCO TEORICO 2.1.

SECCIONES DE MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA

Uno de los factores que intervienen en el costo de construcción de un canal es el volumen por excavar; este a su vez depende de la sección transversal. Mediante ecuaciones se puede plantear y resolver el problema de encontrar la menor excavación para conducir un caudal dado, conocida la pendiente. La forma que conviene dar a una sección de magnitud dada, para que escurra el mayor caudal posible, es lo que se ha llamado “sección de máxima eficiencia hidráulica”.

Considerando un canal de sección constante por el que debe pasar un caudal máximo, bajo las condiciones impuestas por la pendiente y la rugosidad; de la ecuación del caudal:

Dónde: n, A y S son constantes; luego, la ecuación del caudal puede expresarse como:

Siendo K una constante. En la segunda ecuación observamos que el caudal será máximo si el radio hidráulico es máximo, o sea que R = A / P es máximo.

De esta ecuación como A es constante, R será máximo si P es mínimo, es decir Q es máximo si P es mínimo, para A constante

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2.1.1. RELACIONES GEOMETRICAS

Sección trapezoidal 1) Considerando un talud Z conocido (constante)

Sabemos que:

Sabemos que Qmax si Pmin, y:

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Luego, derivando en función del tirante, se tiene:

Sustituyendo:

2) Calculo de

en función de θ:

θ = ángulo de inclinación de las paredes del canal con la horizontal Luego:

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Expresando en función del ángulo mitad, se tiene:

Luego, sustituyendo las dos últimas expresiones resulta:

3) Relación entre el ancho de solera y el tirante Reemplazando:

La cual representa la relación entre el ancho de solera y el tirante en un canal trapezoidal para una sección de máxima eficiencia hidráulica. Para el caso particular de un canal rectangular, se tiene

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4) Relación entre el radio hidráulico y el tirante Sabemos que:

Sustituyendo resulta:

Lo que indica que en una sección de máxima eficiencia hidráulica de forma trapezoidal o rectangular (para cualquier valor de Z), el radio hidráulico es igual a la mitad del tirante 5) Condición de máxima eficiencia hidráulica para talud variable En este caso se busca de todas las secciones trapezoidales variables, cual es el talud más eficiente, para ello y se considera constante De:

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Finalmente:

Los elementos geométricos para seis secciones hidráulicas óptimas se muestran en la siguiente tabla, pero no siempre esas secciones son prácticas, debido a dificultades en la construcción y en el uso de material. En general, una sección de canal debe diseñarse para cumplir una eficiencia hidráulica óptima, pero debe modificarse para tener en cuenta aspectos constructivos. La sección hidráulica óptima es la sección que, de un área mínima para un caudal determinado, pero no necesariamente la mínima excavación. El principio de la sección hidráulica óptima se aplica solo al diseño de canales no erosionables. Para canales erosionables, debe utilizarse el principio de la fuerza tractiva para determinar una sección eficiente.

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2.2.

SECCIÓN DE MINIMA INFILTRACIÓN

Si un canal está trazado sobre un terreno bastante permeable se hace necesario diseñar una sección que permita obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración, la cual se puede hallar matemáticamente. Para obtener la fórmula de la sección de mínima infiltración, considere un canal con una sección trapezoidal cualquiera.

Diagrama de infiltración en las paredes y f ondo del canal.

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La infiltración depende de la clase de terreno, pero es una función del tirante. Se supone que la intensidad de infiltración i en un punto del perímetro mojado de la sección del canal es proporcional a la raíz cuadrada de la profundidad h. En el fondo, la infiltración será:  =  √  en estas condiciones se tendrá un diagrama de infiltración como se observa en la Figura. Considerando un tramo de canal de longitud de un metro, y designado por: V = volumen total de agua que se infiltra en ese tramo. Vf = volumen de agua que se infiltra exclusivamente en el fondo. Vz = volumen de agua que se infiltra en una de las paredes laterales. Se puede escribir: V=Vf + 2Vz

Siendo Volumen infiltrando en el fondo.

Luego:

Infiltración en el fondo del canal

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Donde: K= constante de proporcionalidad Volumen infiltrado en una de las paredes laterales

Infiltración en las paredes.

Luego:

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Sustituyendo:

Para que V sea mínimo, se debe cumplir que dV/dy = 0 Como en la ecuación anterior existen dos variables b y y , se coloca la primera en función de la segunda con la fórmula de área:

Sustituyendo:

Derivando con respecto a y e igualando a cero:

al efectuar dicha operación, se obtiene la relación:

La ecuación representa la relación para una sección de mínima infiltración.

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13 Una

relación intermedia entre una sección de máxima eficiencia y mínima infiltración seria:

3. AFORO DEL CANAL CIMIR

3.1.1.

MÉTODO DEL FLOTADOR:

Este método relaciona el área de la sección que conduce agua y la velocidad de escurrimiento. Se utiliza en canales y acequias y da sólo una medida aproximada de los caudales, siendo necesario el uso de otros métodos cuando se requiere mayor precisión. La metodología es la siguiente: Se elige un tramo del canal que sea recto y de sección transversal uniforme, entre 10 y 30 metros de largo, donde el agua escurra libremente. 

Para determinar la velocidad que lleva el agua en esa sección, se marca en el terreno la longitud elegida y se toma el tiempo que demora un flotador en recorrerla.



Como flotador se puede usar cualquier objeto que sea capaz de permanecer suspendido en el agua, como un trozo de madera, corcho u otro material similar, que no ofrezca gran resistencia al contacto con el aire y que se deje arrastrar fácilmente por la corriente de agua.



Determinación de velocidad. Se divide la longitud del tramo por el tiempo que tarda el flotador en recorrerla.

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Un segundo aspecto de este método considera la determinación de la sección o área de escurrimiento del canal o acequia.

La sección se determina mediante la semisuma de dos profundidades contiguas, (descontando la distancia entre el listón y el espejo de agua) y multiplicadas por el ancho o separación entre cada medición, en este caso un valor fijo (d). Se procede ahora a determinar el caudal mediante la multiplicación del área de la sección, la velocidad de escurrimiento y un factor de corrección que incluye ajustes en la velocidad del agua y cambio de unidades de medida. El resultado es expresado en l/s, como se indica en la siguiente expresión:

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Q=A*V*0,085 Donde: Q= caudal (m3/s); A= área de sección (m2); V= velocidad del flujo (m/s) PROCEDIMIENTO

1. Obtener los materiales necesarios wincha, flexómetro, cronometro, flotador o tecnopor, nivel. 2. Se procede a medir las dimensiones del rio, sobretodo la longitud en que se trabajara. 3. Colocar los parámetros en los extremos para el control 4. Soltar las pelotas de tecnopor 5. Tomar el tiempo inicial cuando empieza el primer imite y obtener el tiempo cuando este llegue al otro limite. 6. Se repite el procedimiento, en este caso 7 veces. 7. Con los datos obtenidos de los tiempos, se procede a calcular el área hidráulica, perímetro mojado, etc. 8. Se procede la información recabado en hojas Excel que se adjunta en el informe. 9. Se procede al cálculo del caudal. 3.1.2.

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RESULTADOS DE LABORATORIO

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AFORAMIENTO DEL CANAL CIMIR

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5.1

0.3

2.1

TALUD= 1.5

3.260

PROMEDIO d= 30

DE AREAS

Nº DE PRUEBA

TIEMPO

VELOCIDAD AREA (m2) DEL

C=0.85

CAUDAL (m2/s)

1

17.25

0.486

3.2600

0.85

5.993

2

18.27

0.505

3.2600

0.85

5.995

3

17.53

0.496

3.2600

0.85

6.005

4

17.38

0.497

3.2600

0.85

6.004

5

17.49

0.502

3.2600

0.85

5.988

6

16.95

0.510

3.2600

0.85

6.011

7

17.25

0.501

3.2600

0.85

5.994

PROMEDIO

0.500

V prom= 0.50 m/s

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3.2600

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5.999

Q = 5.99 m3/s

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4. SECCIÓN TRANVERSAL DEL CANAL CIMIR SECCION TRANSVERSAL

Depende del material excavado CARACTERISTICAS DE LOS SUELOS

CANALES CANALES POCO PROFUNDOS PROFUNDOS

Roca en buenas condiciones Arcillas compactadas o conglomerados Limos arcillosos Limoso arenoso Arenas sueltas

Vertical

0.25 : 1

0.5 : 1 1.0 : 1 1.5 : 1 2.0 : 1

1.0 : 1 1.5 : 1 2.0 : 1 3.0 : 1

T = 4.25 BL= 0.4 Y= 1.08

1 .

Z

b = 1.00 Donde : Y Profundidad de flujo b  Ancho de la solera Talud z  A  Area mojada BL Freeboard o Margen libre T Espejo de agua

DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD (S) Según Manning para un canal revestido de concreto es de : n = 0.015 DETERMINACION DEL ANCHO DE LA SOLERA (b) Una forma practica de fijar el ancho de la solera, es en funcion al caudal, la cual se muestra en el si uiente cuadro:

DATOS PARA DISENO CAUDAL TALUD PENDIENTE RUGOSIDAD

5.99 1.5 0.003 0.015

m3/s 0/00 m/m -

RELACIONES DE LAS SECCIONES TRANSVERSALES Seccion Trapezoidal T=     )  =         =       = 

FORMULA DE MANNING        =    

DATOS CALCULADOS TIRANTE  ANCHO DE SOLERA  AREA PERIMETRO MOJADO RADIO HIDRAULICO BORDE LIBRE  ANCHO DE CORONA ESPEJO DE AGUA VELOCIDAD N° DE FROUDE TIPO DE FLUJO F F F

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y b A p R BL C T V F

= = = = = = = = = = = > = <

1 1 1

1.083 1.000 2.842 4.905 0.579 0.400 1.000 4.249 2.108 0.823 SUB CRITICO

m m m2 m m m m m m/s -

UPER CRITICO CRITICO SUB CRITICO

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5.

CÁLCULO DE LA SECCIÓN DE MAXIMA EFICIENCIA.

N°

DESCRIPCIÓN 1 2 3 4

VALOR

UNIDADES

5.99 1.5 0.003 0.015

m3/s

CAUDAL TALUD PEDIENTE RUGOSIDAD

m/m CONCRETO

L a rugosidad es 0.015 porque el canal estara revestido de concreto

DIMENSINAMIENTO DEL CANAL DE MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA POR SER DE SECCION TRAPEZOIDAL DEBE DE CUMPLIR CON LA CONDICION DE M.E.H

b=2y((1+z^2)^0.5-z) A=(2(1+z^2)^0.5-z)y^2 P=2y(2(1+z^2)^0.5-z) UTILIZANDO LA ECUACION DE MANNING Q=(A^(5/3)*S^(1/2))/(n*P^(2/3)) Remplazando datos se tiene que:

y

=

2.241

m

b

=

1.357

m

DATOS DEL DIMENSIONAMIENTO b y A P R

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1.36 2.241 10.574 9.437 1.121

m m^2 m m

Z S T F

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1.500 0.00300 8.080 0.158

m -

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6. CÁLCULO DE SECCIÓN DE MINIMA INFILTRACIÓN

DISEÑO POR SECCION DE MINIMA INFILTRACION N° 1 2 3 4

DESCRIPCION CAUDAL TALUD PEDIENTE RUGOSIDAD

VALOR 5.99 1.5 0.003 0.015

UNIDADES m3/s m/m CONCRETO

DIMENSIONAMIENTO DEL CANAL DE MINIMA INFILTRACION

 =     -Z)   =        =      

UTILIZANDO LA ECUACION DE MANNING

Remplazando datos se tiene que:

      =     y

=

0.956

m

b

=

1.158

m

ENTONCES APROXIMANDO EL DIMENSIONAMIEMTO FINAL DEL CANAL A MULTIPLO DE 5CM

b y A P R BL

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1.15 0.95 2.44 4.57 0.53 0.40

m m m^2 m m m

Z S T F Be o Bi V

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1.5 0.003 4.00 1.00 1.00 2.45

m m m/s

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7. SECCIÓN DE MINIMA INFILTRACION EN HEC-RAS

1. Se requiere el eje del canal cimir para poder insertar la sección de mínima infiltración, esto se puede importar del civil 3D o del ArcGis, pero en este caso se trazara.

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2. Luego añadimos las secciones, para ello click en cross section- options y añadir nueva seccion.

3. Colocamos el número de la sección, y cabe resaltar que el de menor número estará aguas abajo y el de mayor, aguas arriba. 4. Se colocan las coordenadas de la sección típica, el coeficiente de Manning “n”=0.014 para canales de concreto. Además, a que distancia esta la sección inicial de la final.

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5. Para facilitar insertar las otras secciones, obviamente si se tienen secciones típicas por tramos, entonces se puede usar el comando interpolar secciones.

6. Guardamos la geometría. 7. Introducimos los números de casos. Para diferentes periodos de retorno, por ejemplo. y luego ingresamos caudales. Y la guardamos 8. Luego se ingresa el plan, es decir, las combinaciones que se pueden hacer con las geometrías con los flujos y caudales. 9. Y finalmente ya se puedo correr y visualizar como los caudales alcanzan ciertos niveles de acuerdo con el periodo de retorno.

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8. CONCLUSIONES



Una sección es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área hidráulica, pendiente y calidad de paredes deja pasar un caudal máximo.



La sección presentada en el canal de riego del canal CIMIRM presenta una sección que no presenta una sección de máxima eficiencia hidráulica en estas épocas del año.



La sección del canal para el tramo escogido es de sección contante, y del mismo material para los bordes y base del canal.



Se asume como constantes los valores del área hidráulica, radio hidráulico, y coeficiente de rugosidad.



La sección de máxima eficiencia hidráulica interviene en el costo de construcción del canal.



La infiltración depende de la clase de terreno, el tirante, y el talud del canal, a mayor tirante, entonces mayor infiltración.

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9. RECOMENDACIONES



Se debería conservar el mismo tirante para no variar el máximo caudal, y tener una máxima eficiencia hidráulica.



La sección hidráulica del canal CIMIRM es variable a lo largo del año, teniendo caudales máximos en verano y caudales mínimos en invierno, para tener un buen comportamiento se recomendaría conservar un solo tirante.



Se podría conservar un tirante constante si a lo largo del canal se haría un mantenimiento constante, y tener una buena distribución hídrica de los regantes.



Se recomienda una buena conservación del estado de las paredes del canal, para mantener un solo valor del coeficiente de rugosidad.



Las secciones varían en dimensiones a lo largo de los tramos, haciendo variar a su vez las infiltraciones.



Para evitar la infiltración en exceso se recomienda hacer jornadas de limpieza y refacción de paredes críticas al colapso.

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10.

ANEXOS



Vista satelital del canal de riego tramo EL MANTARO.



Tramo típico de canal CIMIRM.

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

Zona de vegetación en canal.



Zona de erosión (socavación)

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

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Cambio de sección tranversal.

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11.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.



HIDRAULICA DE CANALES, Máximo Villon Bejar.



HIDRAULICA DE CANALES ABIERTOS, Ven Te Chow.



HEC-RAS 5.0 Applications Guide.

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