Hidraulica De Canales Abiertos 125d2o

HIDRAULICA DE CANALES ABIERTOS I R R I GA C IO N Y D R E N A JE

ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA


Un canal abierto es un conducto en el cual el agua fluye con una superficie libre. De acuerdo a su origen puede ser natural o artificial.

Foto 01: Canal natural. Rio Huacapongo, Sector Zaraque.


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Foto 02: Canal artificial. Canal Chavimochic.


Diferencias entre Tuberías y canales abiertos. Tuberías El flujo es causado por la presión, por lo tanto tendrá lugar sin importar la alineación que tenga el conducto. La sección transversal del conducto es constante a lo largo de la tubería y está definido por el diámetro. La presión en la tubería puede tener cualquier magnitud, específicamente en cualquier punto a lo largo de la tubería.


Canales abiertos El flujo es causado por la gravedad, por consiguiente el canal debe tener pendiente hacia abajo. La sección transversal del canal puede variar a lo largo de la tubería. El perímetro de la sección transversal consta de dos partes: la superficie libre, que es la superficie del agua expuesta al aire, y el perímetro mojado, donde el agua está en o con los límites del canal. La presión en la superficie libre es siempre cero (atmosférica).

Diferencias entre Tuberías y canales abiertos.


Diferencias entre Tuberías y canales abiertos. La diferencia principal es que en las tuberías hay presiones y golpes

de ariete que no existen en los canales, así como incrementos y disminuciones de temperatura que afectan a las tuberías y en los canales no. El gasto se maneja igual en ambos casos. En los canales la temperatura ambiente y el clima afecta pero en la evaporación del agua que transita en las tuberías el cerrar una válvula se mantiene el sistema hermético sin fugas, pero en los canales se debe de tomar en cuenta el posible rebosamiento. La principal diferencia radica suele radicar en el hecho que la hidráulica de tuberías (normalmente) se analiza con flujo "trabajando" a presión, mientras que la hidráulica de canales abiertos se analiza (salvo muy contadas excepciones) con flujo "trabajando" o accionado por la fuerza de la gravedad. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Geometría de un canal. Las secciones transversales de un canal pueden ser

variables de acuerdo a su naturaleza, si son canales naturales su sección es irregular, con tendencia ser trapezoidales. Los canales artificiales pueden ser rectangulares, trapezoidales, triangulares, parabólicos, circulares, etc. Los elementos geométricos más importantes de un canal son los siguientes:


Geometría de un canal.  Profundidad del flujo (y). Es la distancia vertical desde

el punto más bajo del canal hasta la superficie libre del agua. Ancho superficial (T). Es el ancho de la sección del canal en la superficie libre. Ancho de la base (b). Es el ancho de la base del canal. Área mojada (A). Es el área de la sección transversal del canal perpendicular a la dirección del flujo. Perímetro mojado (P). Es la longitud de la línea de intersección de la superficie de canal mojada y de un plano transversal perpendicular a la dirección del flujo. Radio hidráulico (R). Es la relación del área mojada con respecto a su perímetro mojado. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Geometría del canal


Geometría de un canal.


Se aprecia una sección de canal rectangular, la cual es usada en zonas de fuerte pendiente, y para caudales pequeños. El espesor mínimo de paredes es 10 cm. Se debe utilizar una armadura de acero para las paredes y el fondo.

Canal lateral Ventanilla. Valle Jequetepeque. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Se aprecia una sección de canal trapezoidal, es la sección mas usada por su buen comportamiento hidráulico. El espesor mínimo de paredes es 7.5 cm. No utiliza una armadura de acero para canales pequeños.

Canal Tolon Alto. Valle Jequetepeque ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA



Distribución de velocidades en canales abiertos.

Curvas comunes de igual velocidad para diferentes secciones transversales ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Tipos de flujo en canales.

El flujo en canales abierto puede clasificarse en

muchos tipos y distribuirse de diferentes maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio en la profundidad del flujo con respecto al tiempo y al espacio.


Permanente y No Permanente Este tipo de flujo tiene el tiempo como criterio. Se dice que el

flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración. El flujo es no permanente si la profundidad cambia con el tiempo. En la mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo el cambio en la condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no permanente, el nivel de flujo cambia de manera instantánea a medida que las ondas pasan y el elemento tiempo se vuelve de vital importancia para el diseño de estructuras de control.


Uniforme y no uniforme Este tipo de flujo tiene al espacio como criterio. Se dice que el flujo en

canales abiertos es uniforme si la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo UNIFORME puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo. El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal. El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente varia o gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias cortas; de otro modo, es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto hidráulico y remanso hidraulico. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Clasificación en función a velocidad. Laminar: Flujo tranquilo, número de Reynolds

menor a 600. Turbulento: en el número de Reynolds se toma como longitud característica la profundidad hidráulica media. En estas condiciones el Reynolds crítico es aproximadamente 600. La relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas gravitatorias puede expresarse de forma adimensional mediante un grupo adimensional llamado número de Froude: ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Clasificación en función a velocidad. donde:  

v: velocidad (media)del fluido y: profundidad del flujo

Subcrítico o tranquilo: si el número de Froude es

menor que 1 En este caso la velocidad del líquido es pequeña y una perturbación puede propagarse aguas arriba. Si F = 1 el flujo se denomina crítico. Supercrítico o rápido: si el número de Froude es mayor que 1. En este caso una perturbación no puede propagarse aguas arriba. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Criterio para el estado crítico del flujo El estado crítico del flujo ha sido definido como la

condición para el cual el número de Froude es igual a la unidad. Una definición más común para este estado de flujo la energía específica es mínima para un caudal determinado.


PRINCIPIO DE ENERGIA EN CANALES ABIERTOS En hidráulica elemental se sabe que la ENERGIA total

del agua en pies-lb. Por lb. De cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal puede expresarse como la altura total en metros de agua que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad. Por ejemplo, con respecto al plano de referencia, la altura total H de una sección O que contiene el punto a en una línea de corriente del flujo de un canal de pendiente alta puede escribirse como: ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

PRINCIPIO DE ENERGIA EN CANALES ABIERTOS Para canales con pendiente baja θ = 0, y el

coeficiente de Coriollis tiende a ser 1, luego la energía total en la sección es: Para una profundidad dada se puede eliminar la

carga de posición Z=0, lo cual quedara la altura de agua y la carga de velocidad.


Partiendo de la ecuación de Continuidad la cual indica

que el Caudal es igual al producto de la velocidad por el área de la sección transversal del canal, Se puede reemplazar en la formula de energía, Al resolver esta ecuación para un caudal constante nos

dará que para una misma energía existen 2 tirantes los cuales corresponden a régimen suscritico y régimen supercrítico ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Ejemplo de calculo de la Energía Específica para un canal trapezoidal Una sección Trapezoidal de ancho de base 0.75 m. y

talud 1, conduce un Caudal de 0.40 m3/seg, calcular su energía especifica. Solución A = (0.75+y)y

Ejemplo: En un canal con las siguientes características: Caudal de 1.00 m3/seg. Ancho de base = 1.20 m. Talud = 0.00 Calcule su energía específica.


Tirante (y)

Energia (e)

Tirante (y)

Energia (e)

0.100

3.6395

1.300

1.3209

0.200

1.0849

1.400

1.4181

0.300

0.6933

1.500

1.5157

0.400

0.6212

1.600

1.6138

0.500

0.6416

1.700

1.7122

0.600

0.6983

1.800

1.8109

0.700

0.7722

1.900

1.9098

0.800

0.8553

2.000

2.0088

0.900

0.9437

2.100

2.1080

1.000

1.0354

2.200

2.2073

1.100

1.1293

2.300

2.3067

1.200

1.2246

2.400

2.4061


ENERGIA ESPECIFICA 3.00

2.50

2.00 ENERGIA ESPECIFICA T irante (m )

1.50

1.00

0.50

0.00 0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

Energía Especifica


2.50

3.00

3.50

4.00

Características hidráulicas de flujo uniforme Para realizar los cálculos hidráulicos en canales se

parte de la premisa en que se encuentra el canal en régimen uniforme y se aplica la ecuación de Continuidad.  En 1769 el ingeniero francés Antoine Chézy

desarrollo la primera ecuación de flujo uniforme, la cual es conocida como la ecuación de Chezy.


Características hidráulicas de flujo uniforme Donde: V = es la velocidad 

 

C = Factor de resistencia al flujo conocido como factor de Chezy R = Radio hidráulico S = Pendiente de la línea de energía.

Con el paso del tiempo varios investigadores han

tratado de asignar una ecuación para calcular el valor de C entre ellos tenemos los siguientes: ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Año

Ganguillet y Kutter

Bazin

Manning

1869

1897

1889

C


En la actualidad se trabaja con la ecuación de

Manning la cual queda el termino de velocidad y caudal de la siguiente forma: La velocidad en m/seg

Caudal en m3/seg.


DISEÑO DE CANALES ABIERTOS En un proyecto de irrigación la parte que comprende el

diseño de canales y obras de arte, si bien es cierto que son de vital importancia en el costo de la obra, puesto que el caudal, factor clave en el diseño y el más importante en un proyecto de riego, es un parámetro que se obtiene en base al tipo de suelo, cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc. Es decir mediante la relación Agua-Suelo-Planta y la hidrología, de manera que cuando se trata de una planificación de canales, aquel diseñador que tenga un conocimiento de las disciplinas, sin llegar a ser un especialista, tendrá mucho más panorama y será más eficiente, que aquel que solo diseña fríamente. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Canales de riego por su función Los canales comúnmente tienen forma rectangular y trapezoidal y

por su importancia tienen diferente clasificación. Canal de primer orden. Llamado también Canal Madre o de Derivación y se traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que el otro da con terrenos altos, como ejemplo tenemos el canal Chavimochic, Canal Taymi del proyecto Tinajones, Canal Chinecas. Canal de segundo orden. Llamados también laterales, son aquellos que parten del canal Madre y el canal que ingresa a ellos es repartido hacia los sublaterales. Canal de tercer orden. Llamados también sublaterales y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a través de las tomas laterales. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Trazo de Canales Para realizar el trazo de un canal nuevo o el

mejoramiento de un canal existente se utiliza la formulación matemática para curvas circulares utilizadas para el diseño de carreteras.


Curvas en canales


Calculo de radio de canales


Los radios mínimos están en función al caudal circulante y se sugieren los siguientes:



Radio mínimo en función al espejo de agua Siendo T el ancho superior del canal Canales de riego

Canales de drenaje

Canal Madre

4T

Colector principal

5T

Lateral

3T

Colector

5T

Sub lateral

3T

Subcolector

5T



Radio mínimo en canales abiertos para caudales menores a 20 m3/seg

Capacidad del canal

Radio Mínimo

20 m3/seg.

100 m.

15 m3/seg.

80 m.

10 m3/seg.

60 m.

5 m3/seg.

20 m.

1 m3/seg.

10 m.

0.5 m3/seg.

5 m.

Condición de Máxima eficiencia hidráulica Se dice que un canal es de máxima eficiencia

hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor gasto, esta condición esta referida a un perímetro húmedo mínimo o menor área de fricción. La fórmula que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica.


Condición de Máxima eficiencia hidráulica


Condición de mínima infiltración Se aplica cuando se quiere obtener la menor perdida

de agua por filtración en los canales, esta condición depende del tipo de suelos y del tirante del canal, formula que da esta condición es:


Diseño de canales por su material Diseño de canales No Erosionables Canales revestidos Canales en roca Usualmente son diseñados para sección de máxima eficiencia hidráulica o en algunos casos específicos para una relación b/h dada. Diseño de Canales Erosionables Canales excavados en material suelto. Son diseñados para algunos de los siguientes casos: Método de la Velocidad máxima permisible. Método de la fuerza tractiva ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Consideraciones generales: Material: Nos permite conocer la rugosidad también conocer si el canal es erosionable o no erosionable, para tener los criterios de diseño. El ángulo del material de reposo tiene que ver directamente con el ángulo del talud. Pendiente: Está en función al tipo de canal, normalmente son pendientes moderadas de 1x1000 Taludes: Depende del tipo de material


Material de fondo de canales

Canal en tierra limpia



Canal en tierra con vegetación

















Comparación entre canales Canal en tierra antes de revestir


Canal revestido


Canal de concreto



Rio con material de fondo y orillas de grava ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA


Canal de mampostería



Canal de tubería corrugada


Valores de Rugosidad de Manning para canales


Taludes de las paredes de canales


MATERIAL Roca dura Roca figurada Arcilla dura Cascajo pedregoso Cascajo arenoso Tierra suelta arenosa Arena Revestido ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

TALUD H:V 1 : 10 1 :1 1 :1 1.5 : 1 2 :1 2 :1 2.5 : 1 0.8-1 : 1

Margen Libre Es la distancia vertical que debe existir entre la superficie libre del agua y el borde del canal. Fb = 5% - 30% del tirante (usualmente 20% de altura)


Velocidad Velocidad: La velocidad del agua debe ser mayor que

la mínima para que no ocurra sedimentación y menor que la máxima para que no ocurra erosión. Vmin > 60 – 75 cm/seg


Se aprecia una sección de canal rectangular, la cual es usada en zonas de fuerte pendiente, y para caudales pequeños. El espesor mínimo de paredes es 10 cm. Se debe utilizar una armadura de acero para las paredes y el fondo. Por tener fuerte pendiente el agua fluye a altas velocidades y en flujo supercritico, por lo tanto el tirante es bajo.

Canal sub lateral del canal Collambay. Simbal ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Canal de baja pendiente y velocidad baja, lo cual genera que crezca vegetación dentro del canal.

Dren en la parte baja del Valle Jequetepeque ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Proceso constructivo de Canales

Se aprecia que los canales se construyen por paños de aproximadamente 3.00 m, los cuales son vaciados intercalados. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Proceso constructivo de Canales

El llenado de junta se debe realizar con un material que garantice un sello impermeable. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Casos especiales

Canal dentro de ciudad utilizado como votadero de basura. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

Casos especiales

Canal dentro de ciudad utilizado como votadero de basura. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA


BIBLIOGRAFÍA Manuel Garcia Naranjo. Apuntes de clase, 1998. Ven Te Chow. Hidraulica de canales abiertos. 1994. Andrew L. Simon. Hidraulica Basica, 1983. Elmer Garcia Rico. Hidraulica de Canales. http://www.monografias.com/trabajos14/canales-abi

ert/canales-abiert.shtml


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