Canal Chuco Jesús

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

CANAL CHUCO JESÚS

I. INTRODUCCIÓN. El presente informe es del desarrollo de la práctica realizado en el canal de Chuco Jesús y de todas las estructuras que comprende, implica una serie de diseños a realizarse, tales como el diseño de transiciones, rápidas, desarenador, entre otras estructuras. Los canales son importantes ya que conducen el agua a lugares deseados para así poder realizar importantes actividades tales como la agricultura, agri cultura, generación de energía, entre otras.

Canal de JESUS CHUCO II. OBJETIVOS. OBJETIVOS 2.1 Objetivo Principal Rediseñar el canal JESUS CHUCO, que inicia en el distrito de los Baños del Inca y finaliza en el distrito de Jesús.

DISEÑO DE CANAL




Objetivos Secundarios Calcular el caudal que conduce el canal de Chuco Jesús



Determinar los parámetros de diseño del canal.



Calcular cada una de los elementos del canal Chuco Jesús.



Identificar cada una de las partes de un barraje para poder realizar el diseño del mismo.

III. JUSTIFICACION En la práctica que se desarrolló, se hizo una visita a la estructura Hidráulica del canal JESUS CHUCO para realizar su posterior diseño hidráulico de un tramo de este canal y elaboración de planos de cada elemento que lo compone. c ompone. IV. ANTECEDENTES El canal a rediseñar es un canal de riego, que se encuentra ya construido y en funcionamiento, presenta tramos en buen estado así como otros en mal estado, tales como algunos tramos en donde el cauce es revestido de concreto y otros de cauce de tierra. Para el trabajo realizado en la salida de campo se tomó en cuenta solo la parte inicial del canal, el cual será rediseñada tal como se indicó previamente. V. UBICACIÓN DEL CANAL La estructura hidráulica se encuentra ubicada en:   

Departamento: Cajamarca. Provincia: Cajamarca. Distritos: Baños del Inca - Jesús

Coordenadas Coordenadas UTM: INICIO   

Zona: Norte: Este:

DISEÑO DE CANAL

17M 9206647.36 N 779698.11 E




Objetivos Secundarios Calcular el caudal que conduce el canal de Chuco Jesús



Determinar los parámetros de diseño del canal.



Calcular cada una de los elementos del canal Chuco Jesús.



Identificar cada una de las partes de un barraje para poder realizar el diseño del mismo.

III. JUSTIFICACION En la práctica que se desarrolló, se hizo una visita a la estructura Hidráulica del canal JESUS CHUCO para realizar su posterior diseño hidráulico de un tramo de este canal y elaboración de planos de cada elemento que lo compone. c ompone. IV. ANTECEDENTES El canal a rediseñar es un canal de riego, que se encuentra ya construido y en funcionamiento, presenta tramos en buen estado así como otros en mal estado, tales como algunos tramos en donde el cauce es revestido de concreto y otros de cauce de tierra. Para el trabajo realizado en la salida de campo se tomó en cuenta solo la parte inicial del canal, el cual será rediseñada tal como se indicó previamente. V. UBICACIÓN DEL CANAL La estructura hidráulica se encuentra ubicada en:   

Departamento: Cajamarca. Provincia: Cajamarca. Distritos: Baños del Inca - Jesús

Coordenadas Coordenadas UTM: INICIO   

Zona: Norte: Este:

DISEÑO DE CANAL

17M 9206647.36 N 779698.11 E


Ubicación del Canal de JESUS CHUCO VI. MARCO TEORICO 1. LOS CANALES En ingeniería se denomina canal a una construcción destinada al transporte de fluidos generalmente utilizada para agua y que, a diferencia de las tuberías, es abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación. La descripción del comportamiento comportamiento hidráulico de los canales es una parte fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería hidráulica, una de las especialidades de la ingeniería civil. Cuando un fluido es transportado por una u na tubería parcialmente llena, se dice que cuenta con una cara a la atmósfera, por lo tanto se comporta como un canal. 2. de los canales de acuerdo a su naturaleza Un canal abierto es un conducto en el cual el agua, fluye con una superficie libre. De acuerdo con su origen un canal puede ser natural o artificial. DISEÑO DE CANAL


a. los canales naturales. influyen todos los tipos de agua que existen de manera natural en la tierra, lo cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes, y estuarios de mareas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas razonablemente consistentes en las observaciones y experiencias reales, de tal modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables mediante tratamiento analítico de la hidráulica teórica. b. Los canales artificiales son aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo humano: canales de navegación, canales de centrales hidroeléctricas, canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje, vertederos, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras etc. Así como canales de modelos de laboratorio con propósitos experimentales las propiedades hidráulicas de estos canales pueden ser controladas hasta un nivel deseado o diseñadas para cumplir unos requisitos determinados.

DISEÑO DE CANAL


Canal artificial Jesús-Chuco 3. Partes de un canal. A lo largo de un canal de riego se sitúan muchas y variadas estructuras, llamadas "obras de arte", estas son, entre otras: a. Obras de Derivación.- que como su nombre lo indica, se usan para derivar el agua (utilizando partidores), desde un canal principal (ejemplo. una acequia) a uno secundario (ejemplo. un brazal), o de este último hacia un canal terciario, o desde el terciario hacia el canal de campo y el cañón de boquera. Generalmente se construyen en hormigón, o en mampostería de piedra, y están equipadas con compuertas, algunas simples, (también denominadas tablachos, y otras que pueden llegar a ser sofisticadas. b. Controles de Nivel.- muchas veces asociadas a las obras de derivación, son destinadas a mantener siempre, en el canal, el nivel de agua dentro de un cierto rango y, especialmente en los puntos terminales, con una inclinación descendente c. Controles de seguridad.- estos deben funcionar en forma automática, para evitar daños en el sistema, si por cualquier motivo hubiera una falla de operación (alguien decía alguna vez, que no puede ser que si una vaca decide acortarse en el canal a tomar el fresco, todo el sistema, en cascada se autodestruya), esto que parece una broma es tomado muy en serio por los proyectistas de los sistemas de riego. Existen básicamente dos tipos de controles de seguridad: los vertederos, y los sifones; d. Secciones de aforo.- destinadas a medir la cantidad de agua que entra en un determinado canal, en base al cual el usuario del agua pagará, por el servicio. Existen diversos tipos de secciones de aforo, algunas muy sencillas, constan de una regla graduada que es leída por el operador a intervalos pre establecidos, hasta sistemas complejos, asociados con compuertas autorregulables, que registran el caudal en forma continua y lo trasmiten a la central de operación computarizada. e. Obras de cruce del canal de riego con otras infraestructuras existentes en el terreno, pertenecientes o no al sistema de riego. Estas a su vez pueden ser de: 

Cruce de canal de riego con un canal de drenaje del mismo sistema de riego.

DISEÑO DE CANAL




Cruce de un dren natural, con el canal de riego, a una cota mayor que este último.



Cruce de canal de riego con una hondonada, o valle;



Cruce de canal de riego con una vía.

4. Elementos de una curva de un canal.

DISEÑO DE CANAL


Curva del canal de Jesús-Chuco 5. Elementos geométricos de un canal Son: 

El tirante en m:

y



Ancho de solera en m.

b



Área mojada en m2

A



Relación fondo – tirante.

X= b/y



Espejo de Agua

B = b+2zy



Talud de escarpas

Z



Borde libre en m.

B.L.



Profundidad Total

H



Ancho de corona en m.

C



Tirante crítico



Pendiente en m/m

Yc S

6. Elementos cinéticos Según Manning: Caudal o gasto en m3/s…

DISEÑO DE CANAL

 =  / / / 


Velocidad media m/s…………

V = Q/A

7. Elementos dinámicos Coeficiente de rugosidad = n Pendiente hidráulica S. ELEMENTOS DE DISEÑO Citaremos como principales los siguientes: A. Caudal (Q) Este elemento es muy importante para el diseño. Para nuestra práctica se determinó mediante el método del flotador. B. Pendiente (S) Teniendo en cuenta la velocidad para un canal revestido de concreto que no sedimente ni erosione el revestimiento, se obtuvo mediante la fórmula de Manning pendientes de acuerdo al perfil topográfico del terreno. C. Velocidad Mínima de Sedimentación La velocidad del flujo no debe descender de cierto límite inferior equivalente a la velocidad de deposición del material en suspensión que acarrea el agua en el canal. Una velocidad entre 0.6 y 0.9 m/s es suficiente para evitar sedimentación. D. Velocidad Máxima de Erosión Un flujo de agua excesivamente rápido erosionará las paredes del canal daña ndo los revestimientos o modificando el contorno de los cauces naturales. E. Coeficiente de Rugosidad (n) Es la resistencia al flujo de agua que presentan los revestimientos de los canales artificiales y la naturaleza de los cauces naturales. En nuestro caso asumimos n = 0.015(concreto) para el diseño.

DISEÑO DE CANAL


F. Taludes recomendados La inclinación de las paredes de los canales depende de la geología de los materiales de excavación y relleno por los que atraviese. Según sea el material los taludes serán:

DISEÑO DE CANAL


G. Tirantes recomendados Uno de los elementos más importantes en el diseño de los canales es el tirante o altura de agua del canal. Para determinar la sección óptima es necesario efectuar un análisis del costo del canal para diferentes tirantes, tomando como base la sección de máxima eficiencia hidráulica y mínima infiltración. B/y = 3tg ( θ/2) b = Ancho de solera. y = Tirante hidráulica (m). θ = arctag (1/z)

H. Bordes Libres No existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el cálculo del borde libre, debido a que la fluctuación de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables. La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la siguiente fórmula:

Donde: C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg, y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/seg. Y = Tirante del canal en pies La secretaría de Recursos Hidráulicos de México, recomienda los siguientes valores en función del caudal:

DISEÑO DE CANAL


J. Ancho de Solera (b): El ancho de la solera se ha calculado mediante el análisis de máxima eficiencia hidráulica y Mínima infiltración (ver cálculo de Excel). K. Área Hidráulica: Una vez calculado el ancho de solera, talud y el tirante, se obtiene usando la ecuación de continuidad y las relaciones geométricas: A=Q/V

A = (b + z y) y

b / y = 3 tg (θ / 2)

L. LONGITUD TOTAL (H) Conocido el tirante y el borde libre tenemos: H = y + B.L.

DISEÑO DE CANAL


VII.CONSIDERACIONES Y CRITERIOS DE DISEÑO Las bases de diseño están conformadas en el levantamiento topográfico y la elaboración de planos en planta del cauce del canal JESUS CHUCO en un tramo de 500 m, el perfil longitudinal que junto con la velocidad ha permitido diseñar la pendiente necesaria y los planos de las secciones transversales. VIII.

PROSEDIMIENTO Y RESULTADOS.

Diseño del canal.

DISEÑO DE CANAL


distancia

35

y(tirante) T b área

0.395 1.44 1.00 0.482

m m m m m2

MEDIDA DEL LIMNIMETRO Q = 0.4425m3/s Para nuestro diseño tomamos

Q de diseño 0.4425 m3/s

DISEÑO DE CANAL


Medida del limnímetro 1. DISEÑO DEL CANAL DE SECCION TRAPEZOIDAL

Datos previos obtenidos:

PENDIENTE S Cota final 2656.4 m.s.n.m. Cota fondo 2659.3 m.s.n.m. Longitud 500 m S 0.0058 Caudal Q 0.68 m3/S Talud Material Talud Concreto z = 0.25 Ancho de solera (b) b 1.3 m Rugosidad n= 0.015 DISEÑO DE CANAL


Por Manning:

Además:

 = 1 //

 = 

Despejando:

 = ( ∗)  /  = + =+2 1 +

1 (2)

3

De las ecuaciones (1), (2), (3): y = 0.48m Entonces:

T = b+2zy = AH = (b+zy)*y = Pm = b+2y*(1+z^2)^0.5 = V = Q/AH = Numero de Froid:

 = ∗  

1.54 0.68 2.29 1.00

m m2 m > 0.6

0.48 < 1

F= Bordo libre:

 =    = √1.5 ∗0.48 = 0.85  DISEÑO DE CANAL

ok

Flujo sub critico


 = 26 

2. DISEÑO DEL CANAL DE SECCION RECTANGULAR

Datos previos obtenidos:

PENDIENTE S S 0.0058 Caudal Q 0.4425 m3/S Ancho de solera (b) b 1.4 m Rugosidad n= 0.015 Por Manning:

DISEÑO DE CANAL


Además:

 = 1 //

 = 

Despejando:

 = ( ∗)  /  =∗ =+2

1 (2)

3

De las ecuaciones (1), (2), (3): y = 0.42 m Entonces:

T=b= AH = b*y = Pm = b+2y = V = Q/AH = Numero de Froid:

1.40 0.59 2.24 1.15

m m2 m > 0.6

F=

0.56 < 1

ok

  = ∗  

Bordo libre:

 =    = √1.5 ∗0.42 = 0.79   = 24  DISEÑO DE CANAL

Flujo sub critico


DISEÑO DE TRANSICIONES

Se trata de una transición recta, por lo que solo se debe calcular la longitud de transición. Vamos a usar la ecuación de Julián Hinds, y según Bureau of Reclamation:

Donde:

 = 1−2 2 ∗12°30′

L = longitud de la transición, m Tl, T2 = espejos de agua, m

En el campo hemos hallado los espejos de agua en los 2 tramos trapezoidal y rectangular respectivamente, obteniendo: T1=1.61 y T2 =1.1 Entonces:

DISEÑO DE CANAL


   = 1.61−1.1 ∗ 12°30 2 Luego la longitud de la transición será:

L=1.15m

DISEÑO DE LA RAPIDA PREVIA AL DESARENADOR

DESARENADOR DISEÑO DE CANAL


1.- DISEÑO DEL CANAL AGUAS ARRIBA Tenemos los siguientes datos, para el canal. Z = 0.60 m. C.R aguas arriba 84.7 b = 0.60 m. n = 0.015 Q=0.4425m3/s S = 0.0058 Q = 0.68 m³/s 1/2 2/3 5/3 2/3

Q x n / (s

m.s.n.m

) = A x (R ) = [A ] / [P ]

Si se sabe que:

A = (b x Yn) + (Z x Yn²) P = b + [2 x Yn x (1 + Z²)1/2] Q x n / (s 1/2) = A x ( R2/3) 0.134 = (A5/3 ) / (P2/3 )

Yn = 0.39 m. Con este tirante remplazamos en las formulas y obtenemos: Area = 0.321 m² Perimetro= 1.500 m. Radio H. = 0.214 m. Espejo = 1.063 m. V = 2.121 m/s hv = 0.229 m. E=Yn+hv= 0.615 m. Calculo de borde Libre . BL=0.3*Yn= Usaremos :

0.13 m.

(max.)

BL = 0.20 m.

Resultados:

T = 1.06 m. BL= 0.20 m. Yn= 0.39 m.

b = 0.60 m.

DISEÑO DE CANAL


2.- DISEÑO DE LA TRANSICION ENTRE CANAL Y RAPIDA θ=5 tan θ = 0.0875

Longitud de Transición de entrada : Tc = Tr = LT = ( TC - TR)*Cot θ/2

θ

0.60 m.

LT = 5.745 m.

3.- DISEÑO HIDRAULICO DE LA RAPIDA Características de la Rápida Con la ayuda del perfil del terreno se definieron las siguientes carácterísticas: Pendiente S1= 0.115 Tramo L = 8.150 m n = 0.015 (revestido con concreto) b = 1.400 m z = 0.400 (sección de la rápida rectangular) entonces: Tirante Crítico para canal trapezoidal: Q^2/g=((b*Yc+Z*Yc^2))^3 b + 2ZYc iterando Yc= 0.835 0.0 = 1.5 entonces:

Yc = Ac = Vc = hvc= Ec = T=

DISEÑO DE CANAL

0.84 m. 1.448 m² 0.470 m/s 0.011 0.846 m. 2.068 m.


Cálculo de los tirantes de Escur rimiento en la Rápida A la longitud horizont

8.15 m.

se le ha dividido en

20

tramos, cada una 0.408 m.

Las longitudes inclinadas serán: a) Para pendientes S1 0.115 L = √(∆h1^2+∆L^2) L = 0.41 m.

∆h =

∆h1 = 0.047

0.115

0.41 m.

Se aplica el teorema de Bernoulli, mediante el método de incrementos finitos: 2

1

V^2/2g hf Y1 V^2/2g

∆h1

Y2

∆L Confeccionamos la tabla 1.0, teniendo en cuenta que:

∆h1 + Y1 + V1^2/2g = Y2 + V2^2/2g + (Vn/R^(2/3))^2*∆L

…..(A)

El valor de la energía es : E = Y +V^2/2g Por lo tanto el Bernoulli debe cumplirse para la igualdad:

∆h1 + E1 = E2 + hf(1-2) A

C

E

elev. = 84.7 m.s.n.m s1= 0.1150

s2= 0.0799 elev. = 77.26 elev. = KM 2.936

DISEÑO DE CANAL

77.3 m.s.n.m

KM 3+012


8.15

0.00

A

C

E

TABLA 1.0 Teor ema de Ber noulli por tr amos finitos para S1 =0.0799 1 Y

2 A

3 P

4 R

5 R^ (2/3)

6 V

7 V^ 2/2g

8 E

9 hf1

10 E + hf1

0.100 0.110 0.120 0.130 0.140 0.150 0.160 0.170 0.180 0.190 0.200 0.210 0.220 0.230 0.240 0.250 0.260 0.270 0.280 0.290 0.300 0.350 0.400 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000

0.144 0.159 0.174 0.189 0.204 0.219 0.234 0.250 0.265 0.280 0.296 0.312 0.327 0.343 0.359 0.375 0.391 0.407 0.423 0.440 0.456 0.539 0.624 0.800 0.984 1.176 1.376 1.584 1.800

1.615 1.637 1.658 1.680 1.702 1.723 1.745 1.766 1.788 1.809 1.831 1.852 1.874 1.895 1.917 1.939 1.960 1.982 2.003 2.025 2.046 2.154 2.262 2.477 2.692 2.908 3.123 3.339 3.554

0.089 0.097 0.105 0.112 0.120 0.127 0.134 0.141 0.148 0.155 0.162 0.168 0.175 0.181 0.187 0.193 0.200 0.205 0.211 0.217 0.223 0.250 0.276 0.323 0.365 0.404 0.441 0.474 0.506

0.200 0.211 0.222 0.233 0.243 0.253 0.262 0.271 0.280 0.289 0.297 0.305 0.313 0.320 0.327 0.334 0.341 0.348 0.355 0.361 0.368 0.397 0.424 0.471 0.511 0.547 0.579 0.608 0.635

4.722

1.138 0.935 0.781 0.662 0.568 0.492 0.430 0.379 0.336 0.300 0.269 0.243 0.220 0.200 0.183 0.168 0.154 0.142 0.132 0.122 0.113 0.081 0.061 0.037 0.024 0.017 0.012 0.009 0.007

1.238 1.045 0.901 0.792 0.708 0.642 0.590 0.549 0.516 0.490 0.469 0.453 0.440 0.430 0.423 0.418 0.414 0.412 0.412 0.412 0.413 0.431 0.461 0.537 0.624 0.717 0.812 0.909 1.007

0.052 0.038 0.029 0.022 0.017 0.014 0.011 0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.004 0.003 0.003 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.001 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

1.289 1.083 0.930 0.814 0.725 0.656 0.601 0.558 0.524 0.496 0.475 0.458 0.444 0.434 0.426 0.420 0.417 0.414 0.414 0.414 0.415 0.432 0.461 0.537 0.625 0.717 0.813 0.909 1.007

4.281 3.913 3.602 3.336 3.105 2.903 2.725 2.566 2.425 2.297 2.182 2.077 1.982 1.894 1.813 1.739 1.670 1.606 1.547 1.491 1.262 1.090 0.850 0.691 0.578 0.494 0.429 0.378

Tir ante en el t ramo de 75 m, de s1= 0.067

Entonces obtendremos 9 tirantes: Y1 = Y2 = Y3 = Y4 = Y5 = Y6 = Y7 =

DISEÑO DE CANAL

1.850 m. 1.815 m. 1.795 m. 1.780 m. 1.765 m. 1.760 m. 1.755 m.

Yc = 0.835 m. ∆h1 = 0.05 m. ∆L = 0.41 m.


Y8 = 1.747 m. Y9 = 1.739 m. comprobamos según ecuación A: 0.05 + 0.835 +

0.011 = 1.93=

1.850 + 0.002 + 0.000 1.85

###### ###### ###### ###### ###### ###### ###### ######

4.- Cálculo del colchón amortiguador Usaremos el método gráfico el cual consiste en trazar las curvas elevacionestirantes entre las secc iones D-D y E-E y elevaciones tirantes conjugadas menores en el tanque amortiguador. EL punto de intercepción dará la elevación del tanque y el tirante menor, ver FIG.4

a) Cálculo de la curv a I : Donde se produce el tirante Y20 =

1.739 m. ,se tiene :

Y20 = 1.739 m. Estación = 3+012 A = 3.644 m² V = 0.19 m/s V^2/2g = 0.002 cota de fondo = 77.26 m.s.n.m E = 1.741 La elevación de la linea de energía en la estación

3+012 será:

cota de fondo + Energía específica 77.26 + 1.741 = 79.001 Asumiendo tirantes menores a Y20, calculamos a la energía específica para los tirantes asumidos y luego sus respectivas elevaciones respecto a la linea de energía de la estación 3+012

TABLA 2.0 ELEVACIONES - TIRANTES EN EL CANAL DE LA RAPIDA 1 Y(m) 0.600 0.595 0.590 0.585 0.580 0.575 0.570 0.565 0.560 0.555

2 A (m2) 0.984 0.975 0.965 0.956 0.947 0.937 0.928 0.919 0.909 0.900

DISEÑO DE CANAL

3 V (m/s) 0.691 0.698 0.704 0.711 0.718 0.726 0.733 0.740 0.748 0.755

4 5 V^ 2/2g (m Y+ V^ 2/2 0.024 0.025 0.025 0.026 0.026 0.027 0.027 0.028 0.029 0.029

0.624 0.620 0.615 0.611 0.606 0.602 0.597 0.593 0.589 0.584

6 elevación 78.3764 78.3809 78.3855 78.3900 78.3944 78.3989 78.4034 78.4078 78.4123 78.4167


0.550 0.545

0.891 0.882

0.763 0.771

0.030 0.030

0.580 0.575

78.4211 78.4254

a) Cálculo de la curv a II : Elaboramos tabla 3.0 a partir de la ecuación de la cantidad de movimiento. donde:

QV/g + AΫ = M Ϋ = (Y/3)*((2b+T)/(b+T))

TABLA 3.0 TIRANTES - FUERZA ESPECÍFICA Y (m)

A V = Q/A (m2) (m/s)

0.05 0.10 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.86 0.90 1.00 1.20 1.30 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.50 2.80 3.00 3.40

0.071 0.144 0.456 0.624 0.800 0.984 1.176 1.376 1.504 1.584 1.800 2.256 2.496 2.744 3.264 3.816 4.400 5.016 6.000 7.056 7.800 9.384

9.577 4.722 1.491 1.090 0.850 0.691 0.578 0.494 0.452 0.429 0.378 0.301 0.272 0.248 0.208 0.178 0.155 0.136 0.113 0.096 0.087 0.072

QV (m4/s2)

QV/g (m3)

T (m)

Ϋ

A*Ϋ

(m)

(m3)

M (m3)

6.513 3.211 1.014 0.741 0.578 0.470 0.393 0.336 0.307 0.292 0.257 0.205 0.185 0.169 0.142 0.121 0.105 0.092 0.077 0.066 0.059 0.049

0.665 0.328 0.103 0.076 0.059 0.048 0.040 0.034 0.031 0.030 0.026 0.021 0.019 0.017 0.014 0.012 0.011 0.009 0.008 0.007 0.006 0.005

1.44 1.48 1.64 1.72 1.80 1.88 1.96 2.04 2.09 2.12 2.20 2.36 2.44 2.52 2.68 2.84 3.00 3.16 3.40 3.64 3.80 4.12

0.0249 0.0495 0.1461 0.1932 0.2396 0.2854 0.3306 0.3752 0.4026 0.4193 0.4630 0.5489 0.5913 0.6333 0.7163 0.7981 0.8788 0.9585 1.0764 1.1926 1.2692 1.4208

0.0018 0.0071 0.0666 0.1205 0.1917 0.2808 0.3887 0.5163 0.6055 0.6642 0.8333 1.2384 1.4759 1.7379 2.3381 3.0456 3.8667 4.8077 6.4583 8.4149 9.9000 13.3325

0.666 0.335 0.170 0.196 0.251 0.329 0.429 0.551 0.637 0.694 0.860 1.259 1.495 1.755 2.353 3.058 3.877 4.817 6.466 8.422 9.906 13.338

cota de fondo : 77.010 m .s.n.m V^2/2g = 0.229 m. Y = 0.39 m. Nivel de energía 78 m.s.n.m

TABLA 4 : ELEVACIÓN - TIRANTES CONJUGADOS MENORES Y1 (m)

Y2 (m)

DISEÑO DE CANAL

A2 (m2)

V2 = Q/A V2^ 2/2g (m/s) (m)

Y2+V2^2/2g (m)

Elev. Del fondo del tanque


0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

3 2.45 1.80 1.55 1.35 1.25 1.08

7.800 5.831 3.816 3.131 2.619 2.375 1.979

0.0872 0.1166 0.1782 0.2172 0.2596 0.2863 0.3437

0.0004 0.0007 0.0016 0.0024 0.0034 0.0042 0.0060

3.0004 2.4507 1.8016 1.5524 1.3534 1.2542 1.0860

74.6245 75.1742 75.8233 76.0725 76.2715 76.3707 76.5389

Entonces de la fig 4 obtenemos : El tirante conjugado menor Y1 = Elevación del fondo de tanque =

0.465 2.45

m msnm

5.- Comprob ación del funci onamiento d el colchó n:

a) Se aplica la ecuación de la cantidad de mo vim iento, debiendose cumpli rse que:

Q^2/(g*A1) + A1*Ŷ1 = Q/(g*A) + A2Ŷ2 Para :

…………………………………….…….(β)

Y1 = A1 = V1 = T= E1 =

0.47 m. 0.737 m² 0.922 m/s 1.77 m. 0.51 m. Ϋ1 = 0.223

por tanteos: Y2 = A2 = V2 = T=

0.40 m. 0.624 m² 1.090 m/s 1.72 m. Ϋ2 = 0.193

entonces: Y2 = (K/(3b + 2ZY2)^(1/2)

(sección trapezoidal) …………………(θ)

donde: K = 6(Q/g (V1-V2)+P1) Empuje hidrostatico

P1 = bY1^2/2 + Y1^3/3 P1 = 0.184872

Por lo tanto :

K =

1.039

En la ecuación (

Y2 =

0.48 m.

En la ecuación .(β) 0.229 = 0.23

Por ser de consideración la diferencia entonces tomamos otro tirante Y2

DISEÑO DE CANAL


Si : Y2 = A2 = V2 = T= E2 =

0.400 m. 0.624 m² 1.090 m/s 1.72 m. 0.46 m. Ϋ2 = 0.193

En la ecuación .(β) 0.229 = 0.232

OK !

Por lo tanto los tirantes conjugados son :

Y1 =

0.47 m.

Y2 =

0.400 m.

b) Se debe cum plir tam bien la sigui ente relación :

Y2 + V2^2/2g ≤ Altura del colchón + Yn + Vn^2/2g

………………… (α)

Y2 = 0.40 m. V 2 = 1.09 m. Altura del colchón = 74.56 m. Yn = 0.39 m. Vn = 2.12 m/s Luego : remplazando en la ecuación (α) 0.461 <= 75.175 OK ! Se cumple la relación, pero para dar mayor seguridad al funcionamiento hidráulico del colchón, consideramos un 40% de ahogamiento por lo que se tendrá que bajar el nivel del colchón. La profundidad final del colchón será: 0.4E2 = 0.1842 E2 + 0.4 E2 = 0.6448 m. Cota del colchón Profundidad =

77.6249 - 0.64 m. = -0.03 m.

Porcentaje de Ahogamiento: % Ahog

DISEÑO DE CANAL

0.40 =

40.0%

76.980 msnm


Nivel de energía

0.615 m. 0.4 m. 1:05 1 76.98 msnm

0.46 m.

76.95 msnm Y2 = 0.400 m. ######

Lr = 15.00 m.

6.- Longitud del salto hidráulico Para un colchón sin obstáculos, comunmente se toma : Lr = 6 ( Y2 - Y1) Lr = -0.390 m. tomamos :

Lr 15.00 m.

7.- Cálculo de la trayectoria Esta dada por la fórmula:

Y = - [ X tan θ + (X^2*g/(2V^2 Máx))*(1+ tan^2θ) ……………… (ω) θ =

Angulo formado por la horizontal y el fondo del canal de la rápida.

V máx = 1.5 veces la velocidad media al principio de la trayectoria ( estación : 3+012 ) tan θ = pendiente del canal (S) Luego : se tiene S= V= g= Y 20 =

0.080 0.19 m/s 9.81 m/s 1.739 m.

Reemlazando los valores en la ecuación (ω), se obtiene: Y =

-0.080 X - 63.0 X^2

Con la que elaboramos la tabla 5

TABLA 5: COORDENADAS DE LA TRAYECTORIA EN LA RAPIDA

DISEÑO DE CANAL


1 X 0.00 0.50 1.00 1.50 3.00 4.00 4.20 4.50

2 X^ 2

3

4

5 6 63 X^ 2 Y (3+4) levación

0.08 X -

0.00

0.000

0.25

0.03995

15.75282 -15.793 61.467

1.00

0.0799

63.01129 -63.091 14.169

2.25

0.11985

141.78

-141.90 -64.635

9.00

0.2397

567.10

-567.34 -490.081

16.00

0.3196

1008.18

-1008.5 -931.240

17.64

0.33558

1111.52

-1111.9 -1034.59

20.25

0.35955

1275.98

-1276.3 -1199.08

0.00000

0.000 77.260

En la trayectoria se distinguen 2 puntos muy importantes: P.C = Punto de comienzo, que en este caso sería la cota de la estaci 3+012 P.T = Punto terminal, como regla práctica Gómez Navarro, recomienda que esta cota debe ser la misma que la de la superficie normal del agua en el canal aguas abajo, o menor. La altura de la trayectoria será aproximadamente :

DISEÑO DEL DESARENADOR

DISEÑO DE CANAL

0.45 m.


CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO 1. Cálculo del diámetro de las partículas a sedimentar Los desarenadores se diseñan para un determinado diámetro de partícula es decir, que se supone que todas las partículas de diámetro superior al escogido deben depositarse. Por ejemplo, el valor del diámetro máximo de partícula normalmente admitido para plantas hidroeléctricas es de 0.25 mm. En los sistemas de riego generalmente se acepte hasta d = 0.5 mm. 2. Calculo de la velocidad del flujo v en el tanque La velocidad en un desarenador se considera lenta, cuando está comprendida entre 0.20 m/s a 0.60 m/s. La elección puede ser arbitraria o puede realizarse utilizando la fórmula de Camp:

Tabla 1. Diámetro de partículas en función de la altura de caída

Diámetros de partículas (d) que son retenidas en el desarenador (mm) 0.6 0.5 0.3 0.1

Altura de caída(H) (m) 100 - 200 200 - 300 300 - 500 500 - 1000

3. Calculo de la velocidad de caída w (en aguas tranquilas) Para este aspecto, existen varias fórmulas empíricas, tablas y nomogramas, algunas de las cuales consideran: Peso específico del material a sedimentarse: ρs gr/cm3 (medible) Peso específico del agua turbia: ρw gr/cm3 (medible)

Así se tiene: 3.1 Tabla 3 preparada por Arkhangelski, la misma que permite calcular w (cm/s) en función del diámetro de partículas d (en mm) 3.2 La experiencia generado por Sellerio, la cual se muestra en el nomograma de la figura 2, la misma que permite calcular w (en cm/s) en función del diámetro d (en mm).

DISEÑO DE CANAL


Figura 2. Experiencia de Sellerio Tabla 3. Velocidades de sedimentación w calculado por Arkhangelski (1935) en función del diámetro de partículas d (mm) 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.70 0.80 1.00 2.00 3.00 DISEÑO DE CANAL

w (cm/s) 0.178 0.692 1.560 2.160 2.700 3.240 3.780 4.320 4.860 5.400 5.940 6.480 7.320 8.070 9.44 15.29 19.25


5.00

24.90

3.3 La fórmula de Owens:

Donde: w = velocidad de sedimentación (m/s) d = diámetro de partículas (m) Ρs = peso específico del material (g/cm3)

k = constante que varía de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos, sus valores se muestran en la tabla 4.

3.4. La experiencia generada por Sudry, la cual se muestra en el nomograma en la figura 3, en la misma que permite calcular la velocidad de sedimentación w (en m/s) en función del diámetro (en mm) y del peso específico del agua (ρw en gr/cm3).

3.5 La fórmula de Scotti. Folglieni

Donde: w = velocidad de sedimentación (m/s) d = diámetro de la partícula Para el cálculo de w de diseño se puede obtener el promedio de los ws con los métodos enunciados anteriormente. En algunos casos puede ser recomendable estudiar en el laboratorio la fórmula que rija las velocidades de caída de los granos de un proyecto específico.

DISEÑO DE CANAL


4. Cálculo de las dimensiones del tanque Despreciando el efecto del flujo turbulento sobre la velocidad de sedimentación, se puede plantear las siguientes relaciones:

DISEÑO DE CANAL


En el cálculo de los desarenadores de bajas velocidades se puede realizar una corrección, mediante el coeficiente K, que varía de acuerdo a las velocidades de escurrimiento en el tanque, es decir:

Donde K se obtiene de la tabla 5.

Tabla 5. Coeficiente para el cálculo de desarenadores de baja velocidad

DISEÑO DE CANAL


En los desarenadores de altas velocidades, entre 1 m/s a 1.50 m/s, Montagre, precisa que la caída de los granos de 1 mm están poco influenciados por la turbulencia., el valor de K en términos del diámetro, se muestran en la tabla 6.

El largo y el ancho de los tanques pueden en general, construirse a más bajo costo que las profundidades, en el diseño se deberá adoptar la mínima profundidad práctica, la cual pa ra velocidades entre 0.20 y 0.60 m/s, puede asumirse entre 1.50 y 4.00 m. Proceso de cálculo de las dimensiones del tanque El proceso de cálculo se puede realizar de la siguiente manera: 1. Asumiendo una profundidad (por ejemplo h = 1.50 m)

DISEÑO DE CANAL


5. Cálculo de la longitud de transición La transición debe ser hecha lo mejor posible, pues la eficiencia de la sedimentación depende de la uniformidad de la velocidad en la sección transversal, para el diseño se puede utilizar la fórmula de Hind:

6. Cálculo de la longitud del vertedero Al final de la cámara se construye un vertedero sobre el cual pasa el agua limpia hacia el canal. Mientras más pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastran.

DISEÑO DE CANAL


CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. Se logró hacer el rediseño del canal JESUS-CHUCO, a partir de los datos tomados en campo 2. Se logró diseñar estructuras correspondientes al canal como transición, rápidas y desarenadores. 3. Se elaboraron una serie de planos que detallaran mejor lo realizado en campo y gabinete. 4. La importancia de diseñar bien una estructura hidráulica radica en su buen funcionamiento y durabilidad que esta tenga a futuro. Recomendaciones 1. Tener en cuenta los parámetros y coeficientes utilizados en las formulas empíricas para el diseño del canal.

BIBLIOGRAFIA

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA.- Ing. Edgar Gustavo Sparrow Alamo UNIVERSIDAD NACIONAL DEL VALLE.- Ing. José Luis García Vélez – Diseño de estructuras hidráulicas. MANUAL DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS.- Ing. Hugo Amado Rojas Rubio – Lineamientos para el diseño de tomas de captación. AUTORIDAD NACIONAL DEL AGUA. http://www.slideshare.net/LuisSantillanTafur/bocatoma es.scribd.com/doc/179885343/informe-estructural-pdf http://www.slideshare.net/jorgeberrios7737/b-26624232

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Apuntes de clase

DISEÑO DE CANAL


PLANOS DISEÑO DE CANAL

Canal Chuco Jesús

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