INTRODUCCION El presente trabajo consiste en observar y analizar el funcionamiento que tiene las obras hidráulicas como son: el el canal de sección trapezoidal, el puente canal y la rápida ubicado en el distrito de Concepción. Tambin realizaremos cálculos respectivos a los datos obtenidos de campo para conse!uir el caudal, velocidad, área del canal, borde libre. E"plicaremos las consideraciones de cada elemento o forma de las estructuras en base a las cual fueron dise#adas. $inalizaremos con las conclusiones que pudimos obtener de este trabajo de investi!ación en el cual hemos aplicado los conceptos obtenidos teóricamente.
1. OBJ OBJETIV ETIVO O •
El objetivo es el de tener conocimiento en campo acerca de obras hidráulicas en este caso de la infraestructura de rie!o de Canales de %rri!ación de la
•
&ar!en %zquierda del '(o &antaro )C%&%'&*. +plicar en campo los conocimientos teóricos adquiridos y as( completar completar nuestra formación profesional.
2. GENERA GENERALIDAD LIDADES: ES: 2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5. 2. 5.
LUGAR:
Canal CIMIR - tramo La Esperanza
FECHA: Sábado 30, de Mao!
UBICACION: La Esperanza, Con"ep"#$n
CLIMA: Soleado
EQUIPO UIPOS S E INST INSTR RUME UMENTOS: C#nta M%tr#"a &le'$metro ()S Esta"#$n *r+la
3. MAR MARCO CO TEÓRICO: TEÓRICO: 3.1. 3. 1.
FLUJ FLUJO O EN EN CAN CANAL ALES ES ABIE ABIER RTOS TOS
El flujo de canales abiertos tiene lu!ar cuando los l(quidos fluyen por la acción de la !ravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido. En el flujo de canales abiertos, el l(quido que fluye tiene superficie libre y sobre l no acta otra presión que la debida a su propio peso y a la presión atmosfrica. El flujo en canales abiertos tambin tiene lu!ar en la naturaleza, como en r(os, arroyos, etc., si bien en !eneral, con secciones rectas del cauce irre!ulares. -e forma artificial, creadas por el hombre, tiene lu!ar en los canales, acequias, y canales de desa!e. E n la mayor(a de los casos. /os canales tienen secciones rectas re!ulares y suelen ser rectan!ulares, trian!ulares o trapezoidales. Tambin tienen lu!ar el flujo de canales abiertos en el caso de conductos cerrados, como tuber(as de sección recta circular cuando el flujo no es a conducto lleno. En los sistemas de alcantarillado no tiene lu!ar, por lo !eneral, el flujo a conducto lleno, y su dise#o se realiza como canal abierto.
3.2.
EL FLUJO SE CLASIFICA COMO:
$r01, $lujo subcr(tico o tranquilo, tiene una velocidad relativa baja y la profundidad es relativamente !rande, prevalece la ener!(a potencial. Corresponde a un r!imen de llanura. $r21, $lujo cr(tico, es un estado teórico en corrientes naturales y representa el punto de transición entre los re!(menes subcr(tico y supercr(tico. $r31, $lujo supercr(tico o rápido, tiene una velocidad relativamente alta y poca profundidad prevalece la ener!(a cintica. 4ropios de cauces de !ran pendiente o r(os de monta#a.
3.3.
FLUJO PERMANENTE Y UNIFORME
El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. /a profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. En el caso especial de flujo uniforme y permanente, la l(nea de alturas totales, la l(nea de altura piezomtricas y la solera del canal son todas paralelas, es decir, son todas i!uales sus pendientes. /a caracter(stica principal de un flujo permanente y uniforme en canales abiertos es que la superficie del fluido es paralela a la pendiente del canal, es
decir, dy5d" 2 6 o la profundidad del canal es constante, cuando la pendiente final )7f* es i!ual a la pendiente inicial )7o* del canal. Estas condiciones se dan comnmente en canales lar!os y rectos con una pendiente, sección transversal y un revestimiento de las superficies del canal homo!neo, caso tipito en re!ad(os. En el dise#o de canales es muy deseable tener este tipo de flujo ya que si!nifica tener un canal con altura constante lo cual hace más fácil dise#ar y construir. /as condiciones de flujo permanente y uniforme solo se pueden dar en canales de sección transversal prismáticas, es decir, cuadrada, trian!ular, trapezoidal, circular, etc. 7i el área no es uniforme tampoco lo será el flujo. /a apro"imación de flujo uniforme implica que la velocidad es uniforme es i!ual a la velocidad media del flujo y que la distribución de esfuerzos de corte en las paredes del canal es constante. 8ajo las condiciones anteriores se pueden obtener las si!uientes relaciones, denominadas relaciones de Chezy9&annin!, para la velocidad y el caudal ;:
-onde: •
•
<: alor constante se!n las unidades a utilizar. +c: =rea de la sección del Canal.
•
'h: 'adio hidráulico de la sección.
•
7o: 4endiente del $ondo del Canal.
•
n: Coeficiente de &anni!
En la tabla anterior se observan los valores para el coeficiente de &anni! )n* donde, como se mencionó > vale 1.6 y 1.?@ para el sistema internacional )7%* y el británico respectivamente, en se denomina coeficiente de &annin! y depende del material de la superficie del canal en contacto con el fluido. En muchos canales artificiales y naturales la ru!osidad de la superficie del canal, y por lo tanto el coeficiente de &annin!, varia a lo lar!o del per(metro mojado de este. Este es el caso, por ejemplo, de canales que tienen paredes de concreto armado y con un fondo de piedra, el caso de r(os en pocas de bajo flujo la superficie es completamente de piedras y en pocas de crecidas parte del rió fluye por la ladera del rió, compuesto !eneralmente por piedras, arbustos, pasto, etc. 4or lo tanto, e"istirla una ru!osidad efectiva que debe ser una combinación de las distintas ru!osidades e"istentes. Ana forma de solucionar este tipo de problemas es dividir el canal tantas secciones como tipos de materiales de pared e"istan y analizar cada división en forma aislada. Cada una de las secciones tendr(a su propio per(metro mojado 4i, un área +i y coeficiente de &annin! ni. /os 4i no deben incluir los l(mites ima!inarios entre las distintas secciones !eneradas al dividir la superficie ori!inal. Este mtodo tambin es conocido como B&todo de superposición para per(metros no uniformes.
3.4.
GEOMETRIA DEL CANAL
An canal con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. -e otra manera, el canal es no prismáticoD un ejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo. +l menos que se indique espec(ficamente los canales descritos son prismáticos. El trapecio es la forma más comn para canales con bancas en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para la estabilidad. El rectán!ulo y el trián!ulo son casos especiales del trapecio. -ebido a que el rectán!ulo tiene lados verticales, por lo !eneral se utiliza para canales construidos para materiales estables, como mamposter(a, roca, metal o madera. /a sección transversal solo se utiliza para peque#as asqueas, cunetas o a lo lar!o de carreteras y trabajos de laboratorio. El c(rculo es la sección más comn para alcantarillados y alcantarillas de tama#o peque#o y mediano. /os elementos !eomtricos de una sección de canal son propiedades que estarán definidas por completo por la !eometr(a de la sección y la profundidad del flujo del canal. Estos elementos son muy importantes para el estudio de los flujos en canales abiertos y las e"presiones más caracter(sticas son las si!uientes: 'h2 +c54 -onde 'h es el radio hidráulico en relación al área mojada )+c* con respecto su per(metro mojado )4*. c 2 +c5b /a profundidad hidráulica - es relación entre el área mojada y el ancho de la superficie.
3.5.
EFICIENCIA EN CANALES ABIERTOS
7e conoce que los sistemas de canales abiertos se dise#an con el fin de trasportar l(quidos desde un lu!ar determinado hasta otro con una altura de cota menor a la inicial, manteniendo un caudal o una razón de flujo constante bajo la influencia de la !ravedad al menor precio posible. -ebido a que no es necesario la aplicación de ener!(a al sistema el costo de construcción se traduce al valor inicial una vez comenzados los trabajos, traducindose en el tama#o f(sico de la obra, por tal razón para una lon!itud establecida el per(metro de la sección representara tambin el costo del sistemaD por lo cual debe mantenerse al m(nimo para no incrementar los costos y los tama#os de la sección. -ebido a lo anteriormente mencionado, la eficiencia de un canal tiene relación con encontrar un área de paso )+c* m(nima para transportar un caudal );* dado, con una pendiente del canal )7o* y coeficiente de &annin! )n* dados. 4or lo cual, escribiendo el radio hidráulico como 'h 2 +c54 la ecuación de caudal se puede reescribir de la si!uiente forma:
-espejando el área )+*
-onde la cantidad entre parntesis es constante. /a ecuación anterior indica que un área de paso m(nima está asociada a un per(metro mojado m(nimo y por lo tanto las necesidades de e"cavación como de material, para cubrir las superficies del canal, son m(nimas, influyendo directamente en los costos de construcción
como
se
mencionó
anteriormente.
/a forma con el per(metro m(nimo por unidad de área es el c(rculo, por lo tanto tomando en cuenta la m(nima resistencia del flujo en esta sección, la mejor sección transversal para un canal abierto es el semic(rculo. 7in embar!o en el campo de la construcción resulta más económico construir un canal con lados rectos como las secciones trapezoidales o rectan!ulares en vez de un
semic(rculo, lo que lleva a analizar cual de las diferentes secciones a utilizar es la más conveniente para el sistema. 3.6. SECCIONES RECTANGULARES Cr#ter#o para meor se""#$n trans.ersal /#drál#"a para "anal re"tan1lar2
3..
C!"!#$% T&!'$()*+!#
%$4ara canales trapezoidales se toman los mismos criterios para la sección hidráulica más eficiente:
Como conclusión se puede decir que la mejor sección transversal hidráulica para un canal abierto es la que tiene el má"imo radio hidráulico o, proporcionalmente, la que tiene menor per(metro mojado para una sección transversal especifica.
3.,.
ENERGIA EN CANALES ABIERTOS
En hidráulica se sabe que la ener!(a total d el a!ua en metrosF>ilo!ramos por >ilo!ramos de cualquier l(nea de corriente que pasa a travs de una sección de canal puede e"presarse como la altura total en pies de a!ua, que es i!ual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad. Ener!(a de un flujo !radualmente variado en canales abiertos.
4or ejemplo, con respecto al plano de referencia, la altura G de una sección 6 que contiene el punto + en una l(nea de corriente del fluido de un canal de pendiente alta, puede escribirse como:
-e acuerdo con el principio de conservación de ener!(a, la altura de ener!(a total en la sección 1 localizada a!uas arriba debe de ser i!ual a la altura de ener!(a total en la sección H localizada a!uas abajo más la prdida de ener!(a hf entre las dos secciones, ver fi!ura.
Esta ecuación es apli cable a flujos paralelos o !radualmente variados. 4ara un canal de pendiente peque#a, esta se convierte en
3.-.
ENERGIA ESPECFICA
/a ener!(a espec(fica en una sección de canal se define como la ener!(a de a!ua en cualquier sección de un canal medida con respecto al fondo de este.
I, para un canal de pendiente peque#a y 21, la ecuación se convierte en
/a cual indica que la ener!(a espec(fica es i!ual a la suma de la profundidad del a!ua más la altura de velocidad. 4ara propósitos de simplicidad, el si!uiente análisis se basará en un canal de pendiente peque#a. Como 2;5+, puede escribirse como E2yJ;H5H!+H. 4uede verse que, para una sección de canal y caudal ; determinados, la ener!(a espec(fica en una sección de canal sólo es función
de
la
profundidad
de
flujo.
Cuando la profundidad de flujo se !ráfica contra la ener!(a para una sección de canal y un caudal determinados, se obtiene una curva de ener!(a espec(fica, como se muestra en la si!uiente fi!ura. Esta curva tiene dos ram as, +C y 8C. /a rama +C se apro"ima asintóticamente al eje horizontal hacia la derecha. /a rama 8C se apro"ima a la l(nea I- a medida que se e"tiende hacia arriba y hacia la derecha. /a l(nea I- es una l(nea que pasa a travs del ori!en y tiene un án!ulo de inclinación. 4ara un canal de pendiente alta, el án!ulo de inclinación de la l(nea I- será diferente de ?KL. En cualquier punto 4 de esta curva, la ordenada representa la profundidad y la abscisa representa la ener!(a
espec(fica, que es i!ual a la suma de la altura de presión MyM y la altura de velocidad H5H!. en Te ChoN )1@@?*. Curva de ener!(a especifica
/a curva muestra que, para una ener!(a espec(fica determinada, e"isten dos posibles profundidades, la profundidad baja y1 y la profundidad alta yH. /a profundidad baja es al profundidad alterna de la profundidad alta, y viceversa. En el punto C, la ener!(a espec(fica es m(nima. 4or consi!uiente, en el estado cr(tico es claro que las dos profundidades alternas se convierten en una, la cual es conocida como profundidad cr(tica yc. Cuando la profundidad de flujo es mayor que la profundidad cr(tica, la velocidad de flujo es menor que la velocidad cr(tica para un caudal determinado y, por consi!uiente, el flujo es subcr(tico. Cuando la profundidad de flujo es menor que la profundidad cr(tica, el flujo es subcr(tico. 4or tanto, y1 es la profundidad de un flujo supercr(tico y yH es la profundidad de un flujo supercr(tico. en Te ChoN )1@@?*
3.1/. RESALTO HIDRAULICO O SALTO HIDRAULICO El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del a!ua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de a!ua que fluye a elevada velocidad. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lu!ar un cambio violento del r!imen de flujo, de supercr(tico
a
subcr(tico.
Este involucra una prdida de ener!(a relativamente !rande mediante disipación en el cuerpo turbulento de a!ua dentro del resalto. En consecuencia, el contenido de ener!(a en el flujo despus del resalto es apreciablemente menor que el de antes del mismo.
/a profundidad antes del resalto es siempre menor que la profundidad despus del resalto. /a profundidad antes del resalto se conoce como profundidad inicial y1, y despus del resalto se conoce como profundidad final yH. 4ara flujo supercr(tico en un canal horizontal, la ener!(a de flujo se disipa a travs de la resistencia a la fuerza de fricción a lo lar!o del canal, dando como resultado un descenso en la velocidad y un incremento en la profundidad en la dirección del flujo. El resalto hidráulico se formará en el canal si el nmero de $roude $1 del flujo, la 4rofundidad de flujo y1 y la profundidad yH a!uas abajo satisfacen la ecuación de razón de profundidades:
El nmero de $roude siempre es mayor que la unidad antes del resalto y menor que la unidad despus de l.
7i
$1
3
1
$lujo
7upercr(tico
3.11. FLUJO NO UNIFORME DE VARIACIÓN GRADUAL /os $lujos en un canal se caracterizan por la velocidad media, aun cuando e"ista un perfil de velocidad en una sección dada. El flujo se clasifica en una combinación de continuo o discontinuo, y de uniforme o no uniforme. /os flujos no uniforme de variación rápida que sucede en tramos relativamente cortos o en transiciones de canales abiertos y /os flujos no uniforme de variación !radual, donde la superficie del a!ua se mantiene continuamente tranquila, la diferencia entre los dos es que en el flujo de variación rápida, las prdidas son a menudo son i!noradas si consecuencias severas, mientras que en el flujo de variación !radual, es necesario incluir las prdidas provocadas por esfuerzos cortantes distribuidos a lo lar!o del canal. El esfuerzo cortante es el mecanismo que ofrece mayor resistencia al flujo. En tramos relativamente cortos, llamados transición, es cuando hay un cambio rápido de profundidad y de velocidad este tipo de flujo se denomina flujo de variación rápida, pero tambin a lo lar!o de tramos más e"tensos de un canal es posible que la velocidad y la profundidad no var(en con rapidez, sino más bien que cambien lentamente. En este caso la superficie se considera como continua y el r!imen se llama flujo de variación !radual, al!unos ejemplo de este tipo de flujo son el a!ua de rechazo creada por un dique colocado en un r(o, y el abatimiento de una superficie de a!ua conforme se apro"ima a una catarata.
3.12. ECUACION DIFERENCIAL PARA FLUJO DE VARIACION GRADUAL El flujo de variación !radual es un tipo de flujo continuo no uniforme en el cual la velocidad )v* y la profundidad )y*, no sufren cambios rápidos o repentinos, sino que var(an tan !radualmente que la superficie del a!ua se puede considerarse continua. 4or consi!uiente es posible desarrollar una ecuación diferencial que describa la variación incremental de la profundidad )y* con respecto a la distancia )/* a lo lar!o del canal. An análisis de esta relación permite predecir las diversas tendencias que el perfil de la superficie de a!ua asume basado en la !eometr(a del canal, la ma!nitud de la descar!a y las condiciones limites conocidas. + lo lar!o de la distancia incrementa, se sabe que la profundidad )y* la velocidad )v* cambian lentamente. /a pendiente de la l(nea de ener!(a se desi!na como 7, en contraste con el flujo uniforme, las pendientes de la l(nea de ener!(a, la superficie del a!ua y el fondo del canal ya no son paralelas. Como los cambios de profundidad )y* y velocidad )v* son !raduales, la perdida de ener!(a a lo lar!o de la lon!itud incremental. /a ecuación de ener!(a se aplica del lu!ar 1 al lu!ar H, con el trmino de perdida h/. 7i la ener!(a total en el lu!ar H se e"presa como la ener!(a en el lu!ar 1 más el cambio de ener!(a incremental a lo lar!o de la distancia o mejor dicho que para estudiar el flujo no uniforme en canales abiertos se debe desarrollar una ecuación que relacione la /on!itud, la ener!(a y la pendiente. +plicando la ecuación de la ener!(a entre las secciones 1 y H en la dirección del flujo, tomando como referencia la sección inferior a la solera del canal, se obtiene )y1Jz1Jv1H5H!* 9 h/ 2 )yHJzHJvHH5H!* /a pendiente de la l(nea de alturas totales 7 es h/5/: entonces h/27/. /a pendiente de la solera del canal 7oes )z1 9 zH*5/: z1 9 zH 2 7o/, rea!rupando y sustituyendo. 7o/ J )y1 9 yH * J)v1H5H! 9 vHH5H!*2 7/ -espejando /, se obtiene
4ara
sucesivos
tramos
donde
los
cambios
de
profundidad
son
apro"imadamente los mismos el !radiente de ener!(a 7 puede escribirse as(: 72 )n media 5'H5O medio*H o Hmedia5CH' medio /os perfiles superficiales para condiciones de flujo !radualmente variable en canales rectan!ulares anchos pueden analizarse empleando la e"presión dy 27o97 d/)1 F H 5!y* Esta es la ecuación diferencial para flujo de variación !radual y es valida para cualquier canal de forma re!ular. El termino dy5d/ representa la pendiente de la superficie libre del a!ua en relación con la solera del canal, as( pues dy5d/ es positivo, la profundidad aumenta a!uas abajo.
4. MEDICIÓN Y CALCULO SECCIÓN DEL CANAL
Conducto:
Es el elemento sobre el cual fluye el a!ua y puede ser construido con diversos materiales, las secciones transversales más usadas es la sección rectan!ular. /a prdida de car!a en el canal, es la prdida de ener!(a dinámica del fluido debido a la fricción de las part(culas del fluido entre s( y contra las paredes de la tuber(a que las contiene. 4ueden ser continuas, a lo lar!o de conductos re!ulares, o accidental o localizada, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una válvula, etc.
Conducto abierto de forma rectangular arriostrado transversalmente y espaciado
Reduce los momentos ocasionados por la presión del agua hacia las paredes del conducto
4#1a "orona 5e "bren las ntas de d#lata"#$n!
Tiene las si!uientes medidas:
8!00
6!00
0!70 9!00
CALCULOS Y RESULTADOS
Ancho superfc!": T2P.66 #e"ocd!d: 2H.K@m5s C!ud!": ;2 1.@6 mO5s
5. CONCLUSIONES:
El sistema de rie!o empleado es por !ravedad, inundación para la preservación del terreno, por suncos y mel!as, en el rie!o de cultivos, no es necesario la instalación de sistemas de drenaje, ya que los suelos presentan drenaje interno bueno, as( como la pendiente favorable.
El sistema actual debe ser mejorado, con la instalación de compuertas de control y el revestimiento de tramos que presentan prdidas por filtración, as( mismo se requiere de un mantenimiento total de los canales, uniformizándose la sección en ciertos tramos.
Tambin concluimos que no se pudo observar los tipos de resalto hidráulicos ya que no se encontraba al 166Q de su funcionamiento del canal de C%&%'.
0. ANEOS
&oto 6 med#"#$n el an"/o sper:"#al del "anal CIMIRM
$oto H. /evantamiento topo!ráfico del canal C%&%'&
$oto O: levantamiento topo!ráfico
$oto ?: inte!rantes del !rupo
. B*#*)&!! 1.F B&EC+R%C+ -E /I7 $/A%-I7 E G%-'+A/%C+ 'anald Siles, Chen! /iu. 7erie 7haum. H.FB-%7EI -E C+R+/E7 %nforme de la Aniversidad de Ravarra, Espa#a. O.FBG%-'=A/%C+ -E /I7 C+R+/E7 +8%E'TI7. ER TE CGIU. E-%TI'%+/ -%+R+. &VW%CI. )OOFOX 4p.*
