“AÑO DE LA INVERSION PARA EL DESARROLLO RURAL Y SEGURIDAD ALIMENTARIA”
UNIVERSIDAD CÉSAR VALLEJO
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL ASIGNATURA
: HIDRAULICA
DOCENTE
: DANIEL DIAZ PEREZ
ALUMNO
: POOL PIERO VALERA ESPINO
SEMESTRE
: 2013 – II II
CICLO
: VII
FECHA
: 02/10/2013
TARAPOTO – PERÚ PERÚ
AGRADECIEMIENTO Agradezco a la Universidad César Vallejo y a todo su plantel docente de la Carrera Ingeniería Civil por brindarnos los medios y conocimientos necesarios para acceder a una formación académica que nos permitirá desempeñarnos profesionalmente en el futuro próximo. En especial quiero agradecerle todo el apoyo recibido y buena predisposición totalmente desinteresada, por nuestro profesores quienes nos guiaron durante todo este proceso ofreciéndonos sus conocimientos y horas de su tiempo. Finalmente un agradecimiento especial al ingeniero Daniel Díaz Pérez, el cual nos está guiando en el curso de hidráulica en el presente semestre universitario.
DEDICATORIA El presente trabajo va dedicado a todos los docentes de ingeniería civil de la Universidad César Vallejo, así como también a mis papás que siempre me han apoyado y que forman una gran parte dentro de mi investigación a mí porque obviamente soy el autor de este trabajo donde plasmo todo mi esfuerzo y a todos con los que me han apoyado con esta investigación.
RESUMEN En el presente trabajo se da a conocer las consideraciones prácticas para el diseño de canales con un ejercicio de aplicación para su mejor entendimiento.
CONSIDERACIONES PRACTICAS PARA EL DISEÑO DE CANALES
A nivel de parcela lo mas generalizado es encontrarnos con canales de tierra de sección trapezoidal (Figura 2.22) por lo cual las recomendaciones que se proporcionan estarán orientadas más a estos tipos de canales.
FIGURA 2.22. Elementos geométricos de un canal
El diseño de un canal implica darle valor numérico a las siguientes especificaciones técnicas
Q = Caudal (m3/s) V = Velocidad media del agua (m/s) S = Pendiente (m/m) n = Coeficiente de rugosidad Z = Talud b = ancho de solera (m) y = Tirante (m) A = Área hidráulica (m2) BL = H-y = Bordo libre (m) H = Profundidad total desde la corona al fondo del canal (m) C = Ancho de corana (m)
CAUDAL (Q) Para el diseño de un canal a nivel parcelario, el caudal tiende que ser un dato de partida, que se puede calcular con base el módulo de riego (l/s/ha), y el caudal que resulte de las pérdidas por infiltración durante la conducción. En el caso de que el canal sirva para evacuar los excedentes de las aguas pluviales, el caudal de diseño se calcula tomando en cuenta las consideraciones hidrológicas. En cualquiera de los casos, por lo general, lo que se busca es encontrar las dimensiones del canal, para conducir el caudal determinado de acuerdo con las necesidades de uso para riego, drenaje, hidroeléctrico o poblacional.
VELOCIDAD MEDIA EN LOS CANALES (V) La velocidad media se puede determinar por medio de la fórmula de Manning:
⁄⁄
La velocidad en los canales varían en un ámbito cuyos límites son: la velocidad mínima, que no produzca depósitos de materiales sólidos en suspensión (sedimentación) las velocidades superiores a los valores máximos permisibles, modifican las rasantes y crean dificultades en el funcionamiento de las estructuras del canal. A la inversa, la sedimentación debida a velocidades muy bajas provoca problemas por embancamiento y disminución de la capacidad de conducción, y origina mayores gastos de conservación. Se han encontrado muchos resultados experimentales sobre estos límites, para canales alojados en tierra, en general están comprendidos entre 0.30 y 0.90 m/s. El cuadro 2.4 proporciona el rango de velocidades máximas recomendadas, en función de las características del material en el cual están alojados.
PENDIENTE ADMISIBLE EN CANALES DE TIERRA (S) La pendiente, en general, debe ser la máxima que permita dominar la mayor superficie posible de tierra y que, a la vez, de valores para la velocidad que no causen erosión del material en el que está alojado el canal, ni que favorezcan el depósito de azolve. CUADRO 2.4 Velocidades máxi mas recomendadas en funci ón de la car acterísti ca de los suelos
Nota:
Características de los suelos
Velocidades m/s
Canales en tierra franca Canales en tierra arcillosa Canales revestidos con piedras y mezcla Canales con manipostería de piedra y concreto Canales revestidos con concreto Canales en roca Pizarra areniscas consolidadas rocas duras, granito, etc
0.60 0.90 1.00 2.00 3.00 1.25 1.50 3 a5
Resulta práctico durante los cálculos, no darse valores de velocidad, sino chequearlos ya sea aplicando las fórmula de Manning o la ecuación de continuidad, de tal manera que los resultados obtenidos estén dentro del rango recomendado
La pendiente, en general, debe ser la máxima admisible, para canales de tierra varía según la textura; en el cuadro 2.5 se muestran las pendientes máximas recomendadas en función del tipo de suelo CUA DRO 2.5 Pendi ente admisible en f un ción del tipo de suelo
Tipo de suelo
pendiente (s) 0
Suelos sueltos Suelos francos Suelos arcillosos Notas
/00
0.5-1.0 1.5-2.5 3.0-4.5
1) Durante el diseño no necesariamente se deben tomar estos valores máximos. 2) Cuando la velocidad resulta erosiva, reducir la pendiente produce una sensible velocidad.
disminución de la
TALUDES (Z) Los taludes se definen como la relación de la proyección horizontal a la vertical de la inclinación de las paredes laterales. La inclinación de las paredes laterales depende en cada caso particular de varios factores, pero muy particularmente de la clase de terreno en donde están alojados. Mientras mas inestable sea el material, menor será el ángulo de inclinación de los taludes. En el cuadro 2.6 se indican los valores de los taludes recomendados para distintos materiales.
CUA DRO 2.6 Talu des recomendados en fu nción del material Talud Z :1 (hor izontal verti cal)
Características de los suelos profundos
Canales pocos profundos
Roca en buenas condiciones Arcillas compactas o Limos arcillosos Limoso arenoso Arenas sueltas
Vertical 0.5 : 1 1:1 15 : 1 2 :1
Canales
0.25 :1 1 :1 1.5 :1 2 :1 3 :1
COEFICIENTE DE RUGOSIDAD (n) En forma práctica, los valores del coeficiente de rugosidad que se usan para el diseño de canales alojados en tierra están comprendidos entre 0.025 y 0.030, y para canales revestidos de concreto se usan valores comprendidos entre 0.013 y 0.015. En el cuadro 2.2 se proporcionan los valores comprendidos de n dados por Hartón para ser empleados en las fórmulas de Kutter y Manning, para una gran variedad de materiales
ANCHO DE SOLERA (b) Resulta muy útil para cálculos posteriores fijar de antemano un valor para el ancho de solera, plantilla o base, con lo cual se pueden manejar con facilidad las fórmulas para calcular el tirante. Una forma práctica de fijar el ancho de solera, se basa en el caudal, y se muestra en el cuadro 2.7 Para canales pequeños, el ancho de solera estará en función del ancho de la pala de la maquinaria disponible para la construcción.
CUA DRO 2.7 An cho de solera en fun ción del caudal
Caudal Q m /s Menor de 0.100 Entre 0.100 y 0.200 Entre 0.200 y 0.400 Mayor de 0.400
Solera b m 0.30 0.50 0.75 1.00
TIRANTE (Y) Una regla empírica generalmente usada en los Estados Unidos, establece el valor máximo de la profundidad de los canales de tierra según la siguiente relación:
√ Y en la india:
Donde: y = tirante hidráulico (m) A = área de la sección transversal (m2)
Otros establecen:
Donde: b = ancho de solera o base
También puede usárselas relaciones:
a) Sección de máxima eficiencia hidráulica:
b) sección de mínima infiltración
c) valor medio de las dos anteriores
AREA HIDRAULICA (A) Se obtiene usando la relación geométrica:
() Una vez calculado el ancho de solera, talud y el tirante. También se obtiene usando la ecuación de continuidad:
Conocidos el caudal y la velocidad
BORDO LIBRE (BL) En la determinación de la sección transversal de los canales, resulta siempre necesario dejar cierto desnivel entre la superficie libre desagua para el tirante normal y la corona de los bordos, como margen de seguridad, a fin de absorber los niveles extraordinarios que puedan presentarse por encima del caudal de diseño del canal:
“L” a práctica corriente es dejar un bordo libre o resguardo igual a un tercio del tirante, es decir:
Existen también otros criterios prácticos para designar el valor del bordo libre. En relación con el caudal se tiene:
Caudal m3/s Menores que 0.50 Mayores 0.50
Bordo libre m 0.30 0.30
En relación con el ancho de solera se tiene;
Ancho de solera m Hasta 0.80 de 0.80 a 1.50 de 1.50 a 3.00 de 3.00 a 20.00
Bordo libre m 0.40 0.50 0.60 1.00
PROFUNDIDAD TOTAL (H) La profundidad total del canal se encuentra una vez conocido el tirante de agua y el bordo libre, es decir:
En forma práctica, para su construcción esta profundidad total se suele redondear, asumiendo su variación el valor del bordo libre.
ANCHO DE CORONA (C) El ancho de corona de los bordos de los canales en su parte superior dependen esencialmente del servicio que estos habrán de prestar. En canales grandes se hacen suficientemente anchos, 6.50 m. como mínimo, para permitir el tránsito de vehículos y equipos de conservación a fin de facilitar los trabajos de inspección y distribución del agua. En canales más pequeños el ancho superior de la corona puede diseñarse aproximadamente igual al tirante del canal. En función del caudal se puede considerar un ancho de corona de 0.60 m. para caudales menores de 0.50 m3/s y 1.00 m para caudales mayores. NOTA IMPORTANTE
Las consideraciones prácticas mencionadas anteriormente deben tomarse solamente como valores referenciales para dar inicio al diseño de canales y no como valores finales de diseño, estos se obtendrán solo después de realizar los chequeos correspondientes, usando la fórmula de Manning y 1 ecuación de continuidad .
PROBLEMA RESUELTO Usted está encargado del diseño de un canal de conducción, que servirá para regar una superficie de 300 ha con un módulo de riego de 1.5 1/s/ha. 1) De acuerdo con el trazo en el plano topográfico, éste está localizado en un terreno de pendiente suave. 2) De las muestras realizadas en el campo, en la zona donde está localizado el eje del canal, se obtuvo una predominancia de un suelo limo-arcilloso. Indicar los elementos necesarios para el diseño.
SOLUCIÓN: Datos: Q = 1.5 1/s/ha x 300 ha = 450 1/s = 0.45m3/s De acuerdo con el cuadro 2.5, para suelos arcillosos la pendiente máxima admisible varía entre 3.0 y 4.5 0/00; como el terreno es de pendiente suave se puede tomar S = 1 0/00 = 0.001 valor que no sobrepasa los límites indicados. Una mejor opción es ver en el plano la pendiente real dominante. - Según el cuadro 2.6, para suelos limo-arcillosos, se puede tomar un talud Z =1. - Del cuadro 2.2, para un canal de tierra se puede tomar un coeficiente de rugosidad n = 0.025. -
Se pide: Especificaciones técnicas = ? Las soluciones del problema pueden ser muy variadas, se debe preocupar obtener una solución económica, operable y que cumpla con las condiciones técnicas. A continuación se presenta uno de los procedimientos por seguir:
a) Según el cuadro 2.7, para
se recomienda: b=1m
b) El caudal, de la fórmula de Maninng sería:
⁄⁄ Despejando los valores conocidos
⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄⁄ ⁄
Dividiendo en
, se tiene
Donde, sustituyendo los valores conocidos, resulta:
⁄⁄ ⁄ ⁄ ⁄ ⁄ c) Con este valor, entrando al nomograma para determinar el tirante normal (figura2.5), se tiene:
d) cálculo y chequeo de la velocidad: De la ecuación de la continuidad se tiene:
Donde:
) (( ) Luego:
Según el cuadro 2.4, esta velocidad no producirá erosión ni sedimentación.
e) Considerando que el valor del bordo libre se puede definir a partir del caudal, para Q=0.45m3/s se puede tomar:
f) Profundidad total
.
30
g) Ancho de corona A partir también del criterio del caudal, para Q=0.45m3/s se puede tomar:
h) Talud exterior del bordo Podemos tomar un talud de Z=1.5 i) resumiendo las especificaciones técnicas para el diseño del canal serían:
S = 1 0/00 N = 0.025 0/00
CLUSIONES Se llegó a la conclusión de que las consideraciones practicas para el diseño de canales presentadas son de mucha importancia y sirven como parámetros que hay que respetar para diseñar un buen canal aunque para las dimensiones de algunos elementos depende mucho del criterio del ingeniero.
