INDICE Contenido i.
INTRODUCCION.................................................................................................................
ii.
CONSIDERACIONES GENERALES.......................................................................................
CAPITULO 1............................................................................................................................. 1.
DISEÑO DE CANALES NO EROCIONABLES......................................................................... 1.1.
DEFINICION DE CANAL NO EROSIONABLE..................................................................
1.2.
FACTORES DE DISEÑO................................................................................................
1.2.1.
Materia Y Revestimiento No Erosionable..............................................................
1.3.
VELOCIDAD MINIMA PERMISIBLE................................................................................
1.4.
PENDIENTES DEL CANAL.............................................................................................
1.5.
BORDE LIBRE..............................................................................................................
1.6.
SECCION DE MAXIMA EFICIENCIA.............................................................................
1.6.1.
Sección Trapezoidal............................................................................................
CAPITULO II........................................................................................................................... 2.
DISEÑO DE CANALES EROCIONABLES............................................................................. 2.1.
DEFINICIÓN DE CANAL EROSIONABLE......................................................................
2.2.
FORMAS Y MOVIMIENTOS DEL LECHO......................................................................
2.3.
PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DEL SEDIMENTO...............................................
2.4.
TIPOS DE MOVIMIENTOS DE PARTÍCULAS DE SEDIMENTO........................................
2.5.
PARAMETRO DE SHIELDS..........................................................................................
2.6.
METODO DE LA FUERZA TRACTIVA...........................................................................
2.6.1. 2.7.
Relacion De Fuerza Tractiva...............................................................................
METODO DE LA VELOCIDAD MAXIMA PERMISIBLE....................................................
CAPITULO III.......................................................................................................................... 3.
PROBLEMAS DE APLICACIÓN........................................................................................... 3.1 EJERCICIO DE DISEÑO DE CANAL................................................................................. 3.2.
EJERCICIO DE CALCULO DE PARAMETROS DE CANAL................................................
CONCLUSIONES..................................................................................................................... REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.............................................................................................
i.
INTRODUCCION
En el diseño de canales se tienen comportamiento del flujo de acuerdo al tipo de canal. En esta monografía se tratará sobre canales erosionables y canales no erosionables, además de los factores de diseño importantes como el método de la velocidad máxima permitida y método fuerza tractiva para el diseño de este tipo de canales. La mayoría de las corrientes naturales se caracterizan por algún transporte de sedimentos, también los canales artificiales no revestidos con lechos en grava, arena o finos. Es por esta razón que es importante conocer la influencia del transporte de tales sedimentos sobre el canal, que debido a este fenómeno tendrá una rugosidad, una forma y dimensiones de lecho variables para las cuales por supuesto, nuestro diseño debe estar preparado de tal manera que se logre cierta estabilidad y que la sección que escojamos tenga capacidad para la tasa de transporte de sedimentos que en el habrá además del caudal de agua. Para canales revestidos y artificiales y que pueden soportar erosión, es decir aquellos que no son erosionables, que pueden transportar mínima cantidad de sedimento existen factores como velocidad permisible máxima y fuerza tractiva permisible en este diseño de canal no erosionable es posible despreciarlas. Estos canales se deben diseñar en base a un material de revestimiento del canal. Así como concreto, mampostería, hierro fundido, vidrio, etc. Para tal fin se nos hace indispensable conocer las diferentes formas que puede adoptar el canal, y los criterios a tener en cuenta para el diseño de canales erosionables con transporte de sedimentos.
ii.
CONSIDERACIONES GENERALES
Los canales en generar pueden agruparse en no erosionables y erosionables. Son canales no erosionables los canales revestidos y los canales sin, revestir excavados en lecho rocoso. Todos los demás canales sin revestir son erosionables y se les llama también canales de tierra(Chereque, 1987). Clasificación A) Canales no erosionables B) Canales erosionables a) canales que socavan, pero no sedimentan b} canales que sedimentan, pero no socavan c} canales que socavan o sedimentan indistintamente En los canales b) y c) el agua arrastra sedimento; estos casos corresponden a la Hidráulica de los Ríos por lo que no son tratados aquí. En este texto sólo consideramos los canales que conducen agua relativamente clara, es decir, los canales A} ya). Los canales se revisten con el doble propósito de prevenir la erosión y minimizar las pérdidas de agua por filtración. Cuando el propósito es e~ te último los logros son importantes. En efecto, en los canales de conducción la experiencia indica que la pérdida de agua (incluyendo el agua que se evapora) es del orden del 5% en los canales revestidos y del 30% en los canales de tierra. Pautas para el diseño de canales El diseño hidráulico de los canales se hace siguiendo las siguientes pautas 1.- Caudal (Q). Es dato del problema. 2.- Coeficiente de rugosidad de Manning (n). Depende de la naturaleza de la superficie en contacto con el agua. Valores medios del coeficiente de rugosidad de Manning (n) *
3.- Talud: Depende del material que ha sido excavado
Valores para el talud
4.- Relación fondo tirante (b/y): Es definido por el diseñador teniendo en cuenta
factores
como
el
método
de
excavación,
la
economía
y
la
practicabilidad. El valor de la relación puede ser igual, mayor o menor que el valor correspondiente a la sección más eficiente. Como referencia se indican las siguientes pautas. = valor SME ------- en canales revestidos en pampa > valor SME ------- en canales de riego < valor de SME ------- en canales en media ladera El valor igual se justifica porque siendo perímetro mojado mínimo el costo de revestimiento será mínimo.
El valor mayor se debe a que al adoptar una sección ancha como, ésta se facilita la extracción del agua de riego.
El valor menor se justifica con una sección honda como ésta se reduce el volumen de la excavación.
5.- Velocidad mínima permitida (Vmín).- Los valores normalmente sugeridos son:
6.- Velocidad Máxima permitida (Vmáx): Para los canales revestidos este parámetro podría ser pasado por lo alto, pero hay que tener presente que las velocidades muy altas (del orden de los 6 m/s ) pueden levantar las piedras o los bloques del revestimiento. 7.- Pendiente (So): Su valor viene gobernado sobre todo por la topografía, pero lo deseable es usar una pendiente pequeña a fin de no perder mucha altura y llegar al punto de entrega del agua con una cota alta. 8.- Margen libre o freboard (f): Depende de varios factores, como tamaño del canal, magnitud de las lluvias, variaciones del nivel del agua por operación de compuertas, etc. Para canales no revestidos:
f =√ C∗y f ……………………margen libre y ……………………profundidad del agua C ……………………coeficiente que varía según la capacidad del canal, desde 1.5 para canales de 20 pie3/s hasta 2.5 para canales de 3000 pie3/s a más. 9.- Banquetas (Be, Bi): Son valores que dependen del tamaño del canal, pues de acuerdo a este tamaño se establece el sistema para la operación y mantenimiento del canal.
10.- Dimensiones finales. - El diseño culmina con ajuste de cifras, sobre todo redondeando el valor obtenido del ancho de fondo b y recalculando el resto.
CAPITULO 1 1. DISEÑO DE CANALES NO EROCIONABLES
1.1.
DEFINICION DE CANAL NO EROSIONABLE
En general un canal no erosionable es aquel que se encuentra revestido y construido de manera que resiste a la erosión de manera satisfactoria. Los canales revestidos
por lo general
son
erosionables,
excepto
aquellos
excavados en cimentaciones firmes, como un lecho de roca. 1.2. 1.2.1.
FACTORES DE DISEÑO Clase de material que conforma el cuerpo del canal. Velocidad mínima permisible. Pendiente del fondo del canal y pendientes laterales. Borde Libre y Sección eficiente. Materia Y Revestimiento No Erosionable
Los materiales no erosionables utilizados para formar el revestimiento de un canal o el cuerpo de un canal desarmable, incluyen concreto, mampostería, acero, hierro fundido, madera, vidrio, plástico, etc. La selección de material depende sobre todo de la disponibilidad y el costo de este, el método de construcción y el propósito para el cual se utilizará el canal. El propósito del revestimiento de un canal artificial, en la mayor parte de los casos, es prevenir la erosión, pero ocasionalmente puede ser de evitar las pérdidas de agua por infiltración. En canales artificiales revestidos, la velocidad máxima permisible, es decir, la velocidad máxima que no causara
erosión, puede no considerarse siempre y cuando el agua no transporta arena, grava o piedras. Si van a existir velocidades muy altas sobre el revestimiento, sin embargo, debe recordarse que existe una tendencia en el agua que se mueve muy rápidamente de mover los bloques del revestimiento y empujarlos por fuera de su posición. Por consiguiente, el revestimiento debe diseñarse contra estas posibilidades. 1.3.
VELOCIDAD MINIMA PERMISIBLE
La velocidad mínima permisible o velocidad no sedimentarte es la menor velocidad que no permite el inicio de la sedimentación y no induce el crecimiento de plantas acuáticas y de musgo(Rocha 1975). Esta velocidad es muy incierta y su valor exacto no puede determinarse con facilidad, Para aguas que no tengan carga de limos o para flujos previamente decantados, este factor tiene una pequeña importancia excepto por su efecto en el crecimiento de plantas. En general puede adoptarse una velocidad media de 0.61 a 0.91 m/s cuando el porcentaje de limos presente en el canal es pequeño, y una velocidad media no inferior a 0.76 m/s prevendrá el crecimiento de vegetación que disminuirá seriamente la capacidad de transporte del canal. 1.4.
PENDIENTES DEL CANAL
La pendiente longitudinal (So) del fondo de un canal por lo general está dada por la topografía y por la altura de energía requerida para el flujo. La pendiente también depende del propósito del canal; por ejemplo, los canales utilizados para
la
distribución
de
agua,
como
los
utilizados
en
la
irrigación,
abastecimientos de agua, minería hidráulica y proyectos hidroeléctricos requieren un alto nivel en el punto de entrega. Por tanto, es conveniente una pendiente pequeña para mantener en el mínimo posible las pérdidas en elevación. Los taludes o pendientes laterales (m) de un canal dependen principalmente de la clase de material. La Tabla 9 da una idea general de las pendientes apropiadas para ser utilizadas con diferentes clases de material. Otros factores que deben considerarse para determinar las pendientes método
de
construcción,
la
condición
cambios climáticos, el tamaño del canal, etc.
laterales
son
el
de pérdidas por infiltración, los
Tabla. Taludes recomendados en canales construidos en varias clases de materiales. VALOR DEL VALOR
TALUD MATERIAL
TALUD
Roca sana no alterada
0: 0.25
Roca estratificada
0.25:0.
ligeramente alterada Rocas alteradas, tepetate duro
5 1:1
Arcilla densa o tierra con revestimiento de concreto Suelo limoso-arenoso con grava gruesa Arenisca blanda Limo arcilloso Limo arenoso Material arena y
poco estable, tierra arenosa
Mampostería
DE Phi M m=0/0.25= 0
90º
m=.25/0.5=0.50
63º 43’
m=1/1=
m=.5/1=
1
0.50
1:1.5
m=1/1.5= 0.67
56º 58’
1.5:2.0
m=1.5/2= 0.75
53º 13’
m=.75/1= 0.75
53º 13’
m=1.5/2= 0.75
53º 13’
0.75:1. 0 1.5:2.0
2:1
0.4:1
m=2/1=
2
m=0.4/1= 0.40
1
1.25:1
BORDE LIBRE.
68º 19’
m=1.25/1=1.25
Concreto
1.5.
26º56’
45º m=1/1=
tepetate blando
63º 43’
0.5:1
1:1
Tierra algo arcillosa,
45º
1.5:1
38º 65’ m=1.5/1= 1.5
33º 69’
El borde libre de un canal es la distancia vertical desde la parte superior del canal hasta la superficie del agua en la condición de diseño. Esta distancia debe ser lo suficientemente grande para prevenir que ondas o fluctuaciones en la superficie del agua causen reboses por encima de los lados. Este factor se vuelve muy importante en especial en el diseño de canaletas elevadas, debido a que la subestructura de estos puede ponerse en peligro por cualquier rebose. No existe una regla universalmente aceptada para el cálculo del borde libre, debido a que la acción de las ondas o fluctuaciones en la superficie del agua en un canal puede crearse por muchas causas incontrolables como el movimiento del viento y la acción de las mareas, también pueden inducir ondas altas que requieren una consideración especial en el diseño. Una práctica corriente para canales en tierra, es dejar un borde libre o resguardo igual a un tercio del tirante, es decir: B.L. = d/3. Mientras que, para canales revestidos, el borde libre puede ser la quinta parte del tirante: B.L. = d/5 Existen también otros criterios para designar el valor del borde libre: En relación al caudal se tiene:
(Fuente M. Villón) En relación al ancho de solera se tiene:
(Fuente M. Villón)
En función al caudal, se recomienda:
(Fuente M. Villón) Para canales o laterales de riego revestidos, la altura del revestimiento por encima de la superficie del agua dependerá de cierto número de factores: tamaño del canal, velocidad del agua, curvatura del alineamiento, condiciones del caudal de entrada de aguas lluvias o aguas de drenaje, fluctuaciones en el nivel del agua debido a la operación de estructuras reguladoras de flujo y acción del viento. De una manera más o menos similar, la altura de revestimiento por encima de la superficie del agua variara con el tamaño y la localización del canal, el tipo de suelo, la cantidad de agua lluvia o agua de drenaje interceptada, etc.
Figura Bordo libre y altura de revestimiento, recomendado en canales revestidos (fuente: Ven Te Chow)
1.6.
SECCION DE MAXIMA EFICIENCIA Uno de los factores que intervienen en el costo de construcción de un canal 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 gasto 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:
Donde: n, A y S son constantes. El diseño de canales revestidos desde el punto de vista de la ingeniería hidráulica es un proceso sencillo para la cual deberá aplicarse la condición de máxima eficiencia hidráulica que consiste en encontrar los valores óptimos de la plantilla y el tirante de agua en el canal. 1.6.1.
Sección Trapezoidal
Conocido un talud “m” conocido (constante)
Partimos de que el área hidráulica es:
R=
d 2
Lo que indica que en una sección de máxima eficiencia hidráulica de forma trapezoidal o rectangular (para cualquier valor de m), el radio hidráulico es igual a la mitad del tirante. El siguiente cuadro muestra la eficiencia hidráulica para cada sección transversal. Fuente (Ven Te Chow)
CAPITULO II 2. DISEÑO DE CANALES EROCIONABLES 2.1.
DEFINICIÓN DE CANAL EROSIONABLE.
Un canal erosionable es todo canal que no se encuentra revestido de algún material en todo su perímetro mojado. Este tipo de canales pueden diseñarse bajo dos condiciones: aquella en la que se toma como premisa que el canal se socavara mas no se sedimentara, y aquella en la que se acepta que haya transporte de sedimentos.
Canales erosionables con transporte de sedimentos en el lecho. Los canales en que se da transporte de sedimentos, conocidos como canales aluviales, el lecho cambia constantemente de forma y el movimiento de partículas de este puede generar erosión o acreción. La mayoría de corrientes naturales presentan transporte de sedimentos, y si el hombre desea intervenirlos debe predecir y controlar este de tal manera que pueda cumplir con las funciones requeridas. 2.2.
FORMAS Y MOVIMIENTOS DEL LECHO.
La pendiente del lecho, la profundidad y la velocidad de flujo, el tamaño del sedimento y la velocidad de asentamiento de las partículas influyen sobre la forma del lecho del canal. El parámetro principal para suponer que tipo de forma tomara el lecho es el número de Froude. Las diferentes formas que pueden tomar el lecho dependiendo de este son:
Lecho plano: Se puede presentar en dos casos; cuando no hay flujo o cuando el número de Froude es menor o igual que uno que es una transición entre la forma de lecho de dunas y de ondas estacionarias.
En este caso no hay movimiento de la forma del lecho. Rizos: Se presenta cuando el número de Froude es mucho menor que uno y la forma del lecho migra hacia aguas abajo. Se dan en la presencia de una capa limite laminar y su tamaño es independiente de
la profundidad. Dunas: Se presenta en flujo subcritico y la forma del lecho se mueve hacia aguas abajo. A diferencia de los rizos la capa limite es turbulenta
y su tamaño es proporcional a la profundidad. Ondas estacionarias: Ocurren cuando el flujo es crítico o muy cercano a este. En estas no hay movimiento de la forma del lecho, es decir que el
perfil de la superficie está en fase con la forma del canal. Antidunas: Ocurren para flujos supercríticos. El perfil de la superficie
está en fase con el fondo del canal y se presentan resaltos hidráulicos. Rápidas: Se presentan para flujos supercríticos y el lecho migra aguas
arriba. Soy antidunas muy activas. Cuencos: Sucesión de escalones y piscinas. Se presentan en flujo supercrítico y migran en dirección aguas arriba.
2.3.
PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DEL SEDIMENTO.
Los sedimentos pueden ser de dos tipos: material cohesivo o no cohesivo. El primer grupo lo constituyen básicamente arcillas y limos, y el último grupo de gravas, arenas y cantos rodados. La propiedad más importante de la partícula de sedimento es su tamaño. Esto se debe a la manera en que este influye en que haya o no transporte de sedimentos puesto que a mayor tamaño es más difícil desplazarlo. Como la mayoría de las partículas no son perfectamente esféricas para definir el tamaño de la partícula se usa: el diámetro del tamiz que es el tamaño de la partícula que pasa a través de un tamiz de tamaño dado pero que no pasa a través del siguiente; el diámetro de sedimentación que es el tamaño de una esfera de cuarzo que cae con una velocidad de asentamiento igual a la de la partícula de sedimento real y el diámetro nominal que es el de una esfera de la misma densidad y masa que la partícula real. Otra característica del sedimento a tener en cuenta es el ángulo de reposo, el cual es el ángulo crítico para el cual ocurre el movimiento y se denomina
∅S . Este es función de la forma de la partícula. Inicio del movimiento de sedimentos, movimiento de carga de lecho. Para prevenir la erosión del lecho del canal es esencial conocer con exactitud el momento en el cual iniciara el movimiento de sedimentos. Ocurre que la mayoría de los canales en los que se da el transporte de sedimentos se comportan como flujos permanentes, acercándose a si a las condiciones de flujo uniforme. Es por esta razón que es útil la fórmula de la velocidad media en flujo uniforme hallada a partir de la ecuación de momentum:
V=
√
8g √ R senθ f
(1)
Donde f es el coeficiente de fricción de Darcy, R el radio hidráulico y ϴ la pendiente del lecho.
Pero con tener la velocidad del flujo no debemos conformarnos. Además, es necesario que conozcamos el perfil de la velocidad y siendo más específicos la velocidad en el fondo del canal. Esta velocidad se conoce como velocidad de corte y es función del esfuerzo cortante de frontera. El esfuerzo cortante de frontera, por su parte, es el esfuerzo promedio sobre el área mojada y se define como:
τ 0 =Cd
1 ρV2 2
(2)
Donde Cd es el coeficiente de arrastre y V es la velocidad media del flujo. Este coeficiente de arrastre habitualmente se le da el valor de un cuarto del coeficiente de fricción de Darcy, siendo ahora el esfuerzo cortante de frontera, lo siguiente:
f τ0= ρ V 2 8
(3)
La velocidad de corte (Vc) es una medida del esfuerzo cortante y del gradiente de velocidad cerca de la frontera sólida, es decir, para el caso de canales cerca del fondo. Esta fue definida por Henderson como:
V c=
√
τ0 ρ
(4)
Es importante resaltar que en base a esta velocidad definimos un nuevo número adimensional utilizado para la clasificación de flujos: El número de Reynolds de corte. A partir de este los flujos pueden ser turbulento liso, turbulento en transición o turbulento completamente rugoso.
ℜc =
V ∙KS v
Donde Ks es la rugosidad superficial promedio y v es la viscosidad cinemática del agua. En canales, los flujos turbulentos lisos tienen número de Reynolds de corte menores que 4, de transición entre 4 y 100, y turbulento
completamente rugoso mayores que 100. La rugosidad superficial promedio puede hallarse a partir de la fórmula de Colebrook-White.
2.4.
TIPOS DE MOVIMIENTOS DE PARTÍCULAS DE SEDIMENTO.
El material transportado recibe el nombre de carga de sedimentos. Este, puede moverse a través del canal de dos formas: como carga de lecho o como carga en suspensión. La carga de lecho son granos que ruedan a lo largo del lecho, cuyo movimiento inicia cuando el esfuerzo cortante del lecho excede un valor crítico. Un sedimento en suspensión se mueve rodeado de fluido. El movimiento en suspensión se da cuando las partículas que van a lo largo del lecho (carga de lecho) van chocando entre si y rebotan hasta que la nube de partículas entra en suspensión. 2.5.
PARAMETRO DE SHIELDS.
Haciendo un análisis estático de la partícula de sedimento, nos podemos dar cuenta que en ella intervienen principalmente cuatro fuerzas: la gravedad, la fuerza de flotación (ambas verticales y en sentidos opuestos), la fuerza de arrastre que actua en dirección al movimiento y la fuerza de sustentación perpendicular a esta última. El movimiento de la partícula inicia cuando los momentos que generan la fuerza de arrastre, flotación y sustentación son mayores que el momento generado por el peso de la partícula. Shields, introdujo un parámetro de estabilidad ( τ ¿ ¿
a través de observación
experimentales, que se define como:
τ ¿=
τ0 ρ ( s−1 ) g d s
(6)
Donde s es la densidad relativa de los sólidos y
ds
diámetro nominal de las
partículas de sedimento. El movimiento de carga de lecho ocurre cuando el parámetro de estabilidad de Shields excede un valor crítico, definido de la siguiente manera dependiendo del número de Reynolds de corte:
Flujo turbulento liso ( ℜc < 4 a 5 ¿ ; ( τ ¿ )c >0.035 Flujo de transición
( 4 a 5< ℜc <75 a 100 ) ; 0.03< ( τ ¿ )c >0.04
Flujo turbulento completamente rugoso
( 75 a 100< ℜc ) ; 0.03<(τ ¿ )c >0.06
Para estimar el parámetro de Shields critico debe recurrirse al diagrama de Shields o reemplazar en las formulas propuestas por Julien
[ 2 ] , que están en
función del ángulo de reposo del material y del diámetro y densidad relativa de este.
Figura. Diagrama de Shields.
Aplicabilidad de los conceptos de transporte de sedimentos al diseño de canales erosionables. Para el diseño de canales aluviales, es decir, aquellos donde es inevitable el transporte de sedimentos, las variables más importantes son el caudal de agua, la tasa de transporte de sedimentos y el tamaño de estos.
Para empezar, el ingeniero determina las características del canal, es decir, la pendiente del lecho, la forma de la sección transversal, el ancho del canal, las propiedades del lecho móvil (porosidad, densidad de sólidos, tamaño de partículas) y las formas que el lecho ha adquirido anteriormente. Posteriormente, se escoge el caudal de diseño y la tasa de transporte de sedimentos que se manejara en el canal. Para calcular la velocidad de flujo se supone un flujo uniforme y lecho plano haciendo uso de la ecuación (1) y para el esfuerzo de corte del fondo del canal la ecuación (2). Para medir el tipo de forma del lecho se usa el diagrama de Engelund y Hasen. Ya con estos datos es posible calcular el esfuerzo cortante por fricción superficial:
τ '0 =
fρ V 8
2
(7)
Y el esfuerzo cortante de forma de lecho: 2
τ ' '0 =
ρV h 8 ld
2
(8)
Donde h y l son la altura y longitud del lecho. Se hacen cálculos iterativos hasta que la suma del esfuerzo cortante por fricción superficial más el esfuerzo cortante de forma de lecho sean iguales al esfuerzo cortante del fondo del canal de tal forma que se satisfaga la ecuación de momentum. Por último, se hace una revisión de la capacidad de transporte de sedimentos para ver si habrá erosión o acreción en el fondo del canal.
2.6. METODO DE LA FUERZA TRACTIVA En el diseño de canales artificiales no erosionables, factores como la velocidad máxima permitida y la fuerza tractiva máxima permisible no hacen parte del criterio de debe ser considerado (Ven Te Chow, 1983).Por ello este factor es importante para el diseño de canales erosionables. Cuando el agua fluye en un canal, se desarrolla una fuerza que actúa sobre el lecho de este en la dirección del flujo. Esta fuerza, la cual es simplemente el
empuje del agua sobre el área mojada, se conoce con el nombre de fuerza tractiva o esfuerzo tangencial. (Chereque, 1987) En un flujo uniforme la fuerza tractiva en apariencia es igual a la componente efectiva
de
la
fuerza
gravitacional
que
actúa
sobre
el cuerpo de agua,
paralelo al fondo del canal es igual a
Luego
el
valor
promedio
de
la
fuerza
tractiva
por
unidad
de
área
hidráulica, conocido como la fuerza tractiva unitaria , es igual a:
Cuando el canal es muy ancho, el radio hidráulico se considera igual al tirante “y” del canal, entonces, la ecuación anterior puede escribirse
Con excepción de los canales muy anchos, se ha comprobado que el esfuerzo tangencial no se distribuye uniformemente sobre las paredes, sino como se indica en la figura siguiente:
Fig 1.1 Distribución del esfuerzo tangencial producido por el flujo sobre las paredes de un canal trapecial. Como resultado de estos estudios, en las dos figuras siguientes se muestran valores máximos del esfuerzo tangencial de arrastre, tanto en los taludes como en la pLantilla del canal trapecial en función del valor medio de:
fig. Esfuerzo tangencial que la corriente produce sobre los taludes
Fig. Esfuerzo tangencial que la corriente produce en el fondo 2.6.1. Relacion De Fuerza Tractiva Sobre una partícula de suelo que descansa en la pendiente lateral de una sección de canal (fig. 1.4) en la cual se encuentra fluyendo agua, actúa dos fuerzas: la fuerza tractiva y la componente
de la fuerza gravitacional la
cual hace que la partícula ruede a lo largo de la pendiente lateral.
fig. Análisis de las fuerzas que actúan en una partícula que reposa en la superficie del lecho de un canal La partícula en estas condiciones está equilibrada por las fuerzas de fricción ejercidas sobre ella, y que es igual al producto de la componente normal
al
talud
correspondiente
por el coeficiente de friccion interna
al
peso
de
la partícula multiplicada
. En el caso limite, cuando la
particula esta a punto de rodar, se establece el siguiente equilibrio:
Esta relación es función solo de la inclinación del lado inclinado y del angulo de reposo del material. El ángulo de reposo necesita ser considerado solo para materiales gruesos no cohesivos. De acuerdo con la investigación del U. S. Bureau of Reclamation se encontró que en general el ángulo de reposo se incrementa tanto con el tamaño como con la angularidad del material. Para propósitos de diseño, el Bureau preparó curvas que muestran los valores del ángulo de reposo para materiales no cohesivos con diámetros superiores a 0.2 pulgadas. Para varios grados de rugosidad. El diámetro referido es el diámetro de partícula para el cual el 25% (en peso) del material es mayor
fig. ángulo de reposo de un suelo no cohesivo en función del diámetro de sus partículas. EL METODO TRACTIVO en sí consiste en seleccionar una sección del canal aproximada mediante experiencia o utilizando tablas de diseño, recolectar muestras del material que forma el lecho del canal y determinar utilizando estas muestras, las propiedades requeridas (Ven Te Chow, 1983). Mediante estos datos, el que diseña investiga la sección mediante el análisis de la fuerza tractiva para asegurar una estabilidad probable por tramos y para probar la sección minima que aparece estable.
2.7.
METODO DE LA VELOCIDAD MAXIMA PERMISIBLE
La velocidad máxima permisible o velocidad no erosionante es la mayor velocidad promedio que no causará erosión en el cuerpo del canal (Chereque, 1987). Las velocidad no son definidad en los canales por lo cual solo a base de experiencia y
criterio se pueden estimar, donde se puede apreciar que los canales que tienen mayor tiempo brindan una mayor velocidad que los canales recientes, debido a que el canal de mayor tiempo se encuentra más estabilizado y ya no provee una constante de sedimentos. Según la siguiente tabla se muestra una tabla de acuerdo a valores
de “n”
apropiados de diferentes materiales, para diferentes velocidades máximas permisibles por encima de las cuales se producirá socavación en los materiales no cohesivos con un alto rango de tamaño de partículas y diferentes clases de suelos cohesivos.
Fuente (Ven Te Chow) EL METODO DE LA VELOCIDAD MAXIMA PERMISIBLE, como criterio para el procedimiento de diseño de una sección de un canal consiste en los siguientes pasos:
Para un material dado, estime el coeficiente de rugosidad de Manning, el
talud y la velocidad máxima permisible. Calcular el radio hidráulico por la fórmula de Manning. Calcular el área de la sección transversal como A = Q / V. Calcular el perímetro mojado, p = A / R. Utilizando las expresiones para A y p, resolver simultáneamente para el ancho del fondo del canal, b, y profundidad de flujo, y Adicionar un borde libre, y modifique la sección para que sea práctica.
CAPITULO III 3. PROBLEMAS DE APLICACIÓN 3.1 EJERCICIO DE DISEÑO DE CANAL
3.2.
EJERCICIO DE CALCULO DE PARAMETROS DE CANAL
Un canal labrado en roca (n = 0.030) es de sección trapezoidal con una anchura de solera de 6m y una pendiente de los lados de
1 sobre 1. La
velocidad media permitida es de 0.75 m/seg. ¿Qué pendiente del canal producirá 5.40 m3/seg ?
CONCLUSIONES El diseño de canales en ingeniería civil es de suma importancia debido a que con ellos se puede transportar el agua primordialmente (aunque puede ser otro tipo de líquidos) de un lugar en el cual si existe este liquido hacia otro en
el que se carezca del mismo, esto con el fin de que las personas puedan aprovechar dicho liquido para lo que más les convenga. Claro está que el diseño de un canal debe hacerse pensando siempre en la eficiencia, funcionabilidad, durabilidad, economía, etc. por esto el ingeniero civil debe tener un amplio conocimiento de la hidráulica de canales para que pueda diseñar los canales que mejor convenga realizar. El estudio de
canales no revestidos es un tema
cuerpo del canal se puede encontrar
de gran interés pues en el
materiales con partículas de forma,
tamaño y propiedades diferentes, estos materiales pueden cambiar de una parte a otra a lo largo de la conducción y el del fondo a menudo difiere del que forma los taludes. Los materiales presentes en los taludes y el lecho del canal pueden ser arrastrado por el flujo de la corriente lo cual puede ocasionar la erosión del canal, además dicho material puede ser depositado en las zonas donde disminuye la velocidad haciendo inestable al canal o al cauce. Por esta razón se debe buscar la dimensión del canal que evite en gran medida la erosión y la sedimentación, es decir, impedir el arrastre de material producido por el flujo en cualquier condición de operación para que el canal sea estable. Por lo que se mencionó anteriormente se debe conocer las condiciones necesarias para que un flujo inicie el movimiento, arrastre o transporte de las partículas del material en el cuerpo del canal. Dicha situación es conocida como condición crítica de arrastre, inicio de arrastre o movimiento crítico y su conocimiento permite establecer los criterios de diseño de la sección hidráulica que impidan rebasar dicha frontera. Pueden ocurrir dos formas en que la sección se encuentre en equilibrio, cuando el transporte de sedimentos es despreciable, debido a que el flujo no arrastra el material que constituye el cuerpo del canal o también cuando el transporte de sedimentos es importante, el canal será estable si existe continuidad en dicho transporte para evitar zonas de erosión o deposito. Por eso el método de la fuerza tractiva que se aplica en canales no revestidos
llega a ser una solución a los problemas de erosión y sedimentación del material presente en el cuerpo del canal, pues nos permite conocer las dimensiones del canal que no presentaran los problemas ya mencionados. Este método es el más usado pues es m á s completo que el de la velocidad máxima permisible debido a que analiza tanto la estabilidad del lecho del canal así como de sus taludes o márgenes.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS CHEREQUE, W. Mecánica de Fluidos II, 1987, 1era ed. Lima: Studium S.A 234 p. CHOW V.T. Hidráulica de los Canales Abiertos. Editorial Diana, México, 1983. ISBN 968-13-1327-5) Capítulo 3. Principios de la energía y del momentum. ROCHA A. Hidraulica de tuberías y canales. 1975. 1er Lima: LIBONI 515p. VILLON M. Hidráulica de canales. 2007. 2ed Lima: VILLON 508p.ISBN 99778-66-0816. http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/interesantes/transportes edimentos/transpoertesedimentos.html; Hora: 16:20
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18/05/17
