NOMBRE: FRANCO PACHECO JONATHAN ROLANDO FECHA 31/05/2015 MATERIA: HIDRÁULICA II
CAPÍTULO 7 DISEÑO DE CANALES CON FLUJO UNIFORME CANALES EROSIONABLES QUE SE SOCAVAN PERO NO SE SEDIMENTAN Los canales no revestidos por lo general son erosionables, excepto aquellos excavados en cimentaciones firmes, como un lecho en roca. Método de aproximación.- el comportamiento del flujo en un canal erosionable está influido por muchos factores físicos y condiciones de campo complejas e inciertas, la ecuación de flujo uniforme no da una condición suficiente para el diseño de canales erosionables. La estabilidad de canales erosionables gobierna el diseño y depende principalmente de las propiedades del material que forma el canal. Sólo después de que se obtiene una sección estable para el canal puede utilizarse la ecuación de flujo uniforme para calcular la velocidad de flujo y el caudal. Existen dos métodos de aproximación para el diseño apropiado de estos canales: el método de la velocidad permisible (usado ampliamente para el diseño de canales de tierra en Estados Unidos) y el método de la fuerza tractiva (usado algunas veces en Europa). VELOCIDAD MÁXIMA PERMISIBLE O NO EROSIONANTE: Es la mayor velocidad promedio que no causará erosión en el cuerpo del canal, es muy incierta y variable y sólo puede estimarse con experiencia y criterio. En general los canales viejos, que ya han soportado periodos hidrológicos y sedimentación, son más estables que los canales nuevos, por lo tanto permiten velocidades más altas. Si se considera un canal con poca profundidad versus un canal con una profundidad más grande, el canal con poca profundidad soportará una velocidad media menor debido a la erosión que se presentará en el fondo. En 1915 Etcheverry publicó la primera tabla de velocidades medias máximas seguras contra la erosión, posteriormente en 1925 Fortier y Scobey publicaron la tabla de “velocidades permisibles en canales”, la misma tabla muestra valores para canales que ya han pasado por muchos periodos hidrológicos, con pequeñas pendientes, rectos y profundidades de flujo menores a 3 pies.
Las velocidades permisibles para canales sinuosos deben ser más bajas para reducir la socavación, algunos porcentajes recomendados son del 5% para canales ligeramente sinuosos y del 13% hasta el 22% para canales muy sinuosos. Sin embargo, son porcentajes muy aproximados. MÉTODO DE LA VELOCIDAD PERMISIBLE A partir del criterio de la máxima velocidad permisible el procedimiento para el diseño de un canal trapezoidal consiste en: 1) Estimar el coeficiente de rugosidad n para el material que conformará el canal, la pendiente del talud lateral “z” y la velocidad máxima permisible “v” según las tablas establecidas. 2) Calcular el radio hidráulico R de la ecuación de Manning. 3) Calcular el área mojada requerida para el caudal y la velocidad permisible A=Q/V 4) Calcular el perímetro mojado P=A/R 5) Utilizando las expresiones de área y perímetro para un canal trapezoidal, encontrar el ancho “b” y la profundidad “y”. 6) Añadir un borde libre apropiado y modificar la sección para que sea práctica o factible. FUERZA TRACTIVA Es la fuerza que se desarrolla cuando el agua fluye en un canal o el empuje del agua sobre el área mojada. En un flujo uniforme esta fuerza es igual a la componente efectiva de la fuerza gravitacional que actúa sobre el cuerpo del agua, es paralela al fondo del canal y se escribe de la siguiente forma:
τo=wRS Donde w es el peso unitario del agua, R el radio hidráulico y S la pendiente. Si se trata de un canal abierto ancho el radio hidráulico “R” se reemplaza por la profundidad de flujo “y”. El patrón de distribución de la fuerza tractiva en canales trapezoidales se asemeja al de la figura 7-6, y en base a esto se han preparado algunas curvas que sirven para el diseño de los mismos.
FUERZA TRACTIVA PERMISIBLE Es la fuerza unitaria máxima que no causa erosión importante en el material que forma el lecho del canal, se puede determinar experimentalmente en un laboratorio y se conoce como “fuerza tractiva crítica”. Sin embargo, en canales reales conformados por materiales gruesos no cohesivos, se ha demostrado que pueden soportar fuerzas mayores a las críticas medidas en laboratorio, lo cual puede obedecer a las cantidades de materia orgánica y coloidal, que están presentes en los canales reales, y que actúan como un pegamento. El valor de fuerza tractiva permisible para el diseño debe ser menor que el valor de la fuerza tractiva crítica de laboratorio. La determinación de la fuerza tractiva permisible se basa en el tamaño de la partícula para materiales no cohesivos y en la compactación o relación de vacíos para los materiales cohesivos. El U.S. Bureau of Reclamation ha hecho un estudio completo sobre el problema utilizando datos de varios investigadores, dando como resultado los valores recomendados para fuerza tractiva permisible para el diseño de canales:
Las fuerzas tractivas permisibles mencionadas antes se refieren a canales rectos, en canales sinuosos los valores mostrados deben reducirse en 10% para ligeramente sinuosos, 25 y 40% para canales hasta muy sinuosos. MÉTODO DE LA FUERZA TRACTIVA 1) Seleccionar una sección de canal aproximada mediante experiencia o utilizando tablas de diseño. 2) Recolectar muestras del material que forma el lecho del canal y determinar las propiedades. 3) Asegurar mediante el análisis de la fuerza tractiva la estabilidad probable por tramos.
4) Para canales con materiales no cohesivos se debe considerar el efecto de rodar hacia abajo a lo largo de la pendiente lateral junto al efecto de la distribución de las fuerzas tractivas. 5) Para canales con materiales cohesivos, solo es necesario tomar en cuenta el efecto de la distribución de las fuerzas tractivas.
CANALES EN PASTO La presencia de pastos o vegetación en los canales dan como resultado turbulencia considerable, por lo tanto pérdidas de energía y retardo en el flujo, Sin embargo en algunos casos la utilización de canales de tierra recubiertos con pasto puede ser ventajoso debido a que el pasto estabiliza el cuerpo del canal, consolida la masa del suelo del lecho y frena la erosión en la superficie del canal. COEFICIENTE DE RETARDO O COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING El Soil Conservation Service encontró que el n de manning para una sola clase de pasto variaba dentro de un rango según la profundidad del flujo y la forma de la pendiente del canal. Sin embargo, se descubrió que n tiene una relación con el producto de la velocidad media V y el radio hidráulico R, esta relación ya es independiente de la inclinación y forma del canal pero sí es característica del tipo de vegetación. Como resultado de la investigación se crean una serie de curvas experimentales de “n” vs. “VR” para diferentes grados de retardo: muy alto, alto, moderado, bajo y muy bajo. VELOCIDAD PERMISIBLE Es aquella que evitará la erosión severa en el canal durante un periodo razonable, estas velocidades se pueden hallar en tablas elaboradas por el S.C.S. en las que constan diferentes tipos de cubiertas, pendientes del canal y condiciones del suelo. SELECCIÓN DEL PASTO La selección del pasto para un canal depende del clima y del suelo para que las plantas sobrevivan a ciertas condiciones. En general un caudal grande requiere un recubrimiento más fuerte y mejor. En pendientes empinadas los pastos como la alfalfa son poco adecuados porque canalizan el flujo. Para pendientes superiores al 5% se deben usar pastos finos y uniformemente distribuidos; y para canales donde ocurre el flujo principal deben usarse pastos lisos. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Una vez seleccionada la clase de pasto para recubrimiento, el coeficiente de rugosidad puede determinarse a partir de la condición de longitud de tallos y la densidad de crecimiento. El canal no alcanzará su máxima capacidad hasta que la cubierta de pasto se encuentre totalmente desarrollada y establecida. Por lo tanto, el diseño se realiza en dos etapas: A) Diseñar el canal para estabilidad, es decir, las dimensiones para la rugosidad más baja conociendo el caudal, pendiente y clase de pasto. 1) Suponiendo un valor de “n” determinar los valores de “VR” mediante tablas. 2) Seleccionar la velocidad permisible y calcular el valor de R.
3) Con la ecuación de Manning encontrar los valores de VR y verificar si se asemeja a los encontrados con el paso 1. 4) Hacer otros tanteos hasta que el valor calculado de VR sea igual al obtenido en las curvas experimentales. 5) Una vez obtenidos los valores de A y R se determinan las dimensiones de la sección. B) Revisar el diseño para la capacidad máxima, es decir, determinar el incremento de la profundidad del flujo necesario para mantener la capacidad máxima con la rugosidad más alta. 1) Suponer la profundidad “y”, calcular el área mojada A y radio hidráulico R. 2) Calcular la velocidad V=Q/A y el valor de VR 3) A partir de la curva n vs. VR se determina el valor de n 4) Verificar mediante la ecuación de Manning el valor de V y que ésa sea menor a la velocidad permisible. 5) Añadir el borde libre apropiado a la profundidad calculada.
