MANUAL DEHIDRO VERSION 1_1 - 2016.pdf

Software

DEHIDRO DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS PARA SISTEMAS DE IRRIGACIÓN Y DRENAJE

LA HIDRÁULICA APLICADA EN LA AGRICULTURA

Randon Ortiz Calle 2016

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje INDICE DE CONTENIDO CONTENIDO

PAGINA

1. DEHIDRO .......................................................................................................................................... 4 1.2 Prestaciones del programa ............................................................................................................... 5 2. INSTALACIÓN DEL PROGRAMA .................................................................................................... 7 2.1 Instalador ........................................................................................................................................... 7 2.2 Instalación ......................................................................................................................................... 7 2.3 Clave ................................................................................................................................................. 7 2.4 Recomendación ................................................................................................................................ 7 2.5 Derechos de autoría y de propiedad intelectual................................................................................ 8 3. TRABAJANDO CON DEHIDRO........................................................................................................ 9 4. FUNDAMENTOS BASICOS DE HIDRÁULICA, RIEGO Y DRENAJE............................................ 10 4.1 Hidráulica......................................................................................................................................... 10 4.1.1 Flujo en canales abiertos ............................................................................................................. 10 4.1.2 Hidráulica de tuberías .................................................................................................................. 25 4.2 Riego ............................................................................................................................................... 30 4.2.1 Diseño Agronómico ...................................................................................................................... 30 4.2.2 Diseño Hidráulico de una sub unidad de riego ............................................................................ 31 4.3 Drenaje Agrícola .............................................................................................................................. 32 5. HIDRÁULICA APLICADA ................................................................................................................ 33 5.1 ANCHO CRÍTICO – GARGANTA - CONTRACCIÓN ..................................................................... 33 5.2 MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA .............................................................................................. 35 5.3 ORIFICIOS Y COMPUERTAS ........................................................................................................ 37 5.4 POTENCIA HIDRÁULICA ............................................................................................................... 38 5.5 TIRANTE CRÍTICO ......................................................................................................................... 39 5.6 TIRANTE NORMAL ......................................................................................................................... 40 5.7 VERTEDEROS ................................................................................................................................ 42 6. CANALES ........................................................................................................................................ 43 6.1 RUGOSIDAD ................................................................................................................................... 43 6.2 PERCOLACIÓN Y EVAPORACIÓN ............................................................................................... 44 6.3 PARÁMETROS ............................................................................................................................... 45 6.4 DISEÑO DE CANALES ................................................................................................................... 46 6.5 DIÁMETRO DE PIEDRA - REVESTIMIENTO ................................................................................ 48 7. ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS .................................................................................................... 49 7.1 ACUEDUCTO .................................................................................................................................. 49 7.2 ALCANTARILLAS ........................................................................................................................... 51 7.3 ALIVIADERO LATERAL .................................................................................................................. 53 7.4 CAÍDAS ........................................................................................................................................... 55 7.5 CAPTACIONES ............................................................................................................................... 57 7.6 DESARENADOR ............................................................................................................................. 62 7.7 DIVISIÓN DE CAUDALES – PARTIDOR FRONTAL...................................................................... 64 7.8 DIVISIÓN DE CAUDALES – PARTIDOR LATERAL ...................................................................... 66

Randon Stalin Ortiz Calle

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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 7.9 DIVISIÓN DE CAUDALES: TOMA LATERAL – CANAL BAJO LA SOLERA DEL CANAL PRINCIPAL .................................................................................................................................... 68 7.10 DIVISIÓN DE CAUDALES: TOMA LATERAL – CANAL SOBRE LA SOLERA DEL CANAL PRINCIPAL .................................................................................................................................... 70 7.11 MEDICIÓN DE CAUDALES: VERTEDERO DE CRESTA ANGOSTA ......................................... 72 7.12 MEDICIÓN DE CAUDALES: VERTEDERO DE CRESTA ANCHA .............................................. 74 7.13 RÁPIDAS ....................................................................................................................................... 76 7.14 REGULACIÓN DE NIVEL – VERTEDERO DE CRESTA LARGA................................................ 78 7.15 RESERVORIOS ............................................................................................................................ 80 7.16 SIFÓN INVERTIDO ....................................................................................................................... 82 7.17 TOMAS DE ENTREGA EN FINCA ............................................................................................... 84 8. RIEGO ............................................................................................................................................ 87 8.1. AGRONOMÍA DEL RIEGO ............................................................................................................ 87 8.2. LATERAL Y MÚLTIPLE ................................................................................................................. 88 8.3. NPSH – SUCCIÓN DE BOMBA ..................................................................................................... 92 8.4. TUBERÍAS...................................................................................................................................... 93 8.5. SIFÓN............................................................................................................................................. 94 9. DRENAJE AGRÍCOLA ................................................................................................................... 96 9.1. RÉGIMEN PERMANENTE............................................................................................................. 96 9.2. RÉGIMEN VARIABLE .................................................................................................................... 98 9.3. FLUCTUACIÓN DE LA TABLA DE AGUA ..................................................................................... 99 9.4. DREN LATERAL .......................................................................................................................... 100 9.5. DREN COLECTOR ...................................................................................................................... 101 9.6. DREN INTERCEPTOR ................................................................................................................ 102 10. HIDROLOGÍA ............................................................................................................................. 103 10.1. CAUDAL MÁXIMO ..................................................................................................................... 103 10.2. COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA .......................................................................................... 104 10.3. MÓDULO DE DRENAJE ............................................................................................................ 105 11. TRANSPORTE DE SEDIMENTOS ............................................................................................ 106 11.1. ARRASTRE MATERIAL ............................................................................................................. 106 11.2. TRANSPORTE DE SEDIMENTOS DE FONDO Y EN SUSPENSIÓN ..................................... 107 11.3. SEDIMENTOS EN LA COLUMNA DE AGUA ............................................................................ 108


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 1.

DEHIDRO

1.1

Introducción

DEHIDRO es un programa de cálculo o software elaborado para el diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje. El diseño de una estructura hidráulica, cualquiera que sea ésta, tiene dos fases, la primera trata sobre el diseño hidráulico de la estructura y la segunda, sobre el diseño estructural de la obra; este programa se enfoca en la primera fase, en el diseño hidráulico (dimensiones). Las metodologías que se utilizan en este programa provienen de los apuntes de clase y de las publicaciones realizadas por las siguientes instituciones: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

ILRI: The International Institute for Land Reclamation and Improvement, The Netherlands. IHE: Land and Water Development lecture notes, The Netherlands. DELFT – HYDRAULICS: Hydraulic research institute, The Netherlands. USBR: Bureau of Reclamation of the United States of America. SCS: Servicio de Conservación de Suelos de los Estados Unidos. GTZ: Cooperación Técnica Alemana. FAO: Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura. ANA: Autoridad Nacional del Agua de la República del Perú. PRONAR: Programa Nacional de Riego de la República de Bolivia. CIDIAT: Centro Interamericano de Desarrollo e Investigación Ambiental y Territorial de la República de Venezuela.

Este programa es una potente herramienta de cálculo que puede ser utilizado por profesionales vinculados con el diseño de estructuras hidráulicas, como: ingenieros civiles, mecánicos, agrícolas, agrónomos, agropecuarios, rurales, canales y puertos, etc. DEHIDRO permite obtener una muy buena aproximación en el diseño de sistemas de riego, drenaje, manejo y conservación de suelos y aguas, agua potable, hidroelectricidad, etc. El programa permite reducir el tiempo utilizado normalmente en el diseño de estructuras hidráulicas, analizar varios escenarios hasta alcanzar un diseño optimizado; eliminar los errores que pueden cometerse en la manipulación de datos en una hoja de cálculo; y, diseñar varios tipos de estructuras hidráulicas de tipo convencional; todo en uno. El autor del programa es Randon Ortiz Calle, de profesión Ingeniero Agrícola (graduado en la Universidad Nacional de Loja, Loja, Ecuador), Master en Ciencias en Ingeniería Hidráulica, especialidad Desarrollo de Tierras y Aguas (graduado en el IHE, Delft, Holanda) y especialista en sistemas de riego y drenaje (graduado en el CEDEX, Madrid, España). El nombre DEHIDRO proviene de la unión de las palabras Diseño de Estructuras Hidráulicas para sistemas de Irrigación y Drenaje, Randon Ortiz.


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 1.2

Prestaciones del programa

El programa está estructurado en siete módulos de cálculo (submenús): Hidráulica Aplicada, Canales, Estructuras Hidráulicas, Riego, Drenaje, Hidrología y Sedimentos; y, un submenú, para el ingreso de algunas variables (Inicio). Figura 1.1 Pantalla principal del programa

En la parte superior de la pantalla principal, se observa el menú principal (INICIO,..,SEDIMENTOS); en la parte central, el nombre del programa y en la parte inferior, la versión y el autor, así como otra información. 1.2.1

Inicio Figura 1.2. Módulo INICIO

El módulo Inicio, tiene cuatro componentes: Obtener código; Acerca de DEHIDRO; Variables y Salir.

Figura 1.3. Obtener Código

Este componente sirve para obtener el código del programa, el cual deberá enviarse a la dirección de correo electrónico descrita, para obtener la licencia para su funcionamiento; DEHIDRO no es un programa de uso gratuito, cuenta con derechos de propiedad intelectual. Figura 1.4. Acerca de DEHIDRO

En este componente se describe en forma general sobre el autor, la web y el correo electrónico para una mayor información. Figura 1.5. Variables Ambientales

SALIR

Este componente se utiliza para determinar las variables ambientales como: gravedad terrestre, densidad del agua y la viscosidad cinemática; técnicamente es necesario ajustar dichas variables para las condiciones locales; por ejemplo, la gravedad terrestre para una localidad ubicada a 4 grados de latitud sur y a 2100 msnm, es de 9.77 m/s2 y no de 9.81 m/s2. Permite Salir del programa.


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 1.2.2

Módulos Principales de DEHIDRO

DEHIDRO está estructurado en siete (7) grandes áreas de diseño, con un total de 47 módulos de cálculo. Cuadro 1.1. Módulos de cálculo de DEHIDRO Área Módulos Ancho crítico – Contracción Máxima Eficiencia Hidráulica Orificios y Compuertas Potencia Hidráulica Hidráulica Aplicada Tirante Crítico Tirante Normal Salto Hidráulico Vertederos Rugosidad Percolación y Evaporación Canales Parámetros Técnicos Diseño Canal Diámetro piedra - revestimiento Acueducto Alcantarilla Aliviadero Lateral Caídas Captaciones Desarenador Estructuras Hidráulicas División Proporcional Caudal (4) Medición de Caudal (2) Rápidas Regulación de Nivel Reservorios Sifón Invertido Tomas Entrega Finca Agronomía del Riego Lateral y Múltiple Riego NPSH – Succión bombas Sifón Tuberías Régimen permanente Régimen variable Fluctuación tabla agua Drenaje Agrícola Dren lateral Dren colector Dren interceptor Caudal máximo Hidrología Coeficiente de escorrentía Módulo de drenaje Arrastre de material Transporte Sedimentos Transporte de sedimentos Distribución sedimentos columna


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INSTALACIÓN DEL PROGRAMA

El programa es la versión 1.0, tiene un tamaño de 7.2 megabytes; las necesidades técnicas computacionales para su funcionamiento son las mínimas. 2.1

Instalador

En la carpeta Instalador existen los archivos que se muestran en la figura 2.1. Figura 2.1. Archivos existentes en la carpeta INSTALADOR

2.2

Instalación

Para instalar el programa DEHIDRO hacer doble click en el archivo “setup”; durante la instalación se presentaran algunos mensajes, para los cuales se recomienda mantener los programas existentes y omitir los que el programa va a instalar; al final del proceso, debe verificarse que el archivo se instale en la siguiente dirección (crear la carpeta DEHIDRO): C:\DEHIDRO\ Los archivos que se instalarán se presentan en la siguiente figura. Figura 2.2. Archivos que se instalaran

2.3

Clave

Una vez instalado el software, se debe obtener el código (Menú: INICIO\Obtener Código) y enviarlo a la dirección de correo electrónico: [email protected] [email protected] o a los distribuidores autorizados. Con el código, se creará la clave para el uso del programa (archivo DEHIDRO.txt) y este archivo deberá grabarse en la carpeta: C:\DEHIDRO\. 2.4

Recomendación

Se debe verificar que en “la configuración regional y de idioma”, el símbolo decimal sea el punto “.” y el símbolo de separación de miles la coma “,”.


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Derechos de autoría y de propiedad intelectual

EL PRESENTE PROGRAMA NO ES DE USO LIBRE, CUENTA CON DERECHOS DE AUTORÍA Y DE PROPIEDAD INTELECTUAL. EL USO INDEBIDO DEL MISMO, SIN LA AUTORIZACIÓN DEL AUTOR, ING. RANDON ORTIZ CALLE, SERÁ LLEVADO ANTE LOS TRIBUNALES DE JUSTICIA PARA RESOLVER EL CONFLICTO. DE IGUAL MANERA, QUEDA TERMINANTEMENTE PROHIBIDO SUBIR O CARGAR EL INSTALADOR EN LA NUBE DE INTERNET, DE HACERLO, SERÁ DENUNCIADO ANTE LOS PROPIETARIOS DE LAS WEBSITES (scribd.com, 4shared.com, dropbox.com, etc., en donde sea alojado) Y DENUNCIADOS ANTE LOS TRIBUNALES DE JUSTICIA. CUALQUIER INFORMACIÓN SOLICITARLA A: AUTOR: Ing. RANDON ORTIZ CALLE, MSc. [email protected] [email protected] BLOG:

irrigationengineering.blogspot.com


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TRABAJANDO CON DEHIDRO Figura 3.1. Pantalla del módulo Tirante Normal

En la figura 3.1, se observa cuatro (4) áreas de trabajo: 1), tipo de sección, variable a calcular y esquema de la estructura; 2), ingreso de datos (solo valores); 3), Menú de ejecución; y, 4), la matriz de cálculos. Cuadro 3.1. Descripción del menú de ejecución

Menú de trabajo.

Botón cargar: Botón calcular: Botón exportar: Botón borrar: Salir:

Al presionar el botón, se cargará un set de datos para llenar valores en el área de ingreso de datos. Realiza el cálculo de los parámetros de la matriz de cálculos. Exporta a Excel los datos de la matriz de cálculos. Borra los datos del área de ingreso y de la matriz de cálculos. Cierra el módulo en ejecución y regresa al menú principal.

En el área de ingreso de datos, se debe ingresar solo valores reales; si se ingresa una letra, el programa asume que no se ha ingresado el valor y requerirá su ingreso para el proceso; los datos se ingresan en las celdas de color blanco (para pasar a una caja de texto, debe presionarse la tecla “tab” o con la ayuda del mouse). La secuencia de trabajo para este módulo es: escoger la sección transversal del canal, escoger la variable a calcular, ingresar los datos, calcular y exportar a Excel en caso de ser necesario.


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FUNDAMENTOS BASICOS DE HIDRÁULICA, RIEGO Y DRENAJE

4.1

Hidráulica

4.1.1 Flujo en canales abiertos Conservación de la masa. Los primeros conceptos sobre la ecuación de la continuidad del flujo en tuberías y en canales abiertos fueron descritos por Leonardo da Vinci; y, esta ley establece que, a nivel infinitesimal, en una sección de control (secciones de ingreso S1 y de salida S2), el caudal que ingresa en la sección 1 es igual al caudal que sale por la sección 2; sin embargo, en la realidad, los canales en tierra o revestidos y en longitudes considerables, presentan una disminución paulatina del caudal en la dirección del flujo, por efectos de las pérdidas por infiltración (suelo y juntas) y por la evaporación; en canales revestidos, la eficiencia de conducción es del 80%, mientras que en canales en tierra, dicha eficiencia puede alcanzar valores críticos de hasta el 50%. Cuadro 4.1. Ecuación de la conservación de la masa - continuidad

No.

Parámetro

Ecuación

1

Ecuación de la Continuidad

2

Caudal (m3/s)

3

Igualando términos

Q1  Q2 Q  A V A1  V1  A2  V2

4

Velocidad (m/s)

V1 

D  A2  V2  V2   2  A1  D1 

2

Q, caudal (m3/s); A, área (m2); V, velocidad (m/s) Cuadro 4.2. Ecuaciones para el flujo en canales

No.

Parámetro

1

Velocidad de Manning (m/s)

2

Conservación de la masa

3

Caudal Manning (m3/s)

4

Velocidad de Chezy (m/s)

5

Coeficiente C de Chezy – Gauguillet - Kutter (n, coeficiente de Kutter)

6

Coeficiente C de Bazin (m, rugosidad de Bazin)

6

Coeficiente C – Flujo laminar – Van Rijn´s

Ecuación

1  R 2 / 3  So1/ 2 n Q  A V 1 Q  A   R 2 / 3  So1/ 2 n V  C  R  So V

0.00155 1  So n C n  0.00155  1  23   So  R 87 C m 1 R 23 

   12 y   C  18  log  3.3      u* 


10

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje   12 y C  18  log    ks  3.3  u * 

7

Coeficiente C – Zona transición – Van Rijn´s

8

Coeficiente C – Flujo turbulento – Van Rijn´s

9 10 11

Velocidad cortante - Van Rijn´s (m/s) Factor ks - Van Rijn´s (m) Factor ks1 - Van Rijn´s (m)

     

 12 y  C  18  log   ks  u*  g  y  So ks  ks1  ks2 ks1  4.5  d 50 (valor menor 0.01 m)

Factor ks2 - Van Rijn´s (m)

3.42d   ks2  0.77  d  1  e y  

13

Factor d - Van Rijn´s

d  d  0.11  y   50   1  e 0.5T  25  T   y 

14

Factor T - Van Rijn´s

T

15

Velocidad cortante crítica Van Rijn´s (m/s)

u*cr 

16

Fuerza tractiva - Van Rijn´s (N/m2)

17

Coeficiente C en función de rugosidad de Manning

18

Caudal Chezy (m3/s)

12

0.3



   



u*  u*cr 2 u*cr 2 2

19 20

Rugosidad Manning Strickler Franco de seguridad (Fs, m)

 cr

R  cr  g    R  So 1  R1 / 6 n Q  A  C  R  So

C

n  0.0152d50

1/ 6

Fs  0.5521 2  y

Q, caudal (m3/s); A, área (m2); V, velocidad media del agua (m/s); R, radio hidráulico (m); So, pendiente (m/m); n, rugosidad Manning; C, coeficiencte de Chezy; , viscosidad cinemática (m2/s); y, tirante (profundidad del agua perpendicular a la solera del canal, m); g, gravedad terrestre (m/s2); d50, diámetro análisis granulométrico (mm); Fs, franco de seguridad (m);  ,



densidad del agua (kg/m3). Cuadro 4.3. Coeficientes m y n

Material Madera bien cepillada Enlucido con cemento muy liso Vidrio Mampostería de ladrillo Mampostería de piedra

m (Bazin) 0.10 0.40 0.40


n (Kutter) 0.009 0.010 0.010 0.014 0.014

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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Cuadro 4.4. Fórmulas para canales de varias secciones transversales

Conservación de la energía. Esta ley fue definida por Daniel Bernoulli (1738) y estableció que la energía por unidad de volumen existente en la sección S1 es igual a la energía por unidad de volumen existente en la sección S2. La ecuación de la energía de Bernoulli está integrada por la energía de posición, de presión y cinemática; estableciéndose que la energía que existe en cualquier punto o sección es constante. Figura 4.1. Esquema de la conservación de la energía


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Cuadro 4.5. Fórmulas de la ecuación de la conservación de la energía

Energía total Conservación de la energía

Z1 y Z2

P1

y



2

P2



2

V1 V2 y 2g 2g

Hf

Z

P





P1

V2  ctte 2g 2

2

V P V Z 1   1  Z 2  2  2  Hf  2g  2g Corresponden a la energía de posición o potencial de cada sección alineadas a un nivel de referencia; estos valores corresponden a las alturas topográficas a las que están localizadas las secciones S1 y S2 con relación a un Datum vertical arbitrario; este datum vertical puede ser el punto más bajo (topográficamente hablando) de la sección o red en análisis. Es la energía de presión hidráulica o piezométrica que existe en cada una de las secciones; en canales abiertos, este valor corresponde al tirante, calado o profundidad del agua; y, en tuberías, a la carga hidrostática. Es la energía cinética existente en cada sección; en tuberías, la velocidad del agua depende del caudal y de la sección del conducto; en canales, la velocidad depende del radio hidráulico, de la pendiente y de la rugosidad del cauce. La velocidad del agua se incrementa cuando el diámetro de la sección se reduce y viceversa. Es la pérdida de carga que se produce entre las secciones 1 y 2; en tuberías, la pérdida de carga corresponde a la suma de las pérdidas de carga por la longitud de la tubería y por las pérdidas de carga localizadas; en canales, por las pérdidas de carga por las contracciones, en el tramo de la estructura hidráulica y por el ensanchamiento (al final de la estructura).

Las pérdidas de carga están integradas por las pérdidas producidas en la sección del canal y las localizadas en las estructuras hidráulicas (contracción y ensanchamiento de la sección, entre otras). Figura 4.2. Pérdidas de carga localizadas

En la figura 4.2, entre las secciones BC1 - S1 y S4 – BC2, se producen las pérdidas de carga en la sección del canal (dada por el diferencial topográfico entre ellas); entre la sección S1 – S2, se produce una pérdida localizada por contracción o convergencia; entre la sección S2 – S3, se produce una pérdida de carga localizada por la sección contraída; y, entre la sección S3 – S4, se produce una pérdida de carga por ensanchamiento o divergencia de la sección; en el diseño de estructuras hidráulicas debe incluirse el cálculo de este tipo de pérdidas, especialmente en: bocatomas, desarenadores, alcantarillas, acueductos, etc.


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Cuadro 4.6. Pérdidas de carga localizadas en canales (ver figura 4.2)

No.

Parámetro

Ecuación

1

Pérdida por contracción gradual

Hf1

2

Pérdida en tramo contraído

 0.7937  n  V2  V3    Hf2  L    R2  R3 2 / 3  

3

Pérdida por ensanchamiento gradual

Hf3  Ko 

V  V 2  Ki  2 1 2g

2

V3  V4 2 2g

Ki, coeficiente de pérdidas de carga en la transición de entrada; Ko, coeficiente de pérdidas de carga en la transición de entrada Cuadro 4.7. Coeficientes de pérdidas de carga en transiciones

Coeficiente de pérdidas de carga en la transición Tipo talud Ki Ko Pared frontal 0.3 1.1 Talud 1:1 0.06 0.87 Talud 2:1 0.06 0.68 Talud 2.4:1 0.1 0.4 Talud 3:1 0.06 0.41 Talud 4:1 0.06 0.27 Conservación del Momentum. La ecuación del Momentum se deriva de la segunda ley de Newton, la cual establece que, la suma de las fuerzas que actúan en entre dos secciones consecutivas es igual a la masa (densidad por volumen) por la aceleración de la gravedad terrestre; en otros términos, la cantidad de movimiento de un fluido por unidad de tiempo (  QV) entre las secciones infinitesimales S1 y S2 es igual a la diferencia entre las fuerzas ejercidas por el fluido entre dichas secciones. Figura 4.3. Esquema análisis conservación del Momentum

Fuente: Edin Bundick (http://slideplayer.com) Cuadro 4.8. Ecuaciones del Momentum

No.

3

Parámetro Segunda Ley de Newton Ecuación general del momentum Fuerza 1

4

Fuerza 2

1 2

Ecuación

F  m a

F1  F2  WSin  Ff  Fa  Q(V2  V1 ) F1    h1  A1 F2    h2  A2


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 5

Fuerza de resistencia

6

Fuerza de resistencia Ecuación del Momentum simplificada Caudal unitario sección rectangular Centroide para una sección rectangular Ecuación final del Momentum (sección rectangular)

7 8 9 10

Ff    P  L Fa    ho  Ao  Q   Q      h1 A1         h2 A2  g  A1   g  A2 

  

Q b y h 2

q

2

2

y1 q2 y q2   2  2 g  y1 2 g  y2

F1, fuerza resultante en el tirante conjugado Y1; F2, fuerza resultante en el tirante conjugado Y2; h1,2, distancia desde la superficie del agua hasta el centroide de la sección transversal (m); gama, peso específico del agua (N/m3).

Energía específica y tirantes alternos. Es la suma de las energías piezométrica (tirante) y cinética. Cuadro 4.9. Ecuaciones de la energía específica

No.

Parámetro

Ecuación

1

Energía específica

V2 E  y 2g

2

Energía específica

E  y

3

Tirantes alternos

y1 

Q2 2gA2

2

2

V1 V  y2  2  P 2g 2g

E, energía específica en una sección (m); V, velocidad media del agua (m/s); g, gravedad terrestre (m/s2); P, altura del vertedero o rasante de la solera (m)

Número de Froude. William Froude (1870), realizó su estudio para determinar la relación que existe entre la energía cinética del fluido y su relación con la energía potencial (fuerza gravitacional); concluyendo que, cuando esta relación es menor a 1 se presenta un flujo sub crítico (predominando las fuerzas de la gravedad terrestre sobre las dinámicas del flujo); cuando esta relación es igual a 1, se presenta un flujo crítico; y, cuando esta relación es mayor a 1, se presenta un flujo súper crítico (predominando las fuerzas de inercia sobre las fuerzas de la gravedad). El número de Froude depende directamente de la velocidad del flujo (radio hidráulico y pendiente) y de la sección transversal del canal. Cuando el número de Froude tiende a la unidad y es mayor a éste valor, la fuerza tractriz y la potencia del flujo se incrementan; la fuerza tractriz está relacionada directamente con la fuerza erosiva del agua y la potencia del flujo, con la capacidad de transporte de sedimentos.


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Cuadro 4.10. Ecuaciones para el número de Froude

No. 1

Parámetro Número de Froude sección rectangular

2

Número de Froude sección trapezoidal

3

Número de Froude sección triangular

4

Froude en función de la velocidad de Manning

F

Ecuación V gy

F

V g

F

b  y  m  y2 b  2 m y

V

y 2 R 2 / 3  So1/ 2 F A n g T g

F, número de Froude; V, velocidad media del agua (m/s); y, tirante del agua (m); m, talud de las paredes del cauce; T, espejo del agua (m); A, área mojada (m2); g, gravedad terrestre (m/s2); b, solera del canal (m); R, radio hidráulico (m); So, pendiente longitudinal de la solera del canal (m/1000m); n, rugosidad de Manning.

Tirante Crítico. En la hidráulica de canales, es necesario conocer el tirante crítico, así como la energía crítica o mínima para que un determinado caudal pueda fluir por una sección transversal; el tirante crítico sirve para determinar la altura máxima que debe tener un vertedero, sin que se produzca un remanso aguas arriba, entre otros usos. Cuadro 4.11. Ecuaciones para el Tirante crítico

No. 1

2

3 4 5 6

Parámetro El tirante crítico se deriva del número de Froude igual a la unidad (1). Ecuación general para cualquier tipo de sección transversal Ecuación general (sección trapezoidal, rectangular o triangular) Caudal unitario (sección rectangular) Tirante crítico (sección rectangular) Velocidad crítica (sección rectangular)

Ecuación F

V 1 g y

Q 2 Ac 3  g Tc Q 2 b  y  m  Yc 2   g b  2  m  Yc

3

q

Q b

Yc  3

q2 g

Vc  Yc  g

7

Energía crítica o mínima

3 Ec  Yc 2

8

Energía crítica o mínima

Ec  Yc 

Vc 2 2g

Yc, tirante crítico (m); Ec, energía crítica o mínima (m); Ac, área de la sección para el tirante crítico (m2); Vc, velocidad en la sección crítica (m); Q, caudal (m3/s).


16

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Salto Hidráulico. Como salto hidráulico se denomina al fenómeno en el cual, el tirante del agua pasa de súper crítico a sub crítico o es aquel fenómeno de turbulencia que se produce por la desaceleración del flujo, desde una velocidad alta (5 m/s) a una velocidad baja (1 m/s); el tirante súper crítico se denomina Tirante Conjugado Y1 y el tirante sub crítico como Tirante Conjugado Y2. Figura 4.4. Esquema análisis conservación del Momentum (salto hidráulico)

Fuente: Edin Bundick (http://slideplayer.com) Cuadro 4.12. Ecuaciones generales del salto hidráulico

No.

Parámetro Ecuación general de los tirantes conjugados

Y2 1 2   1  8  F1  1 Y1 2

2

Tirante conjugado Y1 (m)

Y1  

3


Y2  

4

Pérdida de energía (m)

H  E1  E 2 

5 6 7 8 9

Froude entre 1.0 – 1.7 Froude entre 1.7 – 2.5 Froude entre 2.5 – 4.5 Froude entre 4.5 – 9.0 Froude entre > 9.0 Longitud del salto Silvester (m) Longitud del salto Chertusov (m) Longitud del salto USBR (m)

Resalto ondulante Resalto débil Resalto oscilante Resalto estable Resalto fuerte

1

Ecuación





Y2 2  V2  Y2 Y   2 2 g 4 2

2

Y1 2  V1  Y1 Y1   2 g 4 2

10 11 12

2

Y2  Y1 3 4  Y1  Y2

L  9.71 Y1  F1  1

1.01

L  10.3  Y1  F1  1

0.81

L  6.9  Y2  Y1 

Y1, tirante conjugado Y1 (m); Y2, tirante conjugado Y2 (m); L, longitud del salto hidráulico (m); F1, número de Froude en Y1; F2, número de Froude en Y2

Perfiles para flujo gradualmente variado. El cálculo de los perfiles en el flujo gradualmente variado, se obtiene a partir de la derivación de la ecuación de la conservación de la energía (Bernoulli).


17

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Cuadro 4.13. Ecuaciones perfil gradualmente variado

No.

Parámetro

Ecuación

V2 2g

1

Ecuación de la energía

H  z y

2

Derivada respecto a la distancia x

V 2  d   2g dH dz dy      dx dx dx dx

3

(dH/dx) es la pendiente de la línea de energía (Sf)

(dz/dx) es la pendiente de la solera del canal (So)

4

Ecuación simplificada

5

Método directo

6

Pendiente de la línea de energía (Sf, m/m)

dy So  Sf  dx 1  F 2 E  E1 x  2 So  Sf

Sf 

n 2 V 2 R4/3

Z, energía de posición (m); y, tirante (m); V, velocidad media del agua (m/s); g, gravedad terrestre (m/s2); So, pendiente longitudinal de la solera del canal (m/m); Sf, pendiente de la línea de energía (m/m); F, número de Froude; n, rugosidad de Manning; R, radio hidráulico (m).

Fuerza Tractriz y Potencia del Flujo. Estos dos parámetros se utilizan en el análisis del transporte de sedimentos en canales no revestidos (tierra); la fuerza tractriz o esfuerzo cortante producido por el flujo está relacionado directamente con el grado erosivo del agua; y, la potencia del flujo, con la capacidad de transporte de sedimentos (fondo y suspensión); para evitar la erosión en la sección transversal del canal, la fuerza tractriz debe ser menor a 5 N/m2 y para evitar la sedimentación en el canal, la potencia del flujo debe mantenerse constante o creciente aguas abajo o en la dirección del flujo del agua (nunca decreciente). Cuadro 4.14. Fuerza tractriz y potencia del flujo

Fuerza tractriz (N/m2) Potencia del flujo (W/m3)

Ft    g  y  So Pf    g  V  So

Rho, densidad del agua (kg/m3); g, gravedad terrestre (m/s2); y, tirante (m); V, velocidad media del agua (m/s); So, pendiente longitudinal de la solera del canal (m/m).

Transporte de Sedimentos en canales. El cálculo del transporte de sedimentos en canales de riego ha sido estudiado en detalle en el IHE - Delft (Holanda) por los Doctores (PhD) Néstor Méndez y Khrisna Paudel, de tal manera que, en el presente documento solo se referirá al método de Bronwlie y para sedimentos d50 comprendidos entre 0.05 a 0.5 mm. Antes de presentar el método antes indicado, es necesario conocer algunas propiedades de los sedimentos.


18

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Cuadro 4.15. Ecuaciones para determinar algunas propiedades de los sedimentos

No. 1 2 3

Parámetro Velocidad de sedimentación (d<100um)

s  1 d  g 2 Vs 

Ecuación

18 

Velocidad de sedimentación (d<1000um) Velocidad de sedimentación (d>1000um)

Vs 

0.5  10  0.01 s  1 g  d 3    1   1 2  d     

s 1 d  g

Vs  1.1

4

Parámetro de la partícula

 s  1 g  D*   2  d 50  

5

Parámetro de movilidad de la partícula

cr 

6

Fuerza tractriz de exceso

T

7

Fuerza tractriz de la partícula

 ´    

8

Coeficiente C

 12h   C  18  Log   4.5  d90 

1/ 3

U*cr  cr  s  1  g  d50 s  1    g  d50 2

 ´ cr  cr V  C 

2

Vs, velocidad de sedimentación (m/s); d, diámetro promedio del sedimento (m); g, gravedad terrestre (m/s2); v, viscosidad cinemática (m/s2); d50, diámetro de la partícula (m); h, tirante (m); d90, de la partícula (m); C, coeficiente de Chezy. Cuadro 4.16. Ecuaciones transporte de sedimentos Bronwlie

No. 1 2

Parámetro Transporte de sedimentos (ppm) por ancho unitario Número de Froude del sedimento

Ecuación qs  727.6  cf  Fg  Fgcr 

1.978

 R    So 0.6601    d 50 

0.3301

V

Fg 

s  1 g  d50 0.5 V s  1  g  d50 0.5

3

Número de Froude del sedimento crítico

Fg 

4

Pérdida de energía

Fgcr  4.596  *

5

Fuerza tractiva

 *  0.22  Y  0.06(10) 7.7Y

6

Coeficiente Y

Y  Rg  s  1

7

Número de Reynolds del sedimento

g  d  Rg 



0.5293

 So 0.1405  s 0.1696



0.6

3 0.5 50

31620 

8

 canal trapezoidal

B   1.023    h

9

 canal rectangular

  0.8492   

10

Parámetro N

N 1

11

Transporte de sedimentos total (ppm, g/m3)

Qs    qs  B

B h

0.0898

 N 0.1569  m0.078

0.0361

 N 0.2106

1.978Fg Fg  Fgcr


19

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 12 13 14

Transporte de sedimentos total (Kg/s ) Conversión de Kg/s a ppm

Qs Q 1000 Qs Css   s  106 Q

Parámetro s

s

Qss 

s 

Transporte de Sedimentos en ríos. El cálculo del transporte de sedimentos en ríos puede determinarse por varios métodos, en el presente documento, se describirá el método de Engelud – Hansen. Cuadro 4.17. Transporte de sedimentos en ríos (Engelud – Hansen)

No. 1

Parámetro Transporte de sedimentos total (m2/s)

Ecuación qt 

0.05  V 5 S  1  g 0.5  d50  C 3 2

V y  So

2

Velocidad crítica (m/s)

C

3

Densidad del sedimento

4

Densidad relativa

s  2650kg / m3 s 2650kg / m3 S   2.65  1000kg / m3

5

Transporte de sedimentos total (Kg/ms)

Qt  qt  s

6

Caudal unitario (m2/s)

q

7

Transporte de sedimentos total (ppm)

Cppm 

Q b

Qt q

Vertederos. Los vertederos son estructuras que se utilizan para medir el caudal en base a la lectura de la carga hidráulica existente sobre la cresta del vertedero, medida a una distancia mínima de 4 veces la carga hidráulica aguas arriba de la estructura. Cuadro 4.18. Fórmulas para Vertederos

No.

Tipo de vertedero

1

Cresta corta

2

Cresta ancha

3

V - Notch (triangular, ángulo de 90 grados)

Ecuación

2  Cd  B  2 gH 3 / 2 3 2 2 3/ 2 Q   Cd  B  H 3 3

Q

Q

8 2 5/ 2    Cd  tan   H 15 3 2


Coeficiente

H P H Cd  0.93  0.10  L

Cd  0.611  0.08 

Q  1.37  H 2.48

20

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje

4

Cipolleti (trapezoidal, talud 4:1)

Q  Cv  0.63  B 

5

Perfil Creager

Q

2 2 gH 3 / 2 3

2  Cd  B  2 gH 3 / 2 3

Q  1.8604  H 3 / 2 Q  2.2  H 3 / 2

Cd, coeficiente de descarga; H, carga hidráulica sobre el vertedero (m); P, altura del vertedero (m); L, ancho de la cresta del vertedero (m); teta, ángulo del vertedero (grados).

Captaciones. Las obras de captación son estructuras hidráulicas construidas en un río, manantial o quebrada, cuyo objetivo es captar el agua para luego conducirla hasta el lugar de almacenamiento o entrega en las parcelas de los agricultores; existen diferentes tipos de captaciones:     

Bocatoma de captación lateral. Bocatoma Tirolesa. Toma directa lateral. Toma directa de fondo. Toma mediante lecho filtrante. Figura 4.5. Esquema de un vertedero

Se debe escoger el tipo de captación más conveniente para el proyecto y que satisfaga las características locales del sitio, debe tomarse en cuenta la característica del flujo y finalmente considerar el tipo de regulación o no del caudal, hay tipos de corrientes superficiales sin regulación y corrientes superficiales con regulación. Una captación Lateral capta el agua a través de una rejilla construida en el muro lateral de la bocatoma, el nivel del agua sobre la rejilla de entrada será controlado por una presa o azud de concreto, el cual puede ser menor o igual al ancho del río. Este tipo de toma es práctico en ríos con cauces con tirantes o profundidades del agua bajos. La bocatoma de captación lateral consta de: presa o azud, muros laterales, ventana de captación, desripiador, transición y canal de aducción, que se describen a continuación: Presa derivadora. El vertedero o presa derivadora es estructuralmente un azud (un azud es un vertedero), es una presa vertedora, suele llamarse también barraje, su función es la de elevar el nivel del agua para alcanzar el nivel requerido, de acuerdo a las necesidades de captación; el azud genera la carga hidráulica necesaria sobre la rejilla de captación, para que pueda ingresar el caudal de diseño, por tal motivo se convierte en una presa derivadora;


21

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje el nivel de la cresta se encuentra a uno o varios metros de altura sobre el lecho del río; y, está diseñado para permitir el paso de grandes avenidas (Rocha, 2012). Poza disipadora de energía. La poza disipadora de energía se encuentra ubicada aguas abajo del azud o presa derivadora, esta estructura disipa la energía mediante la formación de un salto hidráulico; inmediatamente aguas abajo de la poza y como zona de transición con el lecho del rio, se debe colocar una base de protección de piedras, denominado rip-rap (Rocha, 2012). Muros Laterales. Encauzan el agua hacia el azud y protegen los taludes, aguas arriba y aguas abajo del azud, el ancho de estos muros deber ser de 60 cm por ser de hormigón ciclópeo, pero se deben comprobar en el estudio de estabilidad de muros. Ventana de Captación. Constituyen la toma propiamente dicha; esta ventana opera como orificio sumergido; el caudal de ingreso por la ventana de captación depende de la carga hidráulica que genere la presa derivadora o azud; esta ventana lleva rejillas de protección para evitar el ingreso de materiales flotantes; la longitud de la rejilla es menor a la longitud de la presa, esto depende del caudal de diseño; la rejilla se la puede hacer en barrotes con una separación de 3 a 10 cm y barras de diámetro ½”, ¾” o 1” (Rocha, 2012). Cámara de recolección y desripiador. Normalmente es cuadrada o rectangular con muros de concreto, en dirección normal al flujo del agua; en esta cámara se encuentra un vertedero de excesos lateral que permite evacuar el exceso de agua al rio; se encuentra ubicado aguas abajo de la ventana de captación y permite sedimentar los sólidos inorgánicos durante las crecidas (gravas pequeñas y arenas). Canal de aducción. Es la estructura que transporta el agua desde el desripiador hasta el desarenador, la pendiente recomendada va desde 1 a 10% con el fin de asegurar una velocidad adecuada en el canal. La sección de este canal normalmente es rectangular. Figura 4.6. Esquema de la ventana de captación

Figura 4.7. Coeficiente de los barrotes

Figura 4.8. Esquema del desripiador


Figura 4.9. Compuerta

22

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 4.10. Esquema del Azud

Cuadro 4.19. Fórmulas utilizadas en captaciones (azud y toma lateral)

Parámetro

Ecuación

Carga hidráulica máxima sobre el Azud (m) Carga hidráulica mínima 1 sobre el Azud (m) Carga hidráulica mínima 2 sobre el Azud (m) Carga hidráulica mínima (m)

Q H max  ( max )2 / 3 CB Q H min 1  ( min ) 2 / 3 CB Q  Qc 2 / 3 H min  2  ( min ) CB H  H min  2 H min  min 1 2

Carga hidráulica sobre la ventana de captación (m)

 Hr  Hc    hs  H min   Hfr 2  

Coeficiente de sumergencia (Bazin) rejilla

 Hn   z   Sr  1.05  1  0.2   p2   H r  

Coeficiente de descarga de Konalov rejilla

2   Hr    Hr   Mr  0.407  0.045     1  0.285      2g  Hr  P1    Hr  P1   

1/ 3

Caudal captado en la rejilla (m3/s) Condiciones para vertedero sumergido Número de barrotes

3 2

Qr  K  Sr  Mr  Br  Hc z Hr  0.7 ( P1  Hn)  P2  1.5 P2 e b Nb  1 sb

Ancho total de la ventana de captación (m)

b´ b  Nb  t

Velocidad media en la rejilla (m/s)

Vr 

Coeficiente de pérdidas de carga en la rejilla

 t  Kr    Sen     sb  2 Vr Hfr  Kr  2g

Pérdida de carga en la rejilla (m) Caudal máximo en la rejilla (m3/s)

Qc b´Hr

Qr max 

4/3

g  2  H max  Hr  2  hs  1 Kr  2 2 2 0.36  Hr  b Hr  b´2


23


qo P  H max

Velocidad de acercamiento al azud (m/s)

Vo 

Caudal específico sobre el azud

qo  C  H max

Coeficiente de sumergencia en el desripiador

 Hn   z   S  1.05  1  0.2   p3   H vr  

Coeficiente de descarga de Konalov para el desripiador Caudal por una compuerta (m3/s) Coeficiente de descarga “CV” para la compuerta

3/ 2 1/ 3

2   Hvr    Hvr   M  0.407  0.045     1  0.285      2g  Hvr  P2    Hvr  P2   

Qc  Cd  a  b  2 gH CV  0.96  0.079 

a H

0.62  CV 0.62  a 1 H

Coeficiente de descarga “Cd” para la compuerta

Cd 

Carga hidráulica total en el desripiador (m)

To  Zo  P2  Hvr 

Tirante conjugado Y1 (m); k (0.9 1.0)

Y1 

Número de Froude para Y1

F1 


Y2 

V2 2g

q k  2 g  To  Y1  V1

g  Y1 





Y1  1  8F1  1 2 L  4  Y2 Lb Lt  2  Tan(12.5o )

Longitud del desripiador (m) Longitud de la transición (m) Carga hidráulica sobre el azud; ha, carga de velocidad; si P/H > 1.33

Ho = Hmax + ha

Coeficiente de descarga sobre el azud, para P/H < 0.5

 P   P  C  2.025     1.8     1.704  Ho   Ho 

Coeficiente de descarga sobre el azud, para 0.5 < P/H < 2.5; si C > 2.5, C = 2.18

 P   P  C  0.034     0.145     2.031  Ho   Ho 

Coordenadas XY del cimacio

 X 1.85  Y  0.50 0.85  H 

Altura del dentellón del final del zampeado (m)

Zo  1.15  Y2  Yn

Espesor del zampeado (Taraimovich, m)

Q 0.25 Tz  0.2     H max  P  Zo  Y2  B   Q Yo  1.3   H max  P  Zo  Y2   Yn B

2

2

0.5

Profundidad de socavación aguas abajo del dentellón (m) Altura de los muros laterales y de ala (m) Longitud del enrocado aguas arriba del azud (m)

HT  1.2  P  H max  L1  2.5  H max


24


Hs  0.1

Altura de seguridad Longitud del enrocado aguas abajo (m) Velocidad máxima del agua para evitar la erosión del material del enrocado (m/s)



2  g  Zo  P  0.5  H max   Y2

L2  1.5  Hs  H max 



   a    Dp Vmax  1.2  2 g   s  a 

Hn, carga hidráulica sobre rejilla (m); p2, altura de la parte inferior de la compuerta respecto de la base del desripiador (m); Hr, altura de la rejilla o ventana de captación (m); P1, altura de la ventana de captación (m); z, pérdida de carga en la rejilla (m); t, ancho del barrote (m); sb, separación entre los barrotes (m); beta, factor de pérdidas de carga en la rejilla; teta, ángulo de inclinación de la rejilla (grados); Vo, velocidad de acercamiento del agua al azud (m/s); C, coeficiente de descarga del azud (2.18); Hvr, carga hidráulica sobre el vertedero de salida del desripiador (m); zo, diferencia de nivel entre la cota del cauce del río y entre el fondo del desripiador (m); Hr, altura de la rejilla (m); k, coeficiente varía entre 0.9 y 1.0; Zo, altura del dentellón (m); Y, coordenada vertical sobre el cimacio (m); X, coordenada horizontal sobre el cimacio (m); Dp, diámetro de la piedra (m); hs, altura de sumergencia entre la cresta del azud y la ventana de captación (m); Br, ancho rejilla (m); rhos, densidad del material (2650 kg/m3);  a , densidad del agua (1000 kg/m3).

4.1.2 Hidráulica de tuberías Velocidad del agua. La velocidad media del agua en una sección cualquiera, se determina en función del caudal y del diámetro interno de la tubería. Cuadro 4.20. Fórmulas utilizadas en tuberías

No. 1

Parámetro Velocidad media del agua (m/s); caudal (m3/h); DI, diámetro interno (mm)

2

Pérdidas de carga. Hazen – Williams; caudal (m3/h); DI, diámetro interno (mm)

3

Pérdidas de carga. Darcy – Weisbach; D, diámetro interno (m)

4

5 6 7

Pérdidas de carga. Darcy – Blasius caudal (m3/h); DI, diámetro interno (mm, menor a 110 mm) Pérdidas de carga. Darcy – Blasius caudal (m3/h); DI, diámetro interno (mm, mayor a 110 mm) Longitud desarrollada (m); X, distancia horizontal (m); Y, desnivel vertical (m) Caudal que puede transportar una tubería (l/s); diámetro en pulgadas y n varía entre 2 – 2.5

Ecuación

V

354  Q DI 2

Q Hf  1.131E 9    C  Ld V 2 Hf  f   D 2g Hf  8.31E 4 

1.852

 DI  4.87  Ld

Q1.76  Ld DI 4.76

Hf  8.288E 4 

Q1.76  Ld DI 4.76

Ld  X 2  Y 2

Q  Dn

La velocidad media del agua en una red de tuberías varía de 0.6 a 3 m/s. El valor mínimo de 0.6 m/s, permite transportar los sedimentos y el aire que se acumula en ciertos tramos de una red de tuberías. El valor máximo de 3 m/s, permite obtener la máxima eficiencia de transporte del agua bajo normas hidráulicas estandarizadas y en redes de conducción; en sistemas de riego, la velocidad máxima oscila entre 1.5 y 1.8 m/s.


25

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Cuadro 4.21. Límites máximos de velocidad para conductos a presión

Materiales de las paredes

velocidad máxima (m/s)

Hormigón (simple o armado)

4.5 a 5.0

Hierro fundido y hierro dúctil

4.0 a 5.0

Plástico

4.5

Acero

6.0

Plástico

4.5

Pérdidas de Carga. Una de las ecuaciones más utilizadas para el cálculo de las pérdidas de carga en las tuberías, es la ecuación de Hazen-Williams (ecuación 2, cuadro 4.20).

Para determinar las pérdidas de carga por la longitud total de la tubería, es necesario considerar la longitud desarrollada, debido a que la tubería se alinea con el perfil del terreno, el cual no siempre es plano (ecuación 6, cuadro 4:20). En el diseño de una red de tuberías, debe considerarse la longitud real o desarrollada de cada tramo de tubería, siendo esta longitud igual a la hipotenusa del triángulo formado entre el desnivel y la longitud topográfica del tramo en análisis. Para determinar las pérdidas de carga, también puede utilizarse la ecuación de Darcy – Weisbach (ecuación 3, cuadro 4:20). Cuadro 4.22. Valores del coeficiente C de Hazen-Williams

Tipo de conducto

Coeficiente “c”

Acero corrugado

60

Acero galvanizado

125

Asbesto – cemento

140

Cobre

130

PVC

140

Hormigón liso

130

Hormigón ordinario

120

Hierro fundido nuevo

130

Hierro fundido viejo

90

El factor f (Darcy – Weisbach) puede determinarse por medio de la ecuación de Colebrook White.


26


Cuadro 4.23. F en función del número de Reynolds

Fuente: http://bibing.us.es/ Cuadro 4.24. Rugosidad k (mm) para tuberías

Fuente: es.slideshare.net

Pérdidas de Carga Localizadas. Las pérdidas de carga localizadas, dependen de la energía cinética que existe en cada tramo o sección; y, del tipo y diámetro de los accesorios que se requieren utilizar.

Hl  K

V2 2g

En la ecuación anterior, Hl es la pérdida de carga localizada (m), K es la constante que depende del tipo de accesorio y de su diámetro, V es la velocidad del agua (m/s) y g es la gravedad terrestre (9.81 m/s2). En el diseño de una red de tuberías, un incremento del 10 al 15% en las pérdidas de carga de las tuberías, es un buen parámetro para integrar las pérdidas de carga localizadas.


27


Cuadro 4.25. Coeficiente de pérdidas de carga (K) en accesorios de tuberías

Fuente: http://bibing.us.es/ Cuadro 4.26. Longitud equivalente de accesorios para tuberías

Fuente: http://maquinariasyequiposindustriales.blogspot.com/

Golpe de Ariete. El golpe de ariete es una onda de sobre presión que se produce en tuberías por el efecto de cambios en la dirección del flujo (accesorios) y durante el cierre de válvulas, las cuales producen una desaceleración del flujo.


28

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Cuadro 4.27. Fórmulas para el golpe de ariete

No.

Parámetro

1

Celeridad de la onda (m/s)

2

Sobre presión en tuberías de impulsión (T<2L/c)

3

Sobre presión en redes de tuberías (m)

Ecuación

1425 K D 1  E e c V ha  g 2  L V ha  g T

c

C, celeridad de la onda de sobrepresión (m/s); K, módulo de elasticidad del fluido (Kg/m2); E, módulo de elasticidad de la tubería (Kg/m2); e, espesor de la pared del tubo (m); D, diámetro interno de la tubería (m); ha, sobre presión (m); V, velocidad del fluido (m/s); L, longitud de la tubería (m); T, tiempo de cierre de la válvula (m); g, gravedad terrestre (m/s2).


29


Riego

4.2.1 Diseño Agronómico El diseño agronómico de un sistema de riego cubre un proceso de cálculos hasta concluir con la determinación del tiempo, la frecuencia de riego, número de turnos y apertura de válvulas por turno. Cuadro 4.28. Fórmulas para el diseño agronómico en riego por goteo

No. 1

Parámetro Profundidad radicular efectiva (m)

Ecuación

Pr  0.8  P

2

Lámina de agua aprovechable (mm)

 CC  MP  LAA     Pr  100 

3

Lámina neta (mm)

LN  p  LAA

4

Diámetro del bulbo húmedo (m)

W  0.0094  z 

5

Separación entre emisores (m)

6

Número de emisores por planta

7

Porcentaje de humedecimiento

Pw 

8

Lámina de agua fácilmente aprovechable (mm)

LNx  LN  Pw

9

Frecuencia de riego (d)

Fr 

10

Lámina total de riego (mm)

LBx 

11

Fracción de lavado (%)

12

Intensidad de precipitación (mm/h)

13

Tiempo de riego para la lámina total (h)

14

Tiempo de riego diario (h)

15

Número de Turnos por día

16

Caudal en la sub unidad de riego o por válvula (m3/h)

Q sur  10  A  Ip

17

Número de válvulas a operarse por turno

18 19

Número de válvulas a irrigarse por día Caudal ficticio continuo (l/s/ha)

Qr Qsur NVD  NVT  NT qfc  0.11574  ETr

0.35

Se  0.8  W Sp Ne  Se

 q     Ks 

0.33

Ne  Se  W  100 Sp  Sl

LNx Td Td Td ó Efa (1  FL )

ECa 2  ECx q Ip  Sl  Se LBx Tr  Ip Etr Tr  Efa  Ip Jt NT  Tr FL 

NVT 

P, profundidad radicular total (mm); Pr, profundidad radicular efectiva (mm); LAA, lámina de agua aprovechable (mm); CC, contenido de humedad a capacidad de campo en términos de volumen (%); MP,


30

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje contenido de humedad de marchitez permanente (%); LN, lámina neta (mm); p, porcentaje de agotamiento del agua en el suelo (%); q, caudal del emisor (l/h); Ks, conductividad hidráulica de saturación (m/s); z, profundidad del bulbo húmedo (0.3 m); W, diámetro del bulbo húmedo (m); Se, separación entre emisores (m); Ne, número de emisores; Sp, separación entre plantas (m); Pw, porcentaje de humedecimiento (%); Sl, separación entre laterales (m); LNx, lámina rápidamente aprovechable; Td, transpiración diaria (mm/d); Fr, frecuencia de riego (d); Efa, eficiencia de aplicación (%); FL, fracción de lavado (%); Eca, electro conductividad del agua de riego (dS/m); Ecx, conductividad eléctrica del extracto de saturación (dS/m); Ip, intensidad de precipitación (mm/h); Tr, tiempo de riego (h); NT, número de turnos por día; Jt, jornada de operación del sistema de riego (h); Qsur, caudal en la subunidad de riego (m3/h); A, área de la subunidad (ha); Qr, caudal de riego (m3/h); NVD, número de válvulas a abrirse por día; qfc, caudal ficticio continuo (l/s/ha); Etr, evapotranspiración real del cultivo (mm/d).

4.2.2 Diseño Hidráulico de una sub unidad de riego El diseño de la sub unidad de riego, el cual comprende el lateral de riego, la distribuidora o tubería porta laterales se realiza aplicando las siguientes ecuaciones. Cuadro 4.29. Fórmulas para el diseño hidráulico del lateral y distribuidora

No 1

Parámetro Ecuación de un emisor

2

Máxima pérdida de carga en una sub unidad de riego (m)

3

Pérdida de carga en el lateral de riego (m)

4

Factor de salidas

5

Presión requerida a la entrada del lateral (m)

6

Presión de entrada en la tubería porta laterales (m)

7

Presión al final del lateral (m)

8

Variación de caudal en la sub unidad (%)

9

Potencia de bombeo (HP)

Ecuación

Qe  k  H 0.1 DH   H  Hfl  Hfm x 1.852 9  Ql  Hfl , m  1.131E    DI  4.87  L  F  135   1 1 m 1 F   m  1 2N 6N 2 Z Hl  Ha  0.77  Hfl  2 Z Hm  Hl  0.77  Hfm  2 Z Hn  Ha  0.23  Hfl  2 x x Hm  Hn VQ  100 Hm x Q H HP  2.7  x

10

Diámetro equivalente (mm)

2.6296   D  2.6296  D   De  D1  1   2   ..   n    D1    D1 

11

Pérdida de carga (Blasius) en un múltiple con 3 diámetros (m); Qm (l/s)

Hfm 

Q  Q1 F  L  7.89 E 7  Q1   4.75  2 4.75 100  Qm D D 2  1 2.75

2.75

0.3803

2.75



Q3

2.75

 Q2

D3

4.75

2.75

  

Qe, caudal del emisor (l/h); k, coeficiente del emisor; H, carga hidráulica (m); x, exponente de descarga del emisor; Hfl, pérdida de carga en el lateral (m); Hfm, pérdida de carga en la tubería porta laterales (m); Ql, caudal del lateral (m3/h); DI, diámetro interno de la tubería (mm); L, longitud de la tubería (m); F, factor de salidas; m, exponente de descarga del caudal (1.852); N, número de salidas; Hl, presión de entrada en el lateral (m); Hm, presión de entrada en la tubería porta laterales (m); Ha, carga nominal del emisor (m); Hn, presión a final del lateral (m); Z, desnivel topográfico en el lateral o porta laterales (m); VQ, variación del caudal en la sub unidad de riego (%); HP, potencia de la bomba (HP); n, eficiencia de funcionamiento del grupo (bomba más motor, %); De, diámetro equivalente (mm); D1, diámetro principal (mm); D2, diámetro de la tubería en paralelo (mm). Múltiple: D1,D2,D3, diámetro interno de la tubería (mm); Q1,2,3, caudal (l/s); Qm, caudal en el múltiple (l/s); DH, máxima pérdida de carga en el emisor (m).


31


Drenaje Agrícola

El drenaje agrícola permite incorporar a la agricultura tierras anegadas e improductivas, a través de la remoción del exceso de agua mediante sistemas de drenaje parcelarios y una red de canales colectores. Previo al diseño de un sistema de drenaje, deben realizarse los siguientes estudios: clima, suelos, hidrogeología, cultivos, topografía, tabla de agua freática, etc. En el presente documento se presentan las ecuaciones utilizadas en el diseño de sistemas de drenaje. Cuadro 4.30. Fórmulas utilizadas en el diseño de sistemas de drenaje

No 1

2

3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Parámetro Ecuación de Hooghoudt para suelos homogéneos y entre dos estratos Ecuación de Ernst para drenes en el horizonte inferior Ecuación de Ernst para drenes en el horizonte superior Ecuación de Glover – Dum para suelos homogéneos y régimen no permamente Caudal drenaje por un dren (zanja o tubería)

Ecuación

q

8K 2 dh  4 K1h L2

2

 Dr  h  2 D1c h  2 D1c  L2 L         Ln R  K1 K 2  8  K1D1c  K 2 D2   K 2  p 





 a  Dr  h Dv L2 L      Ln R K1 8  K1D1  K 2 D2   K1  p 



0.5

 Kdt   ho  L      Ln1.16  ht      q  Ll  Sl Qd  q  A  Ff



0.5

Diámetro del dren para tuberías lisas (m) Diámetro del dren para tuberías corrugadas (m)

Dd  0.1913  Q0.3685  SoL0.2108

Profundidad del estrato equivalente (m)

d

Profundidad del estrato impermeable (m) Carga hidráulica sobre el dren (m) Perímetro mojado para tubería (m) Perímetro mojado para zanja más tubería (m) Perímetro mojado para zanja (m)

D  PEI  PD  r ( y)

Dd  0.2557  Q0.375  SoL0.1875 D D D   ln    1  L  p 8

h  PD  PTA  r ( y) p  r

p  b  4r p  b  2 y  1  m2

q, recarga (m/d); K1, K2, conductividad hidráulica de saturación (m/d); h, carga hidráulica sobre el dren (m); L, separación entre drenes (m); p, perímetro mojado (m); t, tiempo de drenaje (d); u, porosidad drenable (decimal); A, área de drenaje del dren (m2); Ll, longitud del dren lateral (m); Sl, separación entre los drenes laterales (m); Ff, factor de seguridad para el dren (0.55); So, pendiente del dren (m/m); Dd, diámetro del dren (m); p, perímetro mojado (m); b, ancho de la zanja (m); r, radio del tubo (m); m, talud de la zanja; y, tirante en la zanja (m); PEI, profundidad del estrato impermeable (m); PD, profundidad del dren (m); PTA, profundidad de la tabla de agua (m).


32


HIDRÁULICA APLICADA

5.1

ANCHO CRÍTICO – GARGANTA - CONTRACCIÓN

OBJETIVO DEL MÓDULO. Calcular el ancho mínimo de una sección de canal rectangular para formar un flujo crítico. USO PRÁCTICO. Esta estructura se utiliza con mayor frecuencia para medición de caudales (medidores Parshall) en canales de riego, en riego por surcos, etc. Figura 5.1. Uso típico de la contracción de la sección

Fuente: web.deu.edu.tr

Fuente: colors-and-grays.blogspot.com

Fuente: www.interempresas.net

El objetivo de esta estructura es el de formar un flujo crítico en la sección contraída o garganta, para evitar que las fluctuaciones del nivel del agua que puedan producirse aguas abajo afecten al nivel del agua aguas arriba de la sección de control; el flujo critico (flujo modular) solo se produce a caudal de diseño, cuando los caudales sean diferentes al caudal de diseño, las condiciones hidráulicas serán diferentes; tal es así que, para caudales menores no existirá el flujo modular y para caudales mayores al de diseño, se producirá un remanso aguas arriba. CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 5.2. Esquema de la contracción

Este módulo de cálculo permite determinar el ancho mínimo de una sección para obtener el flujo crítico (Número de Froude = 1). El módulo asume que aguas arriba de la contracción existe flujo sub crítico. El talud de las paredes de la estructura es vertical. Se utiliza la ecuación de la conservación de la energía (continuidad y Bernoulli).

INFORMACIÓN DE ENTRADA: la información que se requiere es: el caudal que fluye por la sección (m3/s); el tirante o profundidad normal del agua (m); la solera o ancho de la base del canal. RESULTADOS: el modulo determina: sección aguas arriba de la garganta: la velocidad promedio del agua (m/s); la energía total (m); el número de Froude; el tirante crítico (m). Randon Stalin Ortiz Calle

33


En la contracción: el tirante (m); ancho de la contracción (m); velocidad promedio del agua (m/s); energía total (m) y el número de Froude. Ejemplo: Determinar el ancho de la contracción para un caudal de 0.38 m3/s; tirante normal de 0.877 m y ancho de la base de 1.2 m; estos valores deben ser reales, para determinarlos puede utilizarse el módulo Tirante Normal (Hidráulica Aplicada). Figura 5.3. Módulo de cálculo con los resultados

El ancho crítico calculado en la sección es de 0.25 m; esto significa que, en una sección rectangular cuyo ancho es de 0.25 m, circulan 0.38 m3/s a una velocidad de 2.45 m/s Análisis: la velocidad promedio del agua se incrementa de 0.36 a 2.45 m/s; el tirante normal de 0.877 m se reduce a 0.61 m; la energía en las dos secciones es la misma debido a que no se CONSIDERAN las pérdidas de carga; de acuerdo con la ecuación de Bernoulli, si el tirante disminuye, la velocidad deberá incrementarse, con el objeto de mantener la energía constante a lo largo del sistema. El número de Froude es igual a la unidad (1), asegurando la formación del flujo crítico o modular en la sección contraída o garganta.


34


MÁXIMA EFICIENCIA HIDRÁULICA

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar las dimensiones tirante y solera del canal en secciones rectangulares y trapezoidales, por cuatro métodos; máxima eficiencia hidráulica (MEH), mínima infiltración (MI), Dahmen (canales para riego o drenaje en tierra) y USBR. USO PRÁCTICO. Esta metodología se utiliza para determinar la sección más óptima de un canal (MEH y MI); Dahmen es una metodología completa, la cual se basa en calcular una relación B/Y en función del caudal y grado de mantenimiento del canal; y, USBR, basado en una relación B/Y, determina las variables antes indicadas; estas cuatro (4) metodologías, permiten al diseñador, determinar en forma preliminar la solera y el tirante en el canal, previo al diseño definitivo; las metodologías MEH y MI son incompletas, mientras que Dahmen y USBR son prácticas; la metodología Dahmen es muy utilizada en el Asia y África para el diseño de canales de riego y drenaje, siendo la única metodología completa de entre todas las existentes. Figura 5.4. Canales no revestidos

Fuente: galeon.com

Fuente: www.omafra.gov.on.ca

Fuente: dspace.library.uu.nl

Dahmen es un método que además de determinar el tirante y la solera, determina la fuerza tractriz para evitar la erosión de la sección del canal y el transporte de sedimentos, para evitar la sedimentación a lo largo del canal. CONDICIONES HIDRÁULICAS. El tirante normal se determina para condiciones de flujo sub crítico. INFORMACIÓN DE ENTRADA: la información que se requiere es: el caudal que fluye por la sección (m3/s); la pendiente longitudinal de la solera del canal (m/1000m); el talud de las paredes del canal (m:1); la rugosidad del cauce; para el método de Dahmen, además se requiere ingresar el grado de mantenimiento de las paredes del canal. RESULTADOS: el modulo determina: el tirante normal (m); la solera del canal (m); el espejo de agua (m); la velocidad promedio del agua (m/s); el área mojada (m2); el perímetro mojado (m); el radio hidráulico; el número de Froude; la energía total (m); la fuerza tractriz o esfuerzo cortante del flujo (N/m2); la potencia del flujo (W/m3); el caudal (m3/h); y, el volumen diario (m3). Ejemplo: Determinar el tirante y la base de un canal para un caudal de 1.0 m3/s; pendiente longitudinal del 1.0 m/1000m (1 mm/m); talud (1.5:1); rugosidad de 0.044; y, mantenimiento del canal pobre. Randon Stalin Ortiz Calle

35

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 5.5. Módulo de cálculo con los resultados

Cuadro 5.1. Cálculos por los diferentes métodos Variables Caudal (Q, m3/s) Relación B/Y Base Canal (B, m) Tirante normal (Y, m) Pendiente (So, m/1000m) Talud (m) Rugosidad (n) Espejo de Agua (T, m) Velocidad (V, m/s) Area Mojada (A, m2) Perímetro Mojado (P, m) Radio Hidráulico (R, m) Número de Froude (F) Energía Total (E, m) Esfuerzo Cortante (N/m2) Potencia del Flujo (W/m3) Caudal (Q, m3/h) Volumen Diario (m3/día)

MEH

MI

1.0 0.606 0.617 1.018 1.0 1.5 0.044 3.671 0.458 2.182 4.287 0.509 0.19 1.029 9.988 4.495 3600 86400

1.0 1.211 1.089 0.899 1.0 1.5 0.044 3.786 0.456 2.191 4.33 0.506 0.192 0.91 8.819 4.477 3600 86400

Dahmen 1.0 1.76 1.454 0.826 1.0 1.5 0.0444 3.931 0.45 2.224 4.432 0.502 0.191 0.836 8.102 4.411 3600 86400

USBR 1.0 1.65 1.484 0.899 1.0 1.5 0.044 4.181 0.393 2.546 4.725 0.539 0.161 0.907 8.82 3.852 3600 86400

En el cuadro 5.1 se presentan los cálculos por los cuatro métodos: en donde se puede observar diferentes valores del tirante y la solera; de todos los métodos, Dahmen y USBR, son los que más se aproximan en sus resultados; la fuerza tractriz es la mayor en el método MEH; el método de Dahmen ajusta la rugosidad en función del tirante. Figura 5.6. Análisis de varios escenarios 0.1 1.00 1.76 2.16 1.23 0.10 1.50 0.0403 5.84 0.20 4.90 6.58 0.75 0.07 1.23 1.20 0.20 3,600.00 86,400.00

0.5 1.00 1.76 1.63 0.93 0.50 1.50 0.0427 4.41 0.36 2.80 4.97 0.56 0.14 0.93 4.55 1.75 3,600.00 86,400.00

1 1.00 1.76 1.45 0.83 1.00 1.50 0.0444 3.93 0.45 2.22 4.43 0.50 0.19 0.84 8.10 4.41 3,600.00 86,400.00

2 1.00 1.76 1.30 0.74 2.00 1.50 0.0462 3.50 0.57 1.77 3.95 0.45 0.26 0.75 14.44 11.12 3,600.00 86,400.00

So - Fuerza Tractriz 16.0

Fuerza Tractriz (N/m2)

Variables Caudal (Q, m3/s) Relación B/Y Base Canal (B, m) Tirante normal (Y, m) Pendiente (So, m/1000m) Talud (m) Rugosidad (n) Espejo de Agua (T, m) Velocidad (V, m/s) Area Mojada (A, m2) Perímetro Mojado (P, m) Radio Hidráulico (R, m) Número de Froude (F) Energía Total (E, m) Esfuerzo Cortante (N/m2) Potencia del Flujo (W/m3) Caudal (Q, m3/h) Volumen Diario (m3/día)

14.0

12.0 10.0 8.0 6.0 4.0

2.0 0.0 FT

0.10 1.20

0.50 4.55

1.00 8.10

2.00 14.44

En la figura 5.6, se presenta el análisis de varios escenarios, en este caso, para evaluar la fuerza tractriz para pendientes de 0.1, 0.5, 1.0 y 2.0 m/1000m, determinándose que a partir de una pendiente de 0.5 m/1000m puede presentarse erosión en la sección del canal.


36


ORIFICIOS Y COMPUERTAS

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar el caudal, la velocidad, la pérdida de carga, los tirantes conjugados y la longitud del salto hidráulico en orificios y compuertas. USO PRÁCTICO. Calcular el caudal en función del diámetro de la tubería o sección rectangular en orificios (salidas en carga desde reservorios, tanques de distribución, etc.); y, diseño de compuertas (ancho y altura) para desarenadores o para regulación de caudales. Figura 5.7. Orificios y compuertas

Fuente: www.nrcs.usda.gov

Fuente: www.nrcs.usda.gov

Fuente: pitalito.huila.gov.co

INFORMACIÓN DE ENTRADA: la información que se requiere es: la carga hidráulica aguas arriba del orificio o compuerta (m); el diámetro de la salida para tubería (mm); las dimensiones del orificio rectangular o compuerta (m); y, el coeficiente de descarga (Cd). Ejemplo: Determinar el flujo a través de un orificio, cuya carga hidráulica es de 0.7 m y el diámetro de la salida es de 110mm; así como, el caudal de salida por una compuerta (método del ILRI), cuya altura de operación es de 0.2 m y el ancho de la misma de 1.0 m. Figura 5.8. Resultados para el orificio y la compuerta

El caudal a través del orificio es de 25.8 l/s, la velocidad de salida de 3.04 m/s y la pérdida de carga de 0.23 m; el caudal de salida por la compuerta es de 409.8 l/s, la velocidad en la compuerta de 2.05 m/s, la longitud desde la compuerta hasta la sección contraída (Y1) de 0.32 m; los tirantes conjugados de 0.12 y 0.52 m; y, la velocidad en Y1 de 3.35 m/s.


37


POTENCIA HIDRÁULICA

OBJETIVO DEL MÓDULO. Cálculo de la potencia (kilovatios) con propósitos de generación de energía eléctrica. USO PRÁCTICO. Determinar la potencia (kW/h) que generaría un determinado caudal y carga hidráulica. Figura 5.9. Generación de energía eléctrica

Fuente: www.daviddarling.info

Fuente: www.micro-hydro-power.com

Fuente: imgarcade.com

INFORMACIÓN DE ENTRADA: la información que se requiere es: la carga hidráulica (m), el caudal disponible (m3/s) y la eficiencia de funcionamiento de la turbina. Ejemplo: Determinar la potencia en kilovatios que generaría un caudal de 0.1 m3/s, un desnivel de 80 m y una eficiencia del 90%. Figura 5.10. Potencia generada (Kw/h)

La potencia generada es de 70.63 Kilovatios por hora; si el consumo por familia es de 0.6 kilovatios por hora, la potencia permitiría suministrar energía eléctrica al menos para 100 familias.


38


TIRANTE CRÍTICO

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar el tirante crítico en secciones rectangulares, trapezoidales, triangulares y circulares; el modulo determina: el tirante crítico, la velocidad crítica y la energía crítica o mínima, el área y perímetro mojado, radio hidráulico y el número de Froude. USO PRÁCTICO. Cálculo del tirante y la energía mínima (Ec) que se requiere para que un determinado caudal pueda fluir por una sección; se utiliza para determinar la altura (p) de la cresta de vertederos, siendo la altura del vertedero P = E - Ec. Figura 5.11. Tirante crítico

Fuente: hidraulicaucentral.blogspot.com

Fuente: www.mhhe.com

Fuente: www.intechopen.com

INFORMACIÓN DE ENTRADA: la información que se requiere es: caudal (m3/s), solera (m) y talud (m:1). Ejemplo: Determinar el tirante crítico para un canal rectangular, cuyo caudal es de 1.0 (m3/s) y la solera de 1.5 m. Figura 5.12. Resultados para el tirante crítico

El tirante crítico (Yc) es de 0.36 m, la velocidad media de 1.87 m/s y la energía mínima de 0.53 m.


39


TIRANTE NORMAL

OBJETIVO DEL MÓDULO. Calcular para secciones rectangulares, trapezoidales, triangulares o circulares: el tirante normal, la pendiente, el caudal, la rugosidad; además, para cada variable anterior, determina: espejo de agua, velocidad media, área mojada, perímetro mojado, radio hidráulico, número de Froude, energía total, esfuerzo cortante, potencia del flujo, caudal, volumen diario que circula por la sección, etc. USO PRÁCTICO. Estos cálculos sirven para el diseño de canales de riego y de drenaje; además, para determinar el caudal o el tirante o la rugosidad o la pendiente de un canal en operación. CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 5.13. Esquema de la sección

El tirante normal es mayor al tirante crítico cuando el flujo es sub crítico (pendiente suave, número de Froude menor a 1); es igual al tirante crítico cuando el flujo es crítico o la pendiente de la solera es crítica (número de Froude igual a 1) y es súper crítico cuando el flujo es súper crítico (pendiente súper crítica, número de Froude mayor a 1).

INFORMACIÓN NECESARIA. La información que se requiere es: el caudal que fluye por la sección (m3/s); el tirante o profundidad normal del agua (m); la solera o ancho de la base del canal (m); la pendiente de la solera del canal (m/1000m), 1% = 10 m/1000m; talud de las paredes del canal; rugosidad de Manning promedio de las paredes del canal (n). Ejemplo: Determinar el tirante normal para un caudal de 1.0 m3/s; base o solera de 1.2 metros; pendiente longitudinal de 0.1 m/1000m (1mm/m o 0.01%); talud de las paredes del canal de 1.5; y, una rugosidad de 0.014. Figura 5.14. Módulo de cálculo con los resultados


40

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje El tirante normal calculado es de 0.877 metros; la velocidad promedio del agua es de 0.453 m/s; el número de Froude de 0.191; la energía total de 0.887 metros; el esfuerzo cortante de 0.86 N/m2 y la potencia del flujo de 0.445 vatios/m3. Para que no exista erosión en las paredes del canal (canales no revestidos), el esfuerzo cortante debe ser menor a 5 N/m2, para canales revestidos el esfuerzo cortante puede alcanzar valores de hasta 150 N/m2; el número de Froude para ambos casos debe ser menor o igual a 0.45.


41


VERTEDEROS

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar el caudal o la carga hidráulica en vertederos de cresta corta: de sección rectangular, rectangular con contracciones, triangular (V-Notch), trapezoidal (Cipolleti) y circular; y, de cresta ancha, para secciones: rectangular, trapezoidal, triangular y Creager; el modulo determina el caudal (m3/s) o la carga hidráulica por los métodos del ILRI y USDA; el método del ILRI determina un coeficiente de descarga en función de la altura del vertedero y del ancho de la solera del canal. USO PRÁCTICO. Medición de caudales en función de la carga hidráulica en vertederos existentes. Figura 5.15. Vertederos

Fuente: deq2.bse.vt.edu

Fuente: evidence.environmentagency.gov.uk

Fuente: www.lternet.edu

INFORMACIÓN NECESARIA: la información que se requiere es la carga hidráulica (m), la altura del vertedero (m), la longitud de la cresta (m), la solera del canal (m). Ejemplo: Determinar el caudal que fluye sobre un vertedero de cresta corta rectangular, cuya carga hidráulica es de 0.4 metros, longitud del vertedero de 0.5 m, altura del vertedero de 0.6 m y solera del canal de 1.2 m. Figura 5.16. Resultados para vertedero

El caudal por el método del ILRI es de 0.2239 m3/s y por el método del USDA de 0.2327 m3/s; ambos métodos proporcionan valores muy confiables.


42


CANALES

6.1

RUGOSIDAD

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar la rugosidad de Manning y Chezy por los métodos basados en: d50 (granulometría); d50 y caudal; rugosidad compuesta (solera y talud); mantenimiento de canales (pastos) y ajusta el tirante del agua en función de la rugosidad del cauce. USO PRÁCTICO. Cálculo preliminar de la rugosidad, con fines de diseño definitivo de canales de riego o drenaje. Figura 6.1. Rugosidad

Fuente: www.parkafm.com

Fuente: www.panoramio.com

Fuente: www.gomaco.com

INFORMACIÓN NECESARIA: la información que se requiere es: d50 (mm), caudal (m3/s), solera del canal (m), pendiente longitudinal de la solera del canal (m/1000m) y la rugosidad de las paredes del canal. Ejemplo: Determinar la rugosidad para un d50 de 0.5 mm; para un caudal de 1 m3/s. Figura 6.2. Resultados de la rugosidad

La rugosidad de Manning en función del d50 es de 0.0137; y, en función del d50 y caudal, de 0.0145. La rugosidad debe ajustarse al tirante y al mantenimiento del canal (canales no revestidos).


43


PERCOLACIÓN Y EVAPORACIÓN

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar la percolación por metro lineal, el porcentaje de percolación, el volumen de agua evaporado desde el espejo de agua en el canal y el porcentaje de percolación más la evaporación. USO PRÁCTICO. Cálculo de la percolación en canales y la eficiencia de conducción, con el objetivo de ajustar el diseño del canal. Figura 6.3. Percolación - Infiltración

Fuente: www.cawater-info.net

Fuente: www.intechopen.com

Fuente: www.huaralenlinea.com

INFORMACIÓN NECESARIA: caudal (m3/s), tirante (m), solera del canal (m), pendiente longitudinal de la solera del canal (m/1000m), longitud del canal (m) y evaporación diaria (mm/d). Ejemplo: Determinar las pérdidas por percolación y evaporación, para un canal revestido cuyo caudal es de 1 m3/s; tirante de 1.12 m; solera de 1.4 m; talud (1:1); longitud del canal de 10 km y evaporación diaria de 5 mm/d; y, para un canal en tierra, cuyo cauce presenta una textura franco arenoso. Figura 6.4. Resultados de la rugosidad

Para el canal revestido, las pérdidas por percolación y evaporación son del 7.87% (eficiencia de conducción del 92%); para el canal en tierra, las perdidas alcanzan el 17.66%, siendo la eficiencia de conducción del 82.34%.


44


PARÁMETROS

OBJETIVO DEL MÓDULO. Ayuda para el diseñador de canales de riego y de drenaje, permite determinar el talud recomendado en las condiciones de suelo seco y mojado en función del d50; el ángulo de reposo, la velocidad máxima, la rugosidad en función de la textura; y, la pendiente recomendada en función del d50 y del caudal. USO PRÁCTICO. Cálculo del talud en función del d50 y la pendiente longitudinal en función del d50 y del caudal. INFORMACIÓN DE ENTRADA: d50 (mm), caudal (m3/s) y textura. Ejemplo: Determinar el talud recomendado para un d50 y la pendiente longitudinal de la solera del canal para un caudal de 1 m3/s. Figura 6.5. Resultados de la rugosidad

El talud recomendado para un suelo cuyo d50 de 0.5 mm, es 2:1; y, la pendiente longitudinal mínima de la solera del canal es de 0.31 m/1000m.


45


DISEÑO DE CANALES

OBJETIVO DEL MÓDULO. Este módulo permite realizar el diseño de canales de riego o drenaje para secciones rectangulares o trapezoidales, determina: el tirante normal, la energía total, el número de Froude, la velocidad promedio; la fuerza tractriz, la potencia del flujo, la capacidad de transporte de sedimentos por el método de Bronwlie, el área mojada, el perímetro mojado, el radio hidráulico, el espejo de agua, el ancho total del canal, el perímetro total del canal y el volumen de excavación por metro lineal. USO PRÁCTICO. Diseño de canales de riego o drenaje, permite evaluar varios escenarios y tomar las decisiones más adecuadas a la hora de realizar el diseño definitivo de un canal. CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 6.6. Esquema de la sección

Para que no exista erosión en las paredes del canal (canales no revestidos), el esfuerzo cortante debe ser menor a 5 N/m2, para canales revestidos el esfuerzo cortante puede alcanzar valores de hasta 150 N/m2; el número de Froude para ambos casos debe ser menor o igual a 0.45; y, la potencia del flujo debe conservarse igual o mayor en la dirección del flujo, para asegurar que no exista sedimentación en el canal.

INFORMACIÓN REQUERIDA. La información que se requiere es: el caudal que fluye por la sección (m3/s); la solera o ancho de la base del canal (m); la pendiente de la solera del canal (m/1000m), 1% = 10 m/1000m (1mm/m); el talud de las paredes del canal; la rugosidad de Manning promedio de las paredes del canal (n). Ejemplo: Determinar el tirante normal, la fuerza tractriz y la capacidad de transporte de sedimentos, para un caudal de 1.0 m3/s; base o solera de 1.2 metros; pendiente longitudinal de 0.1, 0.3, 0.5, 1.0 m/1000m; talud de las paredes del canal de 1.5; una rugosidad de 0.018 y un diámetro d50 de los sólidos en suspensión de 0.2 mm (arena fina). Figura 6.7. Módulo de cálculo con los resultados


46

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Cuadro 6.1. Resultados para las diferentes pendientes

Sección

1

2

3

4

Q (m3/s)

1

1

1

1

B (m)

1

1

1

1

0.1

0.3

0.5

1

So (m/1000m) m

1.5

1.5

1.5

1.5

n

0.018

0.018

0.018

0.018

FS

0.5

0.5

0.5

0.5

Y (m)

1.04

0.8

0.71

0.6

V (m/s)

0.38

0.57

0.69

0.89

ET (m)

1.04

0.82

0.73

0.64

Froude

0.15

0.25

0.32

0.44

FR (N/m2)

1.02

2.36

3.47

5.84

PF (W/m3)

0.37

1.67

3.37

8.69

SS (ppm)

54.64

455.55

1078.85

3253.61

A (m2)

2.65

1.76

1.46

1.13

P (m)

4.74

3.89

3.55

3.15

RH (m)

0.56

0.45

0.41

0.36

EA (m)

4.11

3.4

3.12

2.79

T (m)

5.61

4.9

4.62

4.29

PTC (m)

6.54

5.69

5.35

4.95

YT (m)

1.54

1.3

1.21

1.1

PE (m)

6.54

5.69

5.35

4.95

VE (m3)

5.08

3.84

3.39

2.9

En el cuadro 6.1 se observa cómo: a mayor pendiente, el tirante disminuye, la velocidad se incrementa, la fuerza tractriz se incrementa, la capacidad de transporte de sedimentos se incrementa y el volumen de excavación disminuye; para la pendiente de 0.1 m/1000m, la capacidad de transporte de sedimentos es de 54.64 ppm y para la pendiente de 1.0 m/1000m, dicha capacidad es de 3253.61 ppm, 59.5 veces mayor que la primera. Figura 6.8. Análisis preliminar y análisis de la primera sección

Este módulo permite realizar una primera aproximación en las dimensiones del canal y realizar la evaluación de la primera sección: tirante vs caudal; y, tirante versus capacidad de transporte de sedimentos; para el diseño preliminar, también se puede utilizar el módulo Máxima Eficiencia (HIDRÁULICA APLICADA).


47


DIÁMETRO DE PIEDRA - REVESTIMIENTO

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar el diámetro mínimo de la piedra, grava o canto rodado para el revestimiento de las paredes de un canal no revestido, cuando exista el riesgo de erosión de la sección del cauce. USO PRÁCTICO. Ayuda a determinar las dimensiones del material para revestir canales o cauces naturales. Figura 6.9. Protección de cauces

Fuente: actualidadcanetana.blogspot.com

Fuente: globalnews.ca

INFORMACIÓN NECESARIA: tirante (m), velocidad promedio del agua (m/s) y el factor de seguridad. Ejemplo: Determinar el tamaño mínimo de la piedra para evitar la erosión, considerando un tirante de 1.8 m, una velocidad de 1.5 m/s; y, un factor de seguridad de 2. Figura 6.10. Resultados del diámetro de la piedra

El tamaño mínimo de la grava es de 3.13 cm y su peso es de 81 gramos, para evitar que el cauce se erosione por la fuerza tractriz o esfuerzo cortante producido por el flujo del agua.


48


ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS

7.1

ACUEDUCTO

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar la solera mínima del acueducto para evitar el remanso aguas arriba; además, determina: tirante a la entrada de la transición, entrada y salida del acueducto; y, salida de la transición; energía, número de Froude, remanso, longitud de la transición y la altura disponible en el franco de seguridad. USO PRÁCTICO. Diseño de un acueducto con sus entradas y salidas, entendiéndose que el canal aguas arriba y aguas abajo tienen la misma sección. Figura 7.1. Acueductos

Fuente: www.the-stenzels.com

Fuente: patermendaza.blogspot.com

Fuente: gpairway.blogspot.com

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.2. Esquema de la sección VISTA EN PLANTA L

Lt

Lt

B` A

Q

B

S1 S2

Y1 So

Y1

B

A´

B

Ba

i

S3

S4

f

Y2 So.A

Y3

Y4

So

Yn

Ba

CORTE B-B´ CORTE A-A´

La solera del acueducto debe diseñarse entre la solera para el tirante normal y el tirante crítico; para cualquiera de ellos, se debe verificar que las pérdidas de carga no produzcan un remanso aguas arriba y que éste no sea mayor al resguardo o franco de seguridad del canal. En el canal, el número de Froude debe ser menor a 0.45 y en el acueducto, menor a 0.8; debe evitarse el flujo crítico.

INFORMACIÓN NECESARIA: Información del canal aguas arriba: caudal (m3/s); Tirante normal (m); solera del canal (m); pendiente longitudinal de la solera (m/1000m); rugosidad de Manning (n); talud de las paredes del canal (m:1); altura de la pared del canal (m); transición de entrada. Información del acueducto: solera (m); pendiente longitudinal de la solera (m/1000m); rugosidad de Manning (n); longitud del acueducto (m); transición de salida. Ejemplo: Determinar los tirantes, velocidad, energía, número de Froude, remanso, longitud de la transición y el franco de seguridad, para los datos que se presentan en la figura 7.3.


49

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 7.3. Resultados del Acueducto

Para operar este módulo, primero se debe calcular el ancho o solera recomendada del acueducto (botón “ajustar”); en este caso proporciona el valor de 0.41 m, este valor debe ser ajustado a un valor constructivo, en este caso, se ha escogido el valor de 0.4 m; luego se debe presionar el botón “calcular” para obtener los resultados finales. Se observa que, el tirante en el canal de salida es de 0.738 m y el de entrada de 0.759, un incremento de 2.1 cm por efecto de las pérdidas de carga; así como, el número de Froude se incrementa de 0.21 a 0.32 en el acueducto; la velocidad se incrementa de 0.564 a 0.862 m/s y la energía varía de 0.754 a 0.839 m (pérdidas de carga más desnivel entre la entrada y la salida. Calcular las variables antes indicadas para una solera de 0.3 m y 0.6 m. Cuadro 7.1. Resultados para los escenarios 0.3 m y 0.6 m

Variables Tirante Y1 - S1 (m) Tirante Y2 - S2 (m) Tirante Y3 - S3 (m) Tirante Y4 - S4 (m) Velocidad V1 - S1 (m/s) Velocidad V2 - S2 (m/s) Velocidad V3 - S3 (m/s) Velocidad V4 - S4 (m/s) Energía E1 - S1 (m) Energía E2 - S2 (m) Energía E3 - S3 (m) Energía E4 - S4 (m) Froude F1 - S1 Froude F2 - S2 Froude F3 - S3 Froude F4 - S4 Remanso Y1 - Y4 (cm) Longitud Transición (Lt) Franco seguridad S1 (cm)

B = 0.3 m B = 0.6 m 0.866 0.736 0.814 0.736 0.709 0.736 0.738 0.738 0.481 0.566 1.023 0.566 1.175 0.566 0.564 0.564 0.942 0.816 0.93 0.814 0.781 0.754 0.754 0.754 0.16 0.21 0.36 0.21 0.45 0.21 0.21 0.21 12.82 0 1 1 13.36 26.39


50


ALCANTARILLAS

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar la solera mínima (ancho) de la alcantarilla para evitar el remanso aguas arriba; además, tirante a la entrada de la transición, entrada y salida del acueducto; y, salida de la transición; energía, número de Froude, remanso, longitud de la transición y la altura disponible en el franco de seguridad. USO PRÁCTICO. Diseño de una alcantarilla con sus entradas y salidas, entendiéndose que el canal aguas arriba y aguas abajo tienen la misma sección. Figura 7.4. Alcantarillas

Fuente: www.quality-engineering.com

Fuente: www.cseg.com

Fuente: www.hept7.com

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.5. Esquema de la sección VISTA EN PLANTA Lt1

Canal

Lt2

B` A

Ba

B

B i

Alcantarilla

S1

Q

A´

B

L

S2

S3

S4

f

H Y1 Ba

CORTE B - B´

Y3

Y2

CORTE A - A´

Y4

Yn

La solera de la alcantarilla debe diseñarse para su tirante normal (talud vertical), considerando la energía disponible aguas arriba; debe verificarse que las pérdidas de carga no produzcan un remanso aguas arriba y que éste no sea mayor al resguardo o franco de seguridad del canal. En el canal, el número de Froude debe ser menor a 0.45 y en la alcantarilla menor a 0.8; conviene evitar el flujo crítico.

INFORMACIÓN REQUERIDA: Información del canal aguas arriba: caudal (m3/s); tirante normal (m); solera del canal (m); pendiente longitudinal de la solera (m/1000m); rugosidad de Manning (n); talud de las paredes del canal (m:1); altura de la pared del canal (m); transición de entrada. Información del acueducto: solera (m); pendiente longitudinal de la solera (m/1000m); rugosidad de Manning (n); longitud del acueducto (m); transición de salida. Ejemplo: Determinar los tirantes, velocidad, energía, número de Froude, remanso, longitud de la transición y el franco de seguridad, para los datos que se presentan en la figura 7.6.


51

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 7.6. Resultados de la Alcantarilla

Para operar este módulo, primero debe calcularse el ancho o solera recomendada para la alcantarilla (botón “ajustar”); en este caso proporciona el valor de 2.95 m, este valor debe ajustarse a un valor constructivo, en este caso se ha escogido el valor de 3.0 m; luego se presiona el botón “calcular” para obtener los resultados; el ancho de la alcantarilla es el ancho neto, a partir de este valor, puede configurarse una alcantarilla de dos o tres ojos, incrementando al ancho neto, el ancho de las paredes entre alcantarillas. Se observa que, el tirante en el canal de salida es de 0.95 m y el de entrada de 0.978, un incremento de 2.80 cm por efecto de las pérdidas de carga; así como, el número de Froude se incrementa de 0.51 a 0.64 en la alcantarilla; la velocidad se incrementa de 1.34 a 1.88 m/s y la energía varia de 1.04 a 1.137 m (pérdidas de carga más desnivel entre la entrada y la salida.


52


ALIVIADERO LATERAL

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar la longitud del vertedero de excesos sin pendiente y con pendiente. USO PRÁCTICO. Cálculo de la longitud de un vertedero en captaciones, desarenadores y vertedero de excesos en canales con pendiente (flujo sub crítico); los métodos de cálculo para los vertederos de excesos sin pendiente son: Bottega y Hoogendam, Sviatoslav Krochin, ANA – Perú; para el método con pendiente se utiliza la ley de la conservación de la energía y la ecuación general del flujo espacialmente variado. Figura 7.7. Aliviadero lateral

Fuente: www.patazinforma.com

Fuente: caballeroredverde.blogspot.com

Fuente: worcestervista.com

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.8. Esquema de la sección L qx

H1

H2 x Y1

Q1

Yx

P

Y2

Q2

Q1 es el caudal máximo en el sistema; Qn es el caudal de diseño y Q2 es el caudal de diseño mayorado; la energía que permite el flujo del exceso del agua en el vertedero es la energía para el caudal máximo; para efectos de cálculo, Q2 puede ser un 20% de Qn. Para el vertedero con pendiente, mientras DX es menor, el cálculo es más preciso.

INFORMACIÓN NECESARIA: Información del canal aguas arriba: caudal (m3/s); Tirante normal (m); solera del canal (m); pendiente longitudinal de la solera (m/1000m); rugosidad de Manning (n); talud de las paredes del canal (m:1); altura del vertedero (m). Ejemplo: Determinar la longitud del vertedero para los datos que se presentan en la figura 7.9; caudal Q1 de 15 m3/s, Y1 de 3.3 m; caudal Q2 de 12 m3/s, Y2 de 2.73 m; el ancho del canal de 3 m; altura del vertedero de 2.25 m; longitud máxima de 10 metros; DX de 0.5 m; pendiente longitudinal de 0.5 m/1000m.


53

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 7.9. Resultados del vertedero

Cuadro 7.2. Resultados del cálculo del vertedero con pendiente N. Tramo Q (m3/s) Yx (m) Ax (m2) Vx (m/s) Ex (m) Yx-P (m) qx (m3/s) Suma qx (m3/s) Qt (m3/s) Yx (m) Lx (m) 1 12 2.73 8.19 1.465 2.839 0.48 0.196 0.196 12.196 2.726 0.50 2 12.196 2.726 8.178 1.491 2.839 0.476 0.194 0.39 12.39 2.722 1.00 3 12.39 2.722 8.166 1.517 2.839 0.472 0.192 0.582 12.582 2.718 1.50 4 12.582 2.718 8.154 1.543 2.839 0.468 0.189 0.771 12.771 2.714 2.00 5 12.771 2.714 8.142 1.568 2.839 0.464 0.187 0.958 12.958 2.71 2.50 6 12.958 2.71 8.13 1.594 2.839 0.46 0.184 1.142 13.142 2.706 3.00 7 13.142 2.706 8.118 1.619 2.839 0.456 0.182 1.324 13.324 2.702 3.50 8 13.324 2.702 8.105 1.644 2.839 0.452 0.179 1.503 13.503 2.698 4.00 9 13.503 2.698 8.093 1.669 2.839 0.448 0.177 1.68 13.68 2.693 4.50 10 13.68 2.693 8.08 1.693 2.839 0.443 0.174 1.854 13.854 2.689 5.00 11 13.854 2.689 8.068 1.717 2.84 0.439 0.172 2.026 14.026 2.685 5.50 12 14.026 2.685 8.055 1.741 2.839 0.435 0.169 2.196 14.196 2.681 6.00 13 14.196 2.681 8.042 1.765 2.84 0.431 0.167 2.363 14.363 2.676 6.50 14 14.363 2.676 8.029 1.789 2.839 0.426 0.164 2.527 14.527 2.672 7.00 15 14.527 2.672 8.016 1.812 2.839 0.422 0.162 2.689 14.689 2.668 7.50 16 14.689 2.668 8.003 1.835 2.839 0.418 0.159 2.849 14.849 2.663 8.00 17 14.849 2.663 7.99 1.858 2.84 0.413 0.157 3.006 15.006 2.659 8.50 18 15.006 2.659 7.977 1.881 2.839 0.409 0.155 3.16 15.16 2.655 9.00 19 15.16 2.655 7.964 1.903 2.839 0.405 0.152 3.312 15.312 2.65 9.50 20 15.312 2.65 7.951 1.926 2.84 0.4 0.15 3.462 15.462 2.646 10.00

La longitud del vertedero corresponde a la longitud para la suma acumulada del caudal, en este caso para 15 m3/s, siendo dicha longitud de 9.0 metros.


54


CAÍDAS

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar la longitud de la poza o cuenco amortiguador y la profundidad de la misma; los métodos que se utilizan son: sección transversal aguas arriba considerando el ancho contraído y para la instalación de un vertedero de cresta ancha para la medición del flujo; ILRI, caídas para sistemas de drenaje y riego; y, caídas inclinadas. USO PRÁCTICO. Diseño de estructuras hidráulicas para amortiguar el flujo en caídas con un desnivel topográfico máximo de hasta 1.5 metros. Figura 7.10. Tipos de caídas

Fuente: www.aboutcivil.org

Fuente: www.tripadvisor.com

Fuente: www.bensoncountynews.com

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.11. Esquema de la caída VISTA EN PLANTA

A

A´

B

H

Y

1.75H

P 2

1

2

V2 2g

1

Z

2 E2

Y

e

CORTE A-A´

5 L=5-6E2

1

Q

Este tipo de estructura debe utilizarse máximo para un desnivel topográfico de 1.5 metros; debe incluirse la poza de amortiguamiento para el salto hidráulico que se producirá aguas abajo de la caída. Cuando el desnivel es mayor a 1.5 metros, puede considerarse caídas en cascada o una rápida. Cuando la caída es menor a 0.3 metros, no se necesita de la poza de amortiguamiento.

INFORMACIÓN DE ENTRADA: Información del canal aguas arriba: caudal (m3/s); tirante normal (m); solera del canal (m); talud de las paredes del canal (m:1); desnivel de la caída (m). Ejemplo: Determinar las dimensiones de la poza de amortiguamiento para un caudal de 0.5 m3/s, tirante de 0.47 m, solera del canal de 1.0 m, desnivel de la caída de 1.0 m; caída inclinada.


55

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 7.12. Resultados de la caída

La longitud de la poza de amortiguamiento es de 4.57 m; la profundidad de la poza de 0.38 m y la altura del vertedero de cresta ancha de 0.086 m.


56


CAPTACIONES

OBJETIVO DEL MÓDULO. Diseño de las estructuras hidráulicas de una captación: azud, colchón amortiguador, bocatoma lateral y/o bocatoma de fondo (Caucasiana). USO PRÁCTICO. Diseño de pequeñas captaciones con las opciones de bocatoma lateral y de fondo; además del azud y del colchón disipador de energía. Figura 7.13. Tipos de captaciones

Fuente: INAR - 2009

Fuente: www.constructivo.com

Fuente: www.cuevadelcivil.com

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.14. Esquema del azud

Azud. Verificar que el tirante conjugado del salto hidráulico Y2 sea menor al tirante normal del río; el paramento del azud puede ser vertical, talud 1:3, 2:3 o 3:3. Chequear que el azud no produzca remanso aguas arriba.

Figura 7.15. Esquema de la rejilla

La rejilla lateral, mínimo debe estar a 0.1 metros bajo el nivel del azud y la altura P1 al menos de 0.6 metros.

Figura 7.16. Esquema de la toma lateral

Ajustar el desnivel P3 hasta que la energía en la sección 2 sea menor a la energía en la sección 1. Ajustar el ancho del desripiador hasta obtener una velocidad menor a 0.3 m/s y la longitud del desripiador a la longitud del salto hidráulico.


57

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 7.17. Esquema de la toma de fondo

Ajustar la longitud Lrej hasta que el ancho máximo de la rejilla sea de 1 metro o menos; la ubicación de la rejilla debe estar al menos 0.2 m bajo el nivel de la cresta del azud; y, para que sea auto limpiante, debe tener un ángulo de 45 grados, para lo cual debe considerarse un factor de seguridad de al menos un 30%.

INFORMACIÓN NECESARIA: 1.

2.

4.

5.

Altura Azud. Caudal máximo (m3/s, al menos para un período de retorno de 50 años); caudal mínimo (m3/s); pendiente longitudinal del río (m/1000m); rugosidad del cauce del río (n); ancho del río (m); ancho del azud (m); altura del vertedero (m). Azud cálculos. Altura del vertedero (m); profundidad del colchón del pozo amortiguador (m); el desnivel entre la base del azud aguas arriba y el desnivel de saluda; tipo de paramento aguas arriba. Lateral. Ancho (m) y longitud del desarenador (m); tirante normal del canal de salida del desripiador (m); pendiente de la solera del canal (m/1000m); rugosidad de Manning del canal (n); solera del canal (m); caudal de captación (m3/s); pérdida de carga en la rejilla (0.05 m); longitud de la transición ajustada (m); desnivel P2 del desripiador (m); alto de la rejilla (m); altura de sumersión respecto del azud (m); separación entre barrotes (m); ancho del barrote (m); factor de pérdidas de carga en los barrotes; ángulo de la transición (grados). Fondo. Longitud de la rejilla (m); pendiente del canal colector (m/1000m); rugosidad del canal (n); caudal de captación (m3/s); ancho ajustado de la rejilla (m); solera ajustada del canal colector (m); separación entre barrotes (m); ancho del barrote (m); factor de pérdidas de carga en los barrotes; ángulo de la rejilla (grados).

Ejemplo: Determinar las dimensiones de la captación para los datos que se muestran en el módulo. Altura Azud

Azud cálculos


Toma Lateral

58

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 7.18. Resultados Altura Azud

Figura 7.19. Resultados Azud cálculos

Figura 7.20. Resultados para el azud


59

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 7.21. Resultados de la bocatoma Lateral

1.

Altura Azud. Se observa que la altura P del azud de 1.0 metros; produce un remanso aguas arriba, el tirante se incrementa de 0.71 m a 1.51 m; la potencia del flujo disminuye aguas arriba, por cuanto se espera sedimentación aguas arriba del azud, lo cual ocurre en la realidad; el número de Froude es de 0.14 (flujo sub critico en la estructura del azud); estos cálculos se realizan para el caudal máximo.

2.

Azud cálculos. La profundidad del colchón del pozo amortiguador de 0.4 m es suficiente para que el tirante conjugado Y2 sea menor al tirante normal del agua en el rio; las tres condiciones para que exista una descarga libre se cumplen; la presión hidrostática en el azud para la máxima descarga es de -0.05 m.

3.

Azud - perfil. La longitud del enrocado aguas arriba es de 1.26 m; la longitud del enrocado aguas abajo de 2.47 m; la profundidad del enrocado aguas abajo del dentellón es de 0.54 m; el diámetro de la piedra para la protección del cauce aguas abajo del dentellón es de 0.5 metros; la altura del muro de ala aguas arriba del azud es de 1.81 m; el espesor de la losa del colchón amortiguador es de 0.17 m; y, la altura del dentellón al final del colchón amortiguador es de 0.4 m.

4.

Lateral. La velocidad del agua en el desripiador es de 0.24 m/s; la energía requerida en la sección 2 es menor a la disponible en el azud, por lo tanto, el caudal captado será igual al de diseño; el caudal de exceso es de 0.43 m3/s, el vertedero de excesos o aliviadero lateral deberá diseñarse para este caudal.


60

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 7.22. Resultados de la toma de fondo

5. Fondo. La solera del canal colector es de 0.5 m; la longitud de la rejilla es de 3.0 m; el ancho de la rejilla de 0.88 m; la velocidad promedio del agua en el canal colector es de 1.6 m/s; el número de Froude es de 0.83 (flujo sub crítico); y, el alto del canal colector es de 0.469 m.


61


DESARENADOR

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar la longitud y el ancho del tanque desarenador; la eficiencia del tanque, la concentración de sedimentos que salen del desarenador; la capa de deposición de sedimentos en forma diaria; la profundidad del tanque. USO PRÁCTICO. Diseño de un desarenador a construirse aguas abajo de una bocatoma, en el canal o para derivaciones a redes de riego presurizadas. Figura 7.23. Tipos de desarenadores

Fuente: ingenieriahidraulicaunmsimf.blogspot.com

Fuente: mw1.google.com

Fuente: www.energia.gob.ec

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.24. Esquema de la caída B

VISTA EN PLANTA Lt 2.5

A

5%

1

1

2.5

5%

Bs

Bc

Bc

5%

Cota 1

Ls Pantalla turbulencia

Y

Pantalla material flotante Hs

Cota 2

H

Q a

Pantalla

A´

La velocidad crítica para evitar la re suspensión del sedimento se basa en el esfuerzo cortante que genera el flujo (método de Van Rijn´s). Para un mejor cálculo, la viscosidad cinemática debe ajustarse a los parámetros del lugar del diseño, ver el módulo Variables (Inicio).

CORTE A-A´

Es muy importante considerar la instalación de dos pantallas, la primera a la entrada del desarenador para eliminar la turbulencia del flujo (con orificios) y la segunda, al final del desarenador para retener el material flotante. Los cálculos se realizan para las dimensiones del tanque, no se ejecutan con las recomendaciones del tanque; para reducir la velocidad del agua en el tanque y mejorar su eficiencia, debe incrementarse el ancho del tanque; la longitud del vertedero deber de salida debe ser mayor o igual al ancho del tanque (dimensiones menores, reducen la eficiencia de retención). INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: 1. 2.

Canal de Ingreso. Caudal (m3/s), tirante del agua (m); solera del canal (m); rugosidad (n) y la cota de la base de la solera del canal. Tanque Desarenador. Ancho (m); longitud (m); profundidad (m); pendiente en el desarenador, entre la cota de ingreso y de salida (m/1000m).


62


Sedimentos. Concentración de los sólidos en suspensión (ppm); d50 (mm), diámetro de la partícula; densidad específica de la partícula (kg/m3).

Ejemplo: Determinar las dimensiones del desarenador para los siguientes datos; y, evaluar para sedimentos d50 de 0.1 y 0.4 mm: 1. 2. 3.

Canal de Ingreso. Q = 7 m3/s; Y = 1.5 m; B = 6 m; n = 0.015; cota = 100. Tanque Desarenador. A = 9 m; L = 40 m; Hs = 4 m; So = 0.01 m/1000m; Lv = 7 m; Cd = 1.84 m. Sedimentos. C = 720 ppm; d50 = 0.1 y 0.4 mm; de = 2650 kg/m3. Figura 7.25. Resultados del desarenador para d50 = 0.4 mm

Para d50 de 0.1 mm, el ancho recomendado es de 10 m y la longitud de 110 m; la eficiencia del tanque es del 36.7%; para d50 de 0.4 mm, el ancho del tanque recomendado es de 7.09 m, la longitud de 19.4 m y la eficiencia de retención es del 95%; Cuadro 7.3. Eficiencia del tanque sedimentador

D50 (mm) 0.1 0.2 0.3 0.4

Eficiencia de retención (%) 36.7 73.2 89.4 95.0


63

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje DIVISIÓN DE CAUDALES – PARTIDOR FRONTAL

7.7

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar el ancho de la estructura para dividir caudales en un canal. USO PRÁCTICO. Diseño de partidores de caudales frontales, muy utilizados en canales de riego para derivar el agua a canales secundarios. Figura 7.26. Partidores frontales


Fuente: www.elamaule.cl

Fuente: www.einar.es

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.27. Esquema del partidor DIVISIÓN DE CAUDAL - FAO No. 26/1 L4=10Ec L1=10Ec L5=5.8Ec L2=2Ec L6=4.2Ec L3=3.5Ec

B3 Q3

VISTA EN PLANTA Cota 3

Lt

Cresta Vertedero L3

L4

L6 L5

B2

Cota 1 Bc

A

Q1

B B1 L1

Y1

H1 Q1

L2

Cota 2

B2

Q2

4 1 Lámina metal 6 mm

Yc Y2

P

e

Q2

A´

Aguas arriba de un partidor frontal debe generarse el flujo modular (crítico), por cuanto, se requiere de la construcción de un vertedero de cresta ancha y dividir el caudal aguas abajo de la estructura del vertedero; esta estructura garantiza una división de caudales permanente, debido a que la estructura con el flujo crítico evita que las ondas de fluctuación afecten a la partición del caudal.

CORTE A - A´

Estas estructuras se utilizan cuando el caudal a derivarse es mayor al 10% del caudal que circula en el canal; y, se utilizan para caudales menores a 0.5 m3/s. La altura del vertedero de cresta ancha o corta es igual a la diferencia entre la energía existente en el canal menos la energía crítica o mínima. En el partidor existe el canal de llegada, la estructura de partición, el canal aguas abajo (con mayor caudal) y el canal lateral. INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: 1.

Canal de llegada y Partidor. Caudal de llegada al partidor (m3/s), tirante del agua (m); solera del canal (m); talud de las paredes del canal (m:1); rugosidad (n); tipo de Randon Stalin Ortiz Calle

64


2. 3.

la cresta del vertedero (Cd); Ancho del partidor (m); cota de la base del partidor (m); transición de entrada. Canal Aguas Abajo. Caudal dividido 1 (m3/s), tirante del agua (m); solera del canal (m); talud de las paredes del canal (m:1); cota de la base del canal (m). Canal Lateral. Caudal dividido 2 (m3/s), tirante del agua (m); solera del canal (m); talud de las paredes del canal (m:1); cota de la base del canal (m).

Ejemplo: Determinar las dimensiones del partidor para los siguientes datos: 1. 2. 3.

Canal de llegada al partidor. Q = 0.25 m3/s; Y = 0.818 m; B = 1 m; talud 0:1; n = 0.015; cota = 0; ancho del partidor = 1.0 m. Canal Aguas abajo. Q = 0.15 m3/s; Y = 0.7 m; B = 0.8 m; talud 0:1; cota = 0. Canal Lateral. Q = 0.1 m3/s; Y = 0.706 m; B = 0.6 m; talud 0:1; cota = 0. Figura 7.28. Resultados del partidor

La energía en el canal de llegada es de 0.823 m; la energía mínima es de 0.278 m; la altura del vertedero es de 0.544 m; el ancho de la estructura para dividir el caudal de 0.15 m3/s es de 0.6 m; y, el ancho para derivar el caudal de 0.1 m3/s es de 0.4; existirá flujo libre en ambos canales (H2/H1 < 0.8).


65

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje DIVISIÓN DE CAUDALES – PARTIDOR LATERAL

7.8

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar el ancho de la estructura para dividir los caudales en el canal principal y en el canal secundario. USO PRÁCTICO. Diseño de un partidor proporcional lateral de caudal. Figura 7.29. Partidores proporcionales laterales

Fuente: www.usbr.gov

Fuente: www.slideshare.net

Fuente: hyd.uod.ac

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.30. Esquema del partidor DIVISIÓN DE CAUDAL - FAO No. 26/1 L5=2Ec L1=10Ec L6=2Z L2=2Ec L3=2Z

Canal Secundario 1

B3 Q3

VISTA EN PLANTA

Canal Principal 1

Se requiere de la generación del flujo modular; la altura del vertedero de cresta ancha o corta en ambos canales debe tener la misma altura; la altura del vertedero debe generar un flujo crítico en la cresta.

B´

Canal Principal 2

Lt3

Lt1

Lt2

Bo

L7 L6 L5

B A

Q1

Bp

B1

Q2

L1

Bo

L2

L3

A´

B2

L4

Canal Principal 2

Partidor proporcional significa que, el caudal se dividirá proporcionalmente en función del caudal existente en el canal principal.

DHds

Y1

H1 h1

Yc

Yp

Yc

P

eds

Hds hds P

Y2

Hd P

Y3

CORTE A - A´ Canal Secundario 1 DHd

H1 h1

Yc

P

ed

hd

Si se requiere un caudal regulado, entonces debe incluirse compuertas y una estructura de medición de caudal en el canal secundario.

CORTE B - B´

La altura del vertedero de cresta ancha o corta es igual a la diferencia entre la energía existente en el canal menos la energía crítica o mínima. En el partidor existe el canal de llegada, la estructura de partición, el canal aguas abajo (canal principal) y el canal lateral o secundario. INFORMACIÓN NECESARIA: La información que se requiere es la siguiente: 1.

Canal Principal 1 y Partidor. Caudal de llegada al partidor (m3/s); tirante del agua (m); solera del canal (m); talud de las paredes del canal (m:1); rugosidad (n); tipo de la cresta del vertedero (Cd); Ancho del partidor (m); cota de la base del partidor (m); transición de entrada.


66

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 2. 3.

Canal Principal 2. Caudal dividido 1 (m3/s), tirante del agua (m); solera del canal (m); talud de las paredes del canal (m:1); cota de la base del canal (m). Canal Secundario 2. Caudal dividido 2 (m3/s), tirante del agua (m); solera del canal (m); talud de las paredes del canal (m:1); cota de la base del canal (m).

Ejemplo: Determinar las dimensiones del partidor para los siguientes datos: 1.

2. 3.

Canal de llegada al partidor. Q = 0.25 m3/s; Y = 0.818 m; B = 1 m; talud 0:1; n = 0.015; cota = 0; coeficiente de descarga = 1.7; ancho del partidor = 0.5 m; ángulo de la transición de entrada = 22.5 grados. Canal Aguas abajo. Q = 0.15 m3/s; Y = 0.7 m; B = 0.8 m; talud 0:1; cota = 0. Canal Lateral. Q = 0.1 m3/s; Y = 0.706 m; B = 0.6 m; talud 0:1; cota = 0. Figura 7.31. Resultados del partidor

La energía en el canal de llegada es de 0.823 m; la energía mínima es de 0.314 m; la altura del vertedero es de 0.503 m; el ancho de la estructura para el canal principal 2 es igual al ancho del partidor (0.5 m); el ancho del vertedero para el canal secundario 1 es de 0.334 m; existirá flujo libre en ambos canales (H2/H1 < 0.8).


67

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje DIVISIÓN DE CAUDALES: TOMA LATERAL – CANAL BAJO LA SOLERA DEL CANAL PRINCIPAL

7.9

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar las dimensiones de la garganta (ancho y longitud de la cresta) para la toma del agua desde el canal principal. USO PRÁCTICO. Diseño de una toma lateral cuya solera del canal lateral se encuentra bajo la cota de la solera del canal principal. Figura 7.32. Tomas laterales

Fuente: www.mukeshassociates.com

Fuente: www.yourarticlelibrary.com

Fuentehttp://nptel.ac.in/courses/

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.33. Esquema del partidor A´

DIVISIÓN DE CAUDAL - FAO No. 26/1 Toma lateral ubicada bajo el nivel de la base del canal alimentador

B3

Lp

DHd

H2 h2 ed

Z

Y2

Co ta

2

Lc

H1 Y1 A

Q3

Canal Lateral

Perfil Longitudinal Canal Secundario 1

Protección (Lp)

A´ Lv

Lg

Lc

Lp

L. Cisterna (Lc)

Lg

Li

Cota 4

L. Glacis (Lg)

Lv

Cota 1 - Cota 2 => 0.3 metros R1 R2

B

L. Ingreso (Li)

L. Corona (Lv) o

60

Cota 3

A B1

Q1

Cota 1

Se requiere generar flujo modular en la garganta de la toma lateral, para ello, se requiere calcular el ancho del vertedero y la longitud de su cresta.

Canal Alimentador

Si el desnivel entre la cresta del vertedero y la cota de salida del canal lateral es mayor a 0.3 m, se requiere diseñar el cuenco amortiguador del salto hidráulico.

INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: 1.

2.

Canal Alimentador. Caudal en el canal alimentador (m3/s), tirante del agua (m); solera del canal (m); talud de las paredes del canal (m:1); ángulo de salida del canal lateral y el coeficiente de descarga (Cd); cota de la base del canal (m). Canal Lateral. Caudal lateral (m3/s), tirante del agua (m); solera del canal (m); talud de las paredes del canal (m:1); cota de la base del canal (m).

Ejemplo: Determinar las dimensiones de la garganta para los siguientes datos: 1.

Canal Alimentador. Q = 4.2 m3/s; Y = 0.96 m; B = 7.8 m; talud 2:1; cota = 100; coeficiente de descarga = 1.6; ángulo de salida del canal lateral = 60 grados.


68


Canal Lateral. Q = 0.5 m3/s; Y = 0.5 m; B = 2.18 m; talud 1.5:1; cota = 99.86. Figura 7.34. Resultados del partidor

La energía en el canal alimentador es de 0.97 m; la energía en la cresta del vertedero es 0.894 m; la cresta del vertedero está ubicada en la cota 100.096; el ancho de la cresta del vertedero es de 0.389 m; la longitud de la garganta es de 1.72 m; la longitud de la cisterna de amortiguamiento es de 1.1 m; existirá flujo libre (H2/H1 < 0.8).


69

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje DIVISIÓN DE CAUDALES: TOMA LATERAL – CANAL SOBRE LA SOLERA DEL CANAL PRINCIPAL

7.10

OBJETIVO DEL MÓDULO. Diseño de una toma lateral cuya solera del canal lateral se encuentra bajo la cota de la solera del canal principal. USO PRÁCTICO. Determinar las dimensiones de la garganta para la toma del agua desde el canal principal. Figura 7.35. Tomas laterales

Fuente: www.mukeshassociates.com

Fuente: www.yourarticlelibrary.com

Fuentehttp://nptel.ac.in/courses/

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.36. Esquema del partidor

DIVISIÓN DE CAUDAL - FAO No. 26/1 B3 A´

Toma lateral ubicada sobre el nivel de la base del canal alimentador

Q3 Cota 3

Canal Lateral

Cota 2 - Cota 3 = 0.15 metros

1.5 m a

Placa metálica 10 mm

B

L. Corona (Lv)

Se requiere generar flujo modular en la garganta de la toma lateral, para ello, se requiere calcular el ancho del vertedero y la longitud de su cresta.

Cota 2

R=2H1

B L. Inicial (Li) A

Q1

B1

Canal Alimentador Bloque Hormigón

H1

Cota 1

0.3 m

Loza Hormigón armado 8 cm

Si el desnivel entre la cresta del vertedero y la cota de salida del canal lateral es mayor a 0.3 m, se requiere diseñar el cuenco amortiguador del salto hidráulico.

a Y2

Y1 H1 H1

A´

A Li

Lv

1.5 m

INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: 1.

2.

Canal Alimentador. Caudal en el canal alimentador (m3/s); tirante del agua (m); solera del canal (m); talud de las paredes del canal (m:1); ángulo de salida del canal lateral y el coeficiente de descarga (Cd); cota de la base del canal (m). Canal Lateral. Caudal lateral (m3/s); tirante del agua (m); solera del canal (m); talud de las paredes del canal (m:1); cota de la base del canal (m).


70

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Ejemplo: Determinar las dimensiones de la garganta para los siguientes datos: 1. 2.

Canal Alimentador. Q = 1.0 m3/s; Y = 1.03 m; B = 1.0 m; talud 1.5:1; cota = 100; coeficiente de descarga = 0.016; desnivel cota 2 – cota 3 = 0.15. Canal Lateral. Q = 0.05 m3/s; Y = 0.32 m; B = 0.4 m; talud 1.5:1; ancho de la cresta del vertedero ajustada = 0.3 m. Figura 7.37. Resultados del partidor

La energía en el canal alimentador es de 1.044 m; la energía en la cresta del vertedero es 0.221 m; la cresta del vertedero está ubicada en la cota 100.816; el ancho de la cresta del vertedero es de 0.3 m; la longitud de la garganta es de 0.443 m; existirá descarga libre (H2/H1 < 0.8).


71


MEDICIÓN DE CAUDALES: VERTEDERO DE CRESTA ANGOSTA

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar el ancho y la altura del vertedero. USO PRÁCTICO. Diseño de vertederos de cresta angosta: rectangulares, triangulares y trapezoidales, para la medición de caudales en sistemas de riego. Figura 7.38. Vertederos de Cresta Ancha

Fuente: www.yukonenvirothon.com

Fuente: www.openchannelflow.com

Fuente: www.devonkarst.org.uk

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.39. Esquema del vertedero

La descarga de este tipo de vertederos debe ser libre; los vertederos rectangulares se utilizan para medir cualquier caudal; los vertederos trapezoidales o Cipolleti, máximo para medir hasta 0.8 m3/s; el vertedero triangular o V-Notch, para medir hasta 140 l/s. La carga hidráulica máxima sobre la cresta del vertedero debe ser menor a 0.6 metros.

Vertedero Trapezoidal: verificar que el ancho total del vertedero (T), sea menor al ancho del canal (jugar con el ancho de la base del vertedero). Vertedero Triangular: verificar que el ancho total del vertedero (T), sea menor al ancho del canal (variar el ángulo del vertedero). INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: 1.

2.

Canal Alimentador. Caudal en el canal alimentador (m3/s), tirante del agua (m); solera del canal (m); talud de las paredes del canal (m:1); cota de la base del canal (m). Vertedero. Rectangular: ancho de la cresta de vertedero (m); trapezoidal, ancho de la cresta de vertedero (m); y, triangular, el ángulo de abertura del vertedero (grados).


72

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Ejemplo: Determinar las dimensiones del vertedero para los siguientes datos: 1. 2.

Canal Alimentador. Q = 1.0 m3/s; Y = 1.485 m; B = 1.5 m; talud 0:1; cota = 100; coeficiente de descarga = 1.6; ángulo de salida del canal lateral = 60 grados. Vertedero Rectangular. Ancho de la solera = 1.5 m. Figura 7.40. Resultados del vertedero rectangular

La energía en el canal alimentador es de 1.495 m; la carga hidráulica sobre la cresta del vertedero es de 0.499 m; la altura de la cresta del vertedero es de 0.996 m. Figura 7.41. Curva de descarga del vertedero rectangular


73


MEDICIÓN DE CAUDALES: VERTEDERO DE CRESTA ANCHA

OBJETIVO DEL MÓDULO. Cálculo del ancho, la altura y la longitud de la cresta del vertedero. USO PRÁCTICO. Diseño de vertederos de cresta ancha, de sección rectangular y trapezoidal, para la medición de caudales en sistemas de riego. Figura 7.42. Vertederos de cresta ancha

Fuente: www.yukonenvirothon.com

Fuente: http://madcs.org/

Fuente: http://digitalcommons.calpoly.edu/

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.43. Esquema del vertedero

La descarga de este tipo de vertederos debe ser libre; en la cresta del vertedero debe existir flujo modular; en canales existentes, producen un remanso aguas arriba.

INFORMACIÓN NECESARIA: La información que se requiere es la siguiente: 1.

2.

Canal Alimentador. Caudal en el canal alimentador (m3/s); tirante del agua (m); solera del canal (m); rugosidad (n); talud de las paredes del canal (m:1); cota de la base del canal (m). Sección transversal del Vertedero. Rectangular: ancho de la cresta de vertedero (m); trapezoidal, ancho de la cresta de vertedero (m) y talud (m:1); transición de entrada y de salida.

Ejemplo: Determinar las dimensiones del vertedero rectangular para los siguientes datos: 1. 2.

Canal Alimentador. Q = 1.0 m3/s; Y = 1.037 m; B = 1.0 m; talud 1.5:1; rugosidad = 0.015; cota base canal = 100. Sección transversal del Vertedero. Ancho de la solera = 1.2 m; ángulo de la transición de la entrada y salida de 22.5 grados.


74

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Una vez ingresados los valores, se deben ajustar los valores calculados, previo al diseño final. Figura 7.44. Resultados del vertedero de cresta ancha

La energía en el canal alimentador es de 1.04 m; la carga hidráulica sobre la cresta del vertedero es de 0.63 m; la altura de la cresta del vertedero es de 0.41 m; el ancho de la cresta del vertedero para formar el flujo modular es de 1.1 m; y, cumple con las condiciones para descarga libre; el desnivel entre las cotas aguas arriba y aguas abajo es de 0.15 m; si no existe este desnivel, la descarga será ahogada y deberá verificarse su diseño; es por ello que, en canales existentes, este tipo de vertederos se instala aguas arriba de las caídas o rápidas. Si se evalúa estos valores en el software winflume, el diseño cumple con todos los parámetros de dicho software. Figura 7.45. Curva de descarga del vertedero


75


RÁPIDAS

OBJETIVO DEL MÓDULO. Cálculo del ancho, de la altura y de las dimensiones del pozo amortiguador. USO PRÁCTICO. Diseño de rápidas de sección rectangular, con una sola pendiente en su tramo. Figura 7.46. Tipos de rápidas

Fuente: ingenieriahidraulicaunmsimf.blogspot.com

Fuente: www.andex.com.pe

Fuente: hydropedia.blogspot.com

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.47. Esquema de la rápida VISTA EN PLANTA A

B

A´

Br

Cota 1

Cota 2

Cota 3

Al final de la rápida, el tramo que une la rápida con el cuenco disipador de energía, debe tener un talud 1.5:1. El perfil de la superficie del agua se determina con la ecuación de flujo gradualmente variado.

Y

Z L

Y2

CORTE A-A´

Y1 Lc

Y

Q

Si no existen bloques amortiguadores en la rápida, debe determinarse los tirantes conjugados y las dimensiones del cuenco disipador de energía.

Las estructuras que forman una rápida son: transición de entrada, rápida, transición de salida y cuenco disipador de energía. En un desnivel de 1 metro, una rápida puede alcanzar una velocidad de 4 m/s y para mayores desniveles, de hasta 6 m/s. La energía total en la rápida es mayor a la altura de la pared del canal; para evitar accidentes, es recomendable, embaular la rápida. INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: 1.

2.

Canal Entrada - Salida. Caudal (m3/s), tirante del agua (m); solera del canal (m); rugosidad (n); pendiente longitudinal de la solera (m/1000m); talud de las paredes del canal (m:1); cota de la base del canal (m); transición de entrada (grados). Rápida. Rectangular: desnivel (m); longitud (m); ancho de la solera (m); número de tramos para el cálculo de la rápida; transición de salida.


76

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Ejemplo: Determinar las dimensiones de la rápida para los siguientes datos: 1. 2.

Canal Entrada - Salida. Q = 0.5 m3/s; Y = 0.4698 m; B = 1.0 m; So = 3 m/1000m; rugosidad = 0.02; cota base canal = 100; transición de entrada 22.5 grados. Rápida. Z = 14.629 m; L = 73.45 m; Ba = 0.76 m; No. Tramos = 10; transición de salida de 22.5 grados.

Una vez ingresados los valores, debe ajustarse el ancho de la solera de la rápida, previo al diseño final. Figura 7.48. Resultados de la rápida

La velocidad máxima en la rápida es de 4.8 m/s; la energía total es de 1.32 m; el número de Froude es de 4.17 m; el esfuerzo cortante es de 266.46 N/m2; la potencia del flujo es de 9425.4 W/m3; la profundidad del cuenco amortiguador es de 0.38 m; la longitud del cuenco es de 3.01 m; y, la longitud de la transición de entrada y salida de 0.29 m.


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REGULACIÓN DE NIVEL – VERTEDERO DE CRESTA LARGA

OBJETIVO DEL MÓDULO. Cálculo de la longitud y de la altura del vertedero de cresta larga (regulador de nivel estático). USO PRÁCTICO. Diseño de vertederos de cresta larga, para la regulación del nivel del agua en canales de riego. Figura 7.49. Vertedero de Cresta Larga

Fuente: programme.worldwaterweek.org

Fuente: www.itrc.org

Fuente: bcf-engr.com

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.50. Vertedero de cresta larga

B

L

L3 A

B Canal U/S

0.15 m

a

Cota 1

Cota 2

L2 L3

Canal D/S

A´

L1 Vista en Planta

Este tipo de estructura se utiliza para la regulación del nivel del agua en un canal, con el objeto de mantener un nivel del agua “constante” aguas arriba, para permitir que las tomas laterales o derivaciones tengan un caudal “constante”; la carga hidráulica sobre la cresta del vertedero varía entre 10 y 15 cm; cuando el número de Froude en el canal es menor a 0.45, éste vertedero se instala al menos a 5 metros aguas abajo de la toma, caso contrario, se instalan al menos a una distancia de 20 metros aguas abajo de la toma lateral. En canales de sección pequeña, el ángulo a es de 90 grados; en canales con grandes secciones, el ángulo a varía entre 70 y 90 grados. INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: 1. 2.

Información del Canal. Caudal total (m3/s); energía en el canal (m); solera del canal (m); cota de la base del canal (m); Caudal total menos el caudal derivado (m3/s). Vertedero Cresta Larga. Carga hidráulica sobre el vertedero (m); coeficiente de descarga del vertedero (Cd); Longitudes iniciales L2 y L3 (m); ángulo a en grados; longitud de la cresta del vertedero (m).


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Ejemplo: Determinar las dimensiones del vertedero de cresta larga: 1. 2.

Información del Canal. Q1 = 0.5 m3/s; E = 1.167 m; B = 1.2 m; cota base canal = 100; Q2 = 0.4 m3/s. Vertedero Cresta Larga. H =0.1 m; C = 0.4; L2 = 0.6: L3 = 0.3; a = 90 grados; L = 9 m.

Una vez ingresados los valores, debe ajustarse la longitud de la cresta del vertedero, en este caso 9 metros, previo al diseño final. Figura 7.51. Resultados de la rápida

El diseño consiste en ajustar el ángulo a entre 70 y 90 grados, hasta alcanzar la longitud de la cresta del vertedero (9 metros). La carga hidráulica sobre la cresta del vertedero de 9 metros de longitud es de 9.94 cm; la diferencia de nivel para los dos caudales es de 1.37 cm; la altura del vertedero es de 1.07 metros; el desnivel que debe existir entre la cota 1 y la cota 2 es de 4.94 cm; la longitud L1 es de 3.9 metros. En caso de ser un canal existente y de que no exista la posibilidad de profundizarlo, entonces, la longitud del vertedero debe incrementarse para disminuir la carga hidráulica sobre el vertedero y se produciría un remanso aguas arriba.


79


RESERVORIOS

OBJETIVO DEL MÓDULO. Cálculo de las dimensiones del reservorio (cuadrado y rectangular), volumen de agua, área de la geo membrana, dimensiones del terreno para el reservorio. USO PRÁCTICO. Determinar las dimensiones de un reservorio para almacenar un determinado volumen de agua. Figura 7.52. Reservorios

Fuente: programme.worldwaterweek.org

Fuente: www.agraria.pe

Fuente: pe.class.posot.com

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.53. Esquematización del reservorio a3: ancho superior del reservorio a2: ancho del espejo de agua

a3: ancho superior del reservorio

La a1

1

A

b1

b2 b3

A´

Fs

a2: ancho del espejo de agua

m Y

a1: ancho de la base

CORTE A-A´ VISTA EN PLANTA El talud del reservorio debe escogerse de acuerdo al tipo de suelo (módulo parámetros técnicos). Reservorio de dimensiones cuadrangulares: el programa los calcula en forma automática. Reservorio de dimensiones rectangulares: dada una dimensión, el programa determina la otra dimensión para el volumen requerido INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: Volumen (m3); profundidad total (m); franco de seguridad (m); talud (m:1); anclaje de la geo membrana (m); ancho desde el borde superior hasta la cerca (m); caudal de ingreso (l/s).


80


Ejemplo: Determinar las dimensiones del reservorio para los siguientes datos: V = 1000 m3; H = 3.0 m; Fs = 0.5 m; talud (2:1); La = 1.2 m; ancho = 3 m; caudal 24 l/s. Figura 7.54. Resultados de los cálculos en el reservorio

Dimensiones de la base del reservorio: 14.8 m x 14.8 m Dimensiones hasta el espejo de agua: 24.8 m x 24.8 m Dimensiones superiores del vaso del reservorio: 26.8 m x 26.8 m Volumen total: 1013.83 m3 Área de la geo membrana: 961 m2 (31 m x 31 m) Dimensiones del área para el reservorio, incluido el vaso y el cerramiento 30 m x 30 m (900 m2). Tiempo de llenado del reservorio: 12 horas.


81


SIFÓN INVERTIDO

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar las dimensiones de un sifón invertido para canales de riego; diámetro de la tubería, pérdidas de carga, carga hidráulica sobre entrada y salida del sifón, etc. USO PRÁCTICO. Cálculo se sifones para el cruce de carreteras, perfiles topográficos irregulares, ríos y quebradas. Figura 7.55. Sifones invertidos

Fuente: fluidos.eia.edu.co

Fuente: parra.sdsu.edu

Fuente: cjyyou.pixnet.net

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.56. Esquema de sifón invertido Lt 1

A

REJILLA

COMPUERTA

m

VISTA EN PLANTA

COMPUERTA

TRANSICIÓN ENTRADA

TRANSICIÓN SALIDA

CANAL

A´

a 0-D/2

VERTEDERO EXCESOS Y

Hf

S

Q

H1 COTA 1

P

D1

Y

S H2

a

D2 D D

P2

COTA 2

a1

CORTE A-A´

Aguas arriba de un sifón invertido, es necesario considerar la construcción de un desarenador (con pantalla para retención de material flotante) provisto de un vertedero de excesos; la entrada al sifón debe estar totalmente protegida para evitar el ingreso de personas o animales. La velocidad promedio del agua en el sifón depende del desnivel entre el canal de entrada y de salida. INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente:


82

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 1. 2.

3.

Canal. Caudal (m3/s); tirante (m); espejo de agua (m); velocidad del agua en el canal (m/s); cota de la solera del canal de entrada y salida (m). Rejilla Canal. Inclinación de la rejilla (grados); espesor del barrote (m); separación entre barrotes (m); factor de forma del barrote; número de rejas – entrada salida (1 solo para la entrada y 2 si son ambas). Tubería. Velocidad en la tubería (m/s); diámetro interno (m); longitud de la tubería (m); factor de pérdidas de carga; ancho de entrada del tubo (m); temperatura del agua (grados centígrados); ángulos de entrada y salida de la tubería (grados); tipo de tubería, rugosidad (mm); factor de pérdidas de carga localizadas y seis (6) tipos de accesorios con sus respectivas cantidades

Ejemplo: Determinar las dimensiones del sifón para los siguientes datos: 1. 2. 3.

Canal. Q = 0.25 m3/s; Y = 0.613 m; T = 0.6 m; V = 0.679 m/s; C1 = 2780.3; C2 = 2771.3 m. Rejilla Canal. Inclinación = 75 grados; t = 0.0677; s = 0.1 m; factor de forma del barrote = 1.79; No. Rejas = 1. Tubería. V= 2.5 m/s; DI = 0.356 m; L = 310 m; factor de pérdidas de carga = 1.2; ancho de entrada del tubo = 0 m; temperatura del agua 10 grados centígrados; Alfa = 12.5 grados; alfa 1 = 22.5 grados; rugosidad = 0.0015 mm; K = 0.5 (arista ángulo recto); 2 codos 45 grados; 2 codos 22.5 grados; 1 tee de 90 grados. Figura 7.57. Resultados de los cálculos del sifón

La pérdida de carga total es de 4.877 metros; el desnivel topográfico es de 9 metros; al ser la pérdida de carga total menor a la carga hidráulica disponible, el sifón funcionará sin problemas.


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TOMAS DE ENTREGA EN FINCA

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar las dimensiones de un vertedero o diámetro de la tubería para tomas laterales. USO PRÁCTICO. Diseño de tomas de entrega con vertedero o tubería a nivel de finca. Figura 7.58. Tomas de entrega en finca

Fuente: www.usbr.gov

Fuente: davidsengineering.com

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Figura 7.59. Toma de entrega vertedero

Figura 7.60. Toma de entrega tubería 0.10 - 0.15 m

0.10 - 0.15 m

Hvcl

Hvt Y1 Q1

Z

Corte A - A´

B

B Canal U/S

Canal Lateral

P

D

B

L

L3 Cota 2

L2

Canal D/S

A´

A

B Canal U/S

0.15 m

a

Cota 1

Cota 2

L2 2D

A´

L1

Vista en Planta

Canal Lateral

Cota 3

Hvcl

Canal D/S

0.5 - 1.0 m

L1

0.5 - 1.0 m

Y2

Z Q2 Corte A - A´

0.15 m

a

Cota 1

Bo

Q1 Pt

Y2

Q2

L

L3 A

Y1

P

P1

Hvcl

Hvt

Hvt

Hvt DH

B´

B´

P1

Vista en Planta Cota 3

Q3

D

Y3 Corte B - B´

Corte B - B´

Q3

Y3

Pt

Las tomas laterales para la entrega del agua en finca, requiere de una regulación del nivel del agua en el canal (vertedero de cresta larga), a partir de esta regulación, puede considerarse la toma del agua a través de un vertedero, una tubería (orificio) o a través de la combinación tubería – vertedero en la salida (para regular el caudal). Las tomas de agua en parcela también pueden hacerse a través de partidores proporcionales (ver módulo proporcional frontal). INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: 1. 2.

Canal entrada. Caudal (m3/s); energía (m); solera (m); cota de la solera (m). Canal salida. Caudal (m3/s); energía (m); solera (m); cota de la solera (m).


84


4. 5.

Vertedero Cresta Larga. Carga hidráulica sobre el vertedero (m); coeficiente de descarga del vertedero (Cd); Longitudes iniciales L2 y L3 (m); ángulo a en grados; longitud de la cresta del vertedero (m). Canal lateral. Caudal (m3/s), energía (m); solera (m); cota de la solera (m). Toma lateral. Vertedero: Carga sobre el vertedero (m); coeficiente de descarga del vertedero (Cd); ancho ajustado (m). Tubería: velocidad máxima (m/s); coeficiente de descarga del orificio (Cd); Dajustado (mm); longitud del tubo (m); elevación del tubo sobre la solera del canal (m); espesor de la pared del tubo (mm).

Ejemplo: Determinar las dimensiones de la toma lateral con vertedero: 1. 2. 3. 4. 5.

Canal entrada. Q = 0.5 m3/s; E = 1.167 m; B = 1.2 m; Cota 1 = 100. Canal salida. Q = 0.4 m3/s; E = 0.975 m; B = 1.2 m. Vertedero Cresta Larga. H =0.1 m; C = 0.36; L2 = 0.6: L3 = 0.3; a = 90 grados; L = 10 m. Canal lateral. Q = 0.1 m3/s; E = 0.709 m; B = 0.6 m. Toma lateral. H = 0.25 m3/s; Cd = 1.84; B ajustado = 0.45 m. Figura 7.61. Resultados Toma lateral – Vertedero

La altura del vertedero de cresta larga es de 1.07 metros; la altura del vertedero lateral es de 0.92 m; la carga hidráulica sobre el vertedero lateral es de 0.244 m. Para el caso de una toma lateral con tubería y descarga libre: 5.

Toma lateral. V = 1.0 m/s; Cd = 0.6; D ajustado = 290 mm; L = 0.3 m; Pt = 0.2 m; e = 10 mm.


85

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 7.62. Resultados Toma lateral – tubería

El caudal de salida por la tubería es de 103 l/s y el desnivel Pt es de 0.55 m (desnivel entre la solera del canal y el eje central de la tubería).


86


RIEGO

8.1.

AGRONOMÍA DEL RIEGO

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar el tiempo y la frecuencia de riego, para sistemas de riego presurizados (goteo, micro aspersión y aspersión). USO PRÁCTICO. Cálculo de las láminas de agua en el suelo, la intensidad de precipitación, tiempo y frecuencia de riego, para la sud división de una parcela de riego. Figura 8.1. Láminas de agua en el suelo

Fuente: https://es.wikipedia.org

INFORMACIÓN NECESARIA: La información que se requiere es la profundidad radicular efectiva (mm); porcentaje de agotamiento del agua en el suelo (%); escoger el tipo de suelo; caudal del emisor (l/h); separación entre emisores (m); separación entre laterales (m); número de laterales por hilera; evapotranspiración real (mm/d); eficiencia de aplicación (%); caudal disponible en la fuente (m3/h); área de una sub unidad (ha); tiempo de riego diario (h); y, área total de riego; este módulo permite, determinar la información necesaria por agricultor con el objeto de elaborar el calendario de riego por turnos. Ejemplo: Determinar las variables agronómicas para la información que se presenta en la figura: 8.2.

Suelos

Figura 8.2. Información básica Cultivos Equipo de riego

Subunidad

Figura 8.3. Resultados


87

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje La frecuencia de riego es de 7.39 días y el tiempo de riego de 2.49 horas; esto significa que para reponer una lámina de 22.17 mm, se requiere un tiempo de riego de 2.49 horas, con una intensidad de precipitación de 8.89 mm/h; el diámetro del bulbo húmedo es de 0.37 m y la separación entre emisores de 0.30 m; el número total de sub unidades es de 8; el número de turnos de riego por día es de 4; el número de sub unidades que pueden irrigarse en un día es de 8 (dos por turno) y el tiempo total de riego es de 10.5 horas.


88

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 8.2.

LATERAL Y MÚLTIPLE

OBJETIVO DEL MÓDULO. Diseñar una sub unidad de riego por goteo o micro aspersión; lateral, terciaria o múltiple y el tamaño de la válvula para el control del riego en la parcela. USO PRÁCTICO. Diseño del diámetro del lateral, de la tubería del múltiple (hasta tres diámetros) y dimensionamiento de la válvula manual o hidráulica para el control del riego dentro de dicha sub unidad. Figura 8.4. Lateral de riego y tubería terciaria o porta laterales

Fuente: www.kotharipipes.co.in

CONDICIONES HIDRÁULICAS. El diámetro del lateral y del múltiple, debe escogerse hasta que la curva de presión disponible (línea de color azul) se encuentre dentro de la presión mínima y máxima (líneas de color rojo). El diámetro interno de la válvula debe escogerse para una pérdida de carga en la válvula entre 2 y 3 metros. INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: Lateral de Riego: longitud del lateral (m); pendiente del terreno (%, positivo hacia arriba y – hacia abajo, según el plano de coordenadas X-Y); separación entre emisores (m); variación del caudal en la sub unidad (%); incremento de caudal (%); presión nominal (m); presión de entrada en el lateral (m); diámetro interno del lateral (mm); dos puntos de la curva de descarga del emisor (Q1-H1, Q2-H2). Múltiple, Distribuidora o Porta Laterales: longitud del múltiple (m); pendiente del terreno (%, positivo hacia arriba y – hacia abajo, según el plano de coordenadas X-Y); separación entre hilera (m); incremento de caudal (%); pérdida de carga en el múltiple (m); presión de entrada en el lateral (m); presión de entrada en el múltiple (m); caudal del lateral (l/h); diámetro interno del múltiple (mm); escoger si existen laterales a un lado o a dos lados. Válvula control parcela: Caudal (m3/h), diámetro de la válvula (mm); escoger el tipo de válvula manual o hidráulica. Ejemplo: Calcular el diámetro del lateral, del múltiple y el diámetro de la válvula para la información que se presenta a continuación:


89

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 8.5. Resultados de los cálculos en el lateral

Procedimiento Lateral: ingrese la información respectiva; luego puede variarse la longitud del lateral hasta que la pérdida de carga sea igual a la permitida; una vez alcanzado este valor como pérdida de carga, ahí culmina el diseño del lateral de riego; para emisores compensados, la dirección del mismo es irrelevante, aunque, se recomienda que se instalen los laterales siguiendo las curvas de nivel; para emisores no compensados, es mandatorio la instalación de los laterales en el sentido de las curvas de nivel; cuando el lateral se instala pendiente arriba, se debe tener en cuenta que la pérdida de carga sea mayor al desnivel topográfico; si el desnivel topográfico es mayor a las pérdidas de carga, se debe cambiar el sentido de la conexión del lateral con el múltiple, debido a que la variación del caudal será mayor a la esperada. El diámetro del lateral es de 12 mm (DI = 10.4 mm); la pérdida de carga en toda la sub unidad de riego es de 2.25 m; la máxima pérdida de carga en el lateral de 1.80 m; en el múltiple de 0.45 m; la pérdida de carga en el lateral es de 0.61 m; la variación del caudal es de 2.97% (menor al 10%: OK). Procedimiento Múltiple: cargue los diámetros de las tuberías (presionar el botón “cargar”); el programa proporciona el diámetro mínimo con el cual debe intentarlo por primera vez (celda de color azul); escoja el número de diámetros (1D, 2D o 3D); con el mouse, presione el diámetro nominal y en forma automática se copiará el diámetro interno en las celdas para el cálculo; los diámetros deben ingresarse de mayor a menor; por default, el programa asigna los diámetros cuando escoja 2D o 3D; ingrese los datos del múltiple; escoja el tipo de conexión del lateral (a un lado, a dos lados) y presione el botón “Calcular”; los diámetros internos pueden modificarse en el archivo “tuberias_1.txt”. Estrategia de diseño del múltiple: en terrenos planos puede diseñarse el múltiple con 1, 2 o 3 diámetros, al igual que cuando se trate de pendiente hacia abajo o negativa; en pendiente hacia arriba o positiva, debe probarse con un solo diámetro; la línea de color azul debe quedar dentro de las dos líneas rojas (máxima y mínima presión).


90

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje El diámetro de la tubería de cada tramo del múltiple se determina en base a la velocidad máxima en el mismo (2 m/s). La longitud de la tubería se ajusta automáticamente a la longitud de los tubos (6 metros, los dos primeros tramos). Figura 8.6. Resultados de los cálculos en el múltiple

Para conocer la máxima pérdida de carga en el múltiple, presione la etiqueta en azul (Hf en el múltiple (m)); para operar con la máxima presión en la subunidad, presione la etiqueta en azul (Presión Entrada (m)). En la figura 8.6, el diámetro del múltiple del tramo 1 es de 50 mm (DI = 47 mm), 30 metros (5 tubos); del tramo 2, de 63 mm ( DI = 60 mm), 24 metros de longitud; y, el tramo 3, de 75 mm (DI = 71.4 mm) de 46 metros; la pérdida de carga total en el múltiple es de 3.85 m; el caudal total de 37.53 m3/h. Figura 8.7. Resultados en la parcela (múltiple y lateral)


91

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje En la figura 8.7, por tramo, se presenta las pérdidas de carga en el múltiple, el caudal, la velocidad, la pérdida de carga, la presión de entrada en el lateral, la presión de salida en el lateral; dando un click en el ícono de Excel se exporta la matriz 2 a Excel. De igual manera, puede exportarse la matriz 3 con los resultados totalizados en la parcela. Figura 8.8. Resultados de la válvula

El diámetro de la válvula es de 3”, tipo hidráulica; la pérdida de carga es de 1.41 m y la velocidad del agua en la válvula es de 2.08 m/s; la máxima pérdida de carga en la válvula es de 2 m.


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NPSH – SUCCIÓN DE BOMBA

OBJETIVO DEL MÓDULO. Diseño del diámetro de la succión de una bomba (motor eléctrico o a combustión). USO PRÁCTICO. Cálculo del NPSH, pérdidas de carga en la succión y diámetro de la tubería. Figura 8.9. NPSH en succión de bombas

Fuente: www.atmosferis.com


Fuente: www.palmardevarelaatlantico.gov.co

INFORMACIÓN NECESARIA: La información que se requiere es el caudal (l/s); altura sobre del nivel del mar (msnm); desnivel entre el espejo del agua y el centro de la succión de la bomba (m); temperatura del agua (grados centígrados); diámetro de la succión de la bomba (mm); NPSH requerido; longitud de la succión (m); válvula de pie; codos; neplo excéntrico. Ejemplo: Determinar el diámetro de la succión para la información que se presenta en la figura: 8.10. Figura 8.10. Resultados de los cálculos del NPSH

El diámetro de la succión es de 136 mm (6”); el NPSH disponible es de 2.1 (no existirá cavitación); la velocidad media del agua en la succión es de 1.03 m/s.


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TUBERÍAS

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar el diámetro, el caudal, la pérdida de carga o la longitud de una tubería. USO PRÁCTICO. Cálculo del caudal que puede fluir por una tubería de cierto diámetro en función de la velocidad o del desnivel topográfico; cálculo del diámetro de una tubería de cierto diámetro en función de la velocidad o del desnivel topográfico; cálculo de la longitud de la tubería para cierto caudal en función de un desnivel topográfico; cálculo de pérdidas de carga. Figura 8.11. Tipos de tuberías

Fuente: www.arqhys.com

Fuente: itagrif.com

Fuente: www.abeteycia.com.ar

INFORMACIÓN NECESARIA: La información que se requiere es la siguiente: caudal (l/s); longitud de la tubería (m); desnivel topográfico (m); coeficiente “C” de Hazen – Williams; velocidad máxima en la tubería m/s); diámetro interno de la tubería (mm). Ejemplo: Determinar el caudal que puede fluir por una tubería en función del desnivel topográfico para la información que se presenta en la figura: 8.12. Figura 8.12. Resultados de los cálculos de la tubería

El caudal que puede transportarse por la tubería de 104.6 mm es de 13.3 l/s (47.8 m3/h).


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SIFÓN

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar el diámetro, las pérdidas de carga y verificar las tres condiciones hidráulicas para el funcionamiento de un sifón. USO PRÁCTICO. Diseño de sifones para extraer el agua desde reservorios hasta centros de control del riego o directamente en los campos cultivados; en la práctica, los sifones son muy útiles, en la cresta del sifón se aprovecha para la instalación de accesorios que permitan la inyección de los fertilizantes al agua de riego (fertirriego). Figura 8.13. Tipos de tuberías


Fuente: itagrif.com

Fuente: www.abeteycia.com.ar

Figura 8.14. Esquema hidráulico de un sifón

Pa

Tee - Tapón cebado

P3 Inyección disoluciones 3

D1

H - cresta sifón Nmin.

Cresta del Sifón Presión negativa

L1 2

L2 Hf

Hga

Válvula cebado L1 = Longitud 1 - 3

1

L2 = Longitud 3 - 4 Válvula de pie

4

L3 = Longitud 4 - 5

P5

HT - desnivel total del sifón D2 L3

5

CONDICIONES HIDRÁULICAS. Para que un sifón funcione, el desnivel H, entre el espejo del agua en el reservorio y la cresta del sifón, debe ser menor a la presión atmosférica menos las pérdidas de carga que se produzcan entre los puntos 1 y 3 del ramal ascendente del sifón; cuando un sifón opera, la presión en la cresta es negativa, creándose un vacío, fenómeno natural que se aprovecha para que la misma presión atmosférica empuje el agua hasta la cresta del sifón. Es de entender que, el agua contiene aire en emulsión en aproximadamente un 10%, por tal motivo, el aire tiende a acumularse en la cresta del sifón, afectando su funcionamiento, necesitándose de sangrados de tipo permanente.


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Como norma general, la válvula para el cebado debe instalarse a una carga hidráulica de 8 metros respecto del nivel del agua en el reservorio. INFORMACIÓN NECESARIA: La información que se requiere es la siguiente: Cresta del sifón. Caudal (m3/s); diámetro interno de la tubería (mm); longitud de la tubería 1-3 (m); longitud de la tubería 3-4 (m); desnivel entre los puntos 2-3 (m); factor de mayoración de las pérdidas de carga; temperatura del agua (grados centígrados); altura sobre el nivel medio del mar (m); tipo de accesorios y cantidad. Inyección. Caudal de inyección (l/h); diámetro interno de la manguera para la inyección de los fertilizantes (mm); longitud de la manguera (m); densidad de la disolución (kg/m3). Tubería. Diámetro interno de la tubería (mm); longitud de la tubería 4-5 (m); espesor de la tubería (mm); tempo de cierre de la válvula (s); desnivel entre los puntos 2-5 (m); rugosidad de la tubería (mm); módulo de elasticidad (kg/cm2); tipo de accesorios y cantidad. Ejemplo: Verificar el funcionamiento del sifón para la información que se presenta en la figura: 8.15. Figura 8.15. Información para el cálculo del sifón

Cresta sifón

Inyección

Tubería

Figura 8.16. Resultados de los cálculos del sifón

La presión atmosférica es de 7.9 metros, la pérdida de carga en la cresta del sifón de 3.1 m y el desnivel entre el espejo del agua en el reservorio y entre la cresta del sifón de 4 metros; al ser mayor la presión atmosférica, respecto de la suma de las pérdidas de carga y del desnivel, el sifón si funcionará; la carga hidráulica a la salida de la tubería es de 18.06 m; la sobre presión generada por el golpe de ariete es de 13.26 m; y, la carga hidráulica total a la salida de la tubería es de 31.3 m.


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DRENAJE AGRÍCOLA

9.1.

RÉGIMEN PERMANENTE

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar la separación entre drenes tipo zanja o tubería ubicados sobre el estrato impermeable, en un suelo homogéneo, entre dos horizontes, en el horizonte superior o en el horizonte inferior. USO PRÁCTICO. Calcular la separación entre drenes parcelarios para sistemas de drenaje agrícola, bajo el régimen permanente. Figura 9.1. Separación entre drenes


Fuente: Karolina Argote

Fuente: Karolina Argote

Fuente: climate.sdstate.edu

Fuente: footage.framepool.com

Fuente: imgarcade.com

CONDICIONES HIDRÁULICAS: La separación entre drenes depende de la recarga, de la profundidad de la tabla de agua y de la profundidad de los drenes; grandes separaciones entre drenes se alcanza cuando la profundidad de los mismos es mayor. INFORMACIÓN NECESARIA: La información que se requiere es la siguiente: recarga (R, mm/d); profundidad de ubicación de la tabla de agua (PTA, m); profundidad del dren (PD, m); profundidad del estrato impermeable (PEI, m), conductividad hidráulica de saturación del suelo (K1, K2, m/d); espesor del estrado (D1, D2, m); radio de la tubería (r, m); solera de la zanja (B, m); tirante en la zanja (Y, m), talud de la zanja (m:1). Ejemplo: Determinar la separación entre drenes para la información que se presenta en la figura: 9.2.


97

DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje Figura 9.2. Resultados separación drenes estrato homogéneo zanja

Figura 9.3. Resultados separación drenes estrato homogéneo tubo

Figura 9.4. Resultados separación drenes entre dos horizontes zanja

Figura 9.5. Resultados separación drenes entre dos horizontes tubo

Figura 9.6. Resultados separación drenes en el estrato superior zanja

Figura 9.7. Resultados separación drenes en el estrato superior tubo

Figura 9.8. Resultados separación drenes en el estrato inferior zanja

Figura 9.9. Resultados separación drenes en el estrato inferior tubo


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RÉGIMEN VARIABLE

OBJETIVO DEL MÓDULO. Calcular la separación entre drenes parcelarios para drenaje agrícola, bajo un régimen variable. USO PRÁCTICO. Determina la separación entre drenes tipo zanja o tubería en un suelo homogéneo. INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: recarga (R, mm); profundidad mínima de la tabla de agua (PTAmin, m); profundidad del dren (PD, m); profundidad del estrato impermeable (PEI, m), conductividad hidráulica de saturación del suelo (K, m/d); tiempo para el descenso de la tabla de agua (T, d); porosidad frenable (%); radio de la tubería (r, m); solera de la zanja (B, m); tirante en la zanja (Y, m), talud de la zanja (m:1). Ejemplo: Determinar la separación entre drenes para la información que se presenta en la figura: 9.10-11. Figura 9.10. Resultados separación drenes régimen variable zanja

Figura 9.11. Resultados separación drenes régimen variable tubo


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FLUCTUACIÓN DE LA TABLA DE AGUA

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar la variación del nivel de la tabla de agua en el sub suelo y determinar la intensidad del drenaje en función del tiempo. USO PRÁCTICO. Conocer la variación de la tabla de agua en función de un período crítico de precipitación y la descarga diaria a través de los drenes. Figura 9.12. Variación de la tabla de agua en período de 10 días

INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: recarga (R, mm); profundidad mínima de la tabla de agua (PTAmin, m); profundidad del dren (PD, m); conductividad hidráulica de saturación del suelo (K, m/d); tiempo de descenso de la tabla de agua (T, d); porosidad drenable (%); separación entre drenes (m). Ejemplo: Determinar la separación entre drenes para la información que se presenta en la figura: 9.13. En este módulo, primero se crea la matriz para los datos diarios de precipitación en mm (botón matriz); segundo, en la columna recarga se ingresan los valores de precipitación en mm para la matriz creada; tercero, se introduce la información general del dren y se determina los parámetros del modelo De Zeeuw – Hellinga (botón Hellinga); cuarto, se realiza el cálculo de la variación de la tabla de agua para el tiempo determinado y la descarga diaria por medio de los drenes (botón calcular). Figura 9.13. Variación de la tabla de agua para T = 10 días

Figura 9.14. Variación de la tabla de agua para T = 3 días


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DREN LATERAL

OBJETIVO DEL MÓDULO. Para los drenes laterales o parcelarios, determina el diámetro de la tubería para el dren lateral (un solo diámetro) y el caudal a ser drenado (m/d). USO PRÁCTICO. Diseño de drenes laterales (tubería). Figura 9.15. Drenes laterales

Fuente: mcveighparker.com

Fuente: www.homedepot.com

Fuente: ocj.com

INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: recarga (R, mm/d); separación entre drenes (m); longitud del dren (m); pendiente del dren (m/1000m; como norma, el desnivel entre el inicio y el final del lateral varía entre 20 y 30 cm); rugosidad de la tubería (n); factor de funcionamiento (%) debido a la colmatación por sedimentos finos (recomendado 60%). Ejemplo: Determinar el diámetro del dren lateral para la información que se presenta en la figura: 9.16. Figura 9.16. Resultados de los cálculos del dren lateral

Para las condiciones dadas, el diámetro interno del dren es de 49.48 mm; el caudal a ser drenado en forma constante es de 0.3038 l/s.


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DREN COLECTOR

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar el diámetro de la tubería y la longitud de cada tramo. USO PRÁCTICO. Diseño telescópico de un dren colector (tubería). Figura 9.17. Dren colector

Fuente: www.homedepot.com

Fuente: agebb.missouri.edu

Fuente www.agriculture.com

INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: recarga (R, mm/d); separación entre drenes (m); longitud del dren lateral (m); pendiente del colector (m/1000m); longitud del dren colector (m); rugosidad de la tubería (n); factor de funcionamiento por caudal y longitud (%), debido a la colmatación de la tubería por sedimentos finos (recomendado 56%). Ejemplo: Determinar el diámetro del dren lateral para la información que se presenta en la figura: 9.18. Figura 9.18. Resultados de los cálculos del dren colector

Para drenar una superficie de 30 hectáreas, se puede utilizar tubería de 160 mm en una longitud de 400 metros; de 200 mm, en una longitud de 350 metros y de 300 mm, el tramo final de 250 metros.


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DREN INTERCEPTOR

OBJETIVO DEL MÓDULO. Determinar la profundidad y la descarga de un dren Interceptor. USO PRÁCTICO. Diseño de sistemas de drenaje superficial y sub superficiales; en especial, para interceptar el agua proveniente de laderas y evitar la inundación de áreas agrícolas planas. Figura 9.19. Dren Interceptor

Fuente: www.millingtonwater.co.uk

Fuente: www.bascombecontractors.co.uk

Fuente: hughieodonnell.com

INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: pendiente de la ladera (m/1000m); profundidad del estrato impermeable en la ladera (m); profundidad del flujo subterráneo en la ladera (m); conductividad hidráulica del suelo en la ladera (m/d); pendiente de la zona a ser protegida o terraza (m/1000m); profundidad de la tabla de agua en la terraza (m); profundidad del estrato impermeable en la terraza (m); conductividad hidráulica del suelo en la terraza (m/d); longitud del dren interceptor (m). Ejemplo: Determinar el diámetro del dren lateral para la información que se presenta en la figura: 9.20. Figura 9.20. Resultados de los cálculos del dren interceptor

El dren interceptor debe tener una profundidad de 4.32 metros, la descarga es de 1.92 l/s; y el tirante en el dren es de 0.68 m.


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HIDROLOGÍA

10.1. CAUDAL MÁXIMO OBJETIVO DEL MÓDULO. Calcular los caudales máximos que pueden producirse en una cuenca, en donde no existan estaciones de aforo de caudales, ni de precipitación. USO PRÁCTICO. Determina el caudal de escorrentía, el cual puede servir para el diseño de captaciones, por los siguientes métodos: área; área y período de retorno; área y precipitación 24 horas; Temez; Racional; SCS. INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: Área: Área (km2). Área y P. Retorno: Área (km2) y Período de Retorno (años). Área y Precipitación 24H: Área (km2) y Precipitación 24 H (mm/h). Temez: Área (km2), Precipitación 24 H (mm/h) y coeficiente de escorrentía ©. Racional: Área (km2), Precipitación IDF (mm/h), Longitud del cauce (m), desnivel del cauce (m) y coeficiente de escorrentía ©. SCS: Área (km2), Longitud del cauce (m), desnivel del cauce (m) y precipitación de exceso (mm). Ejemplo: Determinar los caudales de avenida para la información que se presenta en la figura: 10.1. Figura 10.1. Resultados de los cálculos de la hidrología

El caudal promedio es de 2.6 m3/s.


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 10.2. COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA OBJETIVO DEL MÓDULO. Calcular el coeficiente de escorrentía “C”. USO PRÁCTICO. Determina el coeficiente de escorrentía para los diferentes tipos de cobertura; este coeficiente puede utilizarse en el cálculo del caudal de avenida por el método Racional y Temez. INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es la siguiente: tipo de cobertura y el área de dicho uso del suelo. Ejemplo: Determinar el coeficiente de escorrentía “C” para la información que se presenta en la figura: 10.2. Figura 10.2. Coeficiente de escorrentía

El coeficiente de escorrentía ponderado es 0.52.


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 10.3. MÓDULO DE DRENAJE OBJETIVO DEL MÓDULO. Determina el módulo de drenaje en función de la escorrentía superficial en base al método del Número de Curva, del tiempo que requiere un suelo para alcanzar una aireación del 10%, del tiempo máximo que un cultivo resiste el anegamiento y de la precipitación máxima. USO PRÁCTICO. Calcular el módulo de drenaje agrícola (l/s/ha). INFORMACIÓN NECESARIA: La información que se requiere es la siguiente: número de curva NC-II ponderado; tiempo ponderado para que un suelo alcance el 10% de aireación; tiempo máximo que un cultivo resiste el anegamiento, sin reducir la producción del cultivo (al menos 10%) y precipitación para un período de retorno de 10 años (1,2,3,4,5 días). Si el tiempo máximo que un cultivo resiste el anegamiento es de 1 día, la precipitación para el análisis corresponderá a 1 día. Ejemplo: Determinar el módulo de drenaje para la información que se presenta en la figura: 10.3. Figura 10.3. Módulo de drenaje agrícola

El módulo de drenajes es de 9.41 l/s/ha.


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TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

11.1. ARRASTRE MATERIAL OBJETIVO DEL MÓDULO. Calcular el tipo de material que será erosionado por un determinado caudal en base al tirante y a la pendiente de la solera del cauce. USO PRÁCTICO. Determina el diámetro de la partícula (grava, arena o limo) que será erosionado en el cauce para conocer si se requiere el revestimiento del mismo. Figura 11.1. Transporte de sedimentos


INFORMACIÓN NECESARIA: La información que se requiere es el tirante (m) y la pendiente longitudinal del cauce (m/1000m). Ejemplo: Determinar el diámetro del material que será erosionado por un tirante de 0.73 m, pendiente longitudinal de 5 m/1000m y d50 de 5 mm. Figura 11.2. Diámetro partícula que será erosionada por el flujo

La fuerza tractriz es de 35.81 N/m2 y el diámetro mínimo del material que será erosionado es de 44.2 mm; para que no exista erosión, el cauce debe protegerse con grava de tamaño mayor a 44.2 mm (al menos 66 mm, revestirse con mortero u otros tipos de materiales).


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 11.2. TRANSPORTE DE SEDIMENTOS DE FONDO Y EN SUSPENSIÓN OBJETIVO DEL MÓDULO. Calcular la cantidad de sedimentos de fondo y en suspensión en cauces naturales. USO PRÁCTICO. Determina la cantidad (kg/ms – Ton/día) de sedimentos de fondo y en suspensión por los métodos de Van Rijn´s, Meyer, Engelud and Hansen y Ackers and White. Figura 11.3. Transporte de sedimentos

Fuente: www.colegiovascodagama.pt

INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es el tirante (m); velocidad promedio del agua en el cauce (m/s); ancho del cauce (m); pendiente longitudinal del cauce (m/1000m); d50 (mm); Dmedio (mm); D90 (mm); desviación estándar del análisis granulométrico y la densidad del material (kg/m3). Ejemplo: Determinar la cantidad de sedimentos de fondo, en suspensión y total, para la información que se presenta en la siguiente figura. Figura 11.4. Transporte de sedimentos de fondo y en suspensión

La cantidad de sedimentos de fondo es de 1.365 kg/ms; la cantidad de sedimentos en suspensión de 1.864 kg/ms; la cantidad total promedio de sedimentos es de 2.607 kg/ms; la cantidad de sedimentos por día es de 450.4 Ton/día.


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DEHIDRO: diseño de estructuras hidráulicas para sistemas de riego y drenaje 11.3. SEDIMENTOS EN LA COLUMNA DE AGUA OBJETIVO DEL MÓDULO. Calcular la distribución de los sedimentos en la columna de agua. USO PRÁCTICO. Determina la cantidad (ppm) de sedimentos en suspensión según el tirante del agua. Figura 11.5. Transporte de sedimentos

Fuente: www.cirpwiki.info

INFORMACIÓN DE ENTRADA: La información que se requiere es el tirante (m); pendiente longitudinal del cauce (m/1000m); rugosidad de Manning (n); d50 (mm); densidad del material (kg/m3) y el incremento de la profundidad (m). Ejemplo: Determinar la distribución de los sólidos en suspensión, para la información que se presenta en la siguiente figura. Figura 11.6. Distribución de los sedimentos en la columna

En la figura 11.6, se observa que la mayor cantidad de sólidos en suspensión se concentran hasta una profundidad de 0.3 m


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MANUAL DEHIDRO VERSION 1_1 - 2016.pdf

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