UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA INGENIERIA CIVIL
AFORACION
DOCENTE: Msc. Ing. Escobar Seleme Marco ESTUDIANTES: Méndez Meneses Paulo Muriel Morón Jose Abel Vargas Moscoso Leonardo Enrique Zambrana Ortuño Jose Andres MATERIA: Hidráulica II
FECHA DE PRESENTACION: 20 de Octubre del 2015
COCHABAMBA-BOLIVIA
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN. 2. MARCO TEÓRICO. 3. OBJETIVOS. 3.1 OBJETIVO GENERAL. 3.2 OBJETIVO ESPECIFICO. 4. INVESTIGACION. 5. PARTE I: AFORO A UN CANAL NATURAL 5.1 EQUIPO Y MATERIAL UTILIZADO. 5.2 DESARROLLO PRÁCTICO. 5.3 DATOS DEL CANAL. 5.4 MEMORIA DE CÁLCULO. 5.5 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS. 5.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS. 5.7 OBSERVACIONES. 5.8 ANEXOS.
6. PARTE II: AFORO A UN CANAL ARTIFICIAL 6.1 EQUIPO Y MATERIAL UTILIZADO. 6.2 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA. 6.3 DATOS DEL CANAL. 6.4 MEMORIA DE CÁLCULO. 6.5 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS. 6.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS. 6.7 OBSERVACIONES. 6.8 ANEXOS. 7. CONCLUSIONES FINALES
1. INTRODUCCIÓN. La determinación de la cantidad de agua que lleva un canal o un curso de agua se llama aforo y es importante para diferentes fines. La medición de caudales es de gran utilidad en la toma de decisiones durante la administración de los recursos hidráulicos, en la ejecución de programas de riego y en diversas actividades relacionadas con el manejo de agua. El régimen de caudal es un dato básico, indispensable para todo diseño hidráulico y para muchas obras civiles. En países como el nuestro las estaciones de aforo son inexistentes en muchos sitios, lo que ha obligado a recurrir a métodos aproximados para la estimación de los caudales de diseño. Aforar es medir un caudal. Para realizar un aforo en un sistema hidráulico, se puede medir directamente el volumen, en un recipiente y el tiempo, con un cronómetro. Este método volumétrico es el más recomendable, sin embargo a veces es difícil de aplicar, solamente resulta útil para caudales pequeños y donde las características físicas lo permitan. Debido a lo anterior, han surgido los métodos indirectos, que como su nombre lo señala miden otras variables físicas distintas del caudal, como por ejemplo la velocidad o la altura piezométrica, para luego, aplicando los principios hidráulicos, obtener dicho caudal.
2. MARCO TEÓRICO.
Sección en canales. Se refiere al área transversal del canal que está siendo tomado en forma perpendicular a la dirección del flujo, las secciones más vistas son las siguientes:
Secciones abiertas las cuales geométricamente son trapezoidales, rectangulares, triangulares y las parabólicas. Secciones cerradas las cuales son circulares y parabólicas.
Área hidráulica. Área hidráulica también conocida como área mojada es la superficie libre del agua.
Perímetro mojado. Perímetro mojado es la parte del contorno que está en contacto con el agua.
Radio hidráulico. Es la relación del área mojada con el perímetro mojado, en si es la dimensión característica del área transversal.
Método del flotador. El método del flotador consiste en utilizar objetos flotantes que adquieren la velocidad del agua que los circulan y así poder medir la velocidad del flujo. Los 2 tipos de objetos flotantes son:
Simples o de superficie, donde el objeto puede estar con inconvenientes para medir la velocidad ya que influye el viento, las corrientes secundarias y las olas. Dobles o superficiales, donde se usan dos objetos flotantes de forma que el objeto que está flotando tiene una cuerda sumergida al otro en el agua, la cual así se puede determinar la velocidad media.
3. OBJETIVOS. 3.1 OBJETIVO GENERAL. Determinar el caudal y características de un rio poco caudaloso o canal artificial en base a lo aprendido en clases y usando los métodos corresponcientes.
3.2 OBJETIVO ESPECIFICO. Utilizando la ecuación de Manning determinar el caudal máximo probable y la velocidad para la sección levantada del canal. Verificar el nivel que alcanzaría para la misma sección si se tendría un incremento del caudal del 15 %. Verificar el coeficiente de rugosidad asumido y la pendiente. Realizar el cálculo de perfil de flujo para un tramo de 50 mts.
4. INVESTIGACION.` 1. AFORO DE CORRIENTES NATURALES INTRODUCCIÓN El conocimiento de la variación del caudal que fluye por una determinada sección de un cauce natural es de suma importancia en los estudios hidrológicos. De acuerdo con la calidad y la cantidad de los registros de caudales necesarios en un estudio hidrológico, las mediciones se pueden hacer de una manera continua o permanente o de una manera puntual o instantánea, las mediciones continuas de caudales requieren de la instalación de una estación medidora (limnimétrica) o de una estación registradora (limnigráfica). Las mediciones aisladas, puntuales o instantáneas, se realizan en determinados momentos en que se desee conocer la magnitud de una corriente en particular. la mayoría de los métodos de aforo se basan en la ecuación de continuidad ( Q = V * A ). 2. MÉTODOS DE AFORO DE CORRIENTES NATURALES DE AGUA MAS UTILIZADOS. 2.1. AFORO VOLUMÉTRICO. Se aplica generalmente en los laboratorios de hidráulica, ya que solo es funcional para pequeños caudales; sin embargo se pueden implementar también en pequeñas corrientes naturales de agua. Fig 1 y 2
Fig 1. instalación temporal para Fig 2. Instalación para un aforo Volumétrico con vertedero. Volumétrico.
El aforo volumétrico consiste en medir el tiempo que gasta el agua en llenar un recipiente de volumen conocido para lo cual, el caudal es fácilmente calculable con la siguiente ecuación:Q=V/t. 2.2. AFORO CON VERTEDEROS Y CANALETAS. Se utilizan principalmente en la medición de caudales en pequeñas corrientes, en canales artificiales y de laboratorio; su uso en corrientes naturales es muy restringido. Un funcionamiento típico de un vertedero para aforar corrientes naturales se muestra en la Fig 3.
Fig. 3. Secciones de control artificiales para aforar corrientes naturales. 2.3. AFORO CON TUBO DE PITOT. Su mayor aplicación se encuentra en la medición de velocidades en flujo a presión, es decir, flujos en tuberías. Sin embargo, también se utiliza en la medición de velocidades en canales de laboratorio y en pequeñas corrientes naturales. Es tubo de pitot permite medir la velocidad de la corriente a diferentes profundidades, por lo cual se puede conocer la velocidad media en la sección, que multiplicada por el área de ésta, produce el caudal de la corriente. 2.4. AFORO CON TRAZADORES FLUORESCENTES 0 COLORANTES. El empleo de colorantes para medir la velocidad del flujo en corrientes de agua es uno de los métodos más sencillos y de mayor éxito. Una vez elegida la sección de aforo, en la que el flujo es prácticamente constante y uniforme se agrega el colorante en el extremo de aguas arriba y se mide el tiempo de llegada al extremo de aguas abajo. Conocida la distancia entre los dos extremos de control, se puede dividir esta por el tiempo de viaje del colorante, obteniéndose así la velocidad superficial o subsuperficial de la corriente liquida. La velocidad media de flujo se obtendrá dividiendo la distancia entre los dos extremos o puntos de control, por el tiempo medio de viaje. Si se inyecto un colorante de tipo brillante, como la eosina, y si se suspende horizontalmente una lamina brillante, de longitud conocida, en
un sitio aguas debajo de la inyección, es posible detectar los instantes en que desaparecen y aparece el colorante en los extremos de dicha lamina. La medida del tiempo que transcurre entre los instantes de desaparición y aparición del colorante se puede emplear como representativo del tiempo medio del flujo a lo largo de la lamina. La velocidad media superficial del flujo se obtendrá dividiendo la longitud de la lamina por el tiempo medio del flujo. Otros colorantes, común y eficazmente empleados como trazadores, son la fluoresceína, el rojo congo, el permanganato de potasio, la rodamina b y el pontacil rosa B brillante. Este último es especialmente útil en estudios de dispersión de contaminantes en el agua. En los últimos años se han logrado considerables mejoras en las técnicas de medición con trazadores fluorescentes, especialmente con la rodamina B, rodamina WT, las sulforrodaminas B y G la uramina y el bromuro 82. 2.5. AFOROS CON TRAZADORES QUÍMICOS Y RADIOACTIVOS. Es un método muy adecuado para corrientes turbulentas como las de montañas. Estos trazadores se utilizan de dos maneras: como aforadores químicos, esto es, para determinar el caudal total de una corriente y como medidores de velocidad de flujo. En los aforos químicos y radioactivos, se inyecta una tasa constante q t, de la sustancia química, radioactiva o trazador, de concentración conocida, Cti, a la corriente cuyo caudal, Q, desee determinarse y cuya concentración de la sustancia, Ca , en la corriente, también se conoce. A una distancia corriente abajo, suficientemente grande para asegurar que se han mezclado totalmente el trazador y el agua, se toman muestras de ésta, y se determina la concentración de la sustancia química o radioactiva, Ct. ( Fig 4 )
Fig.4. Procedimiento de inyección y hago un muestreo en un aforo con trazador.
El caudal de la corriente se puede determinar, entonces, empleando la siguiente ecuación.
En su empleo como medidores de velocidad, los trazadores químicos y radioactivos se inyecta aguas arriba del primer punto de control de la corriente. Se calcula el tiempo de paso del prisma de agua que contiene el trazador entre dicho punto de control y otro situado aguas abajo a una distancia previamentedeterminada. El cociente entre esta distancia y el tiempo de paso es la velocidad media de la corriente. Cuando se emplea la sal común ( NaCl ) como trazador químico, se mide el tiempo de paso entre los dos puntos de control, utilizando electrodos conectados a un amperímetro, esto es, un conductivímetro. Este método de medición es posible debido a que la sal inyectada aumenta la concentración de sólidos disueltos y, por lo tanto, la conductividad del agua. Un compuesto químico comúnmente empleado como trazador es la mezcla de 2g de Anhídrido Tático con 0.1259 de Difenil - Carbazida y 50 cm3 de alcohol de 98º. También, se utiliza el clorato de sódico, la fluoreína y el bicromato de sodio. Los trazadores radioactivos más usuales son: el Tritio ( T, isótopo del Hidrógeno, con tres protones). Las sustancias químicas y radioactivas empleadas para medición de caudales deben reunir las siguientes condiciones: · Debe mezclarse fácil y homogéneamente con el agua, para lo cual se requiere de una fuerte turbulencia en el trayecto comprendido desde donde se inyecta la sustancia al cauce, hasta donde se recogen las muestras. · Debe ser barato, soluble en agua, inocuo, no corrosivo, ni tóxico, de densidad cercana a la del agua. · Debe ser fácilmente detéctable en el agua, aún en concentraciones pequeñas. · Debe ser conservativo, es decir, no degradable ni reactivo, entre el momento de la inyección y el momento del análisis final de las muestras. · Debe ser fotoestable, es decir, no decolorable ni reactivo ante la acción de la luz.
2.6. AFORO CON FLOTADORES. Son los más sencillos de realizar, pero también son los más imprecisos; por lo tanto, su uso queda limitado a situaciones donde no se requiera mayor precisión. Con este método se pretende conocer la velocidad media de la sección para ser multiplicada por el área, y conocer el caudal, según la ecuación de continuidad. Q = velocidad *área Para la ejecución del aforo se procede de la siguiente forma. Se toma un techo de la corriente de longitud L; se mide el área A, de la sección, y se lanza un cuerpo que flote, aguas arriba de primer punto de control, y al paso del cuerpo por dicho punto se inicia la toma del tiempo que dura el viaje hasta el punto de control corriente abajo. Como se muestra en la siguiente figura.
Fig. 5. Esquema ilustrativo para aforo con flotador. La velocidad superficial de la corriente, V s, se toma igual a la velocidad del cuerpo flotante y se calcula mediante la relación entre el espacio recorrido L, y el tiempo de viaje t.
Se considera que la velocidad media de la corriente, V m, es del orden de 0.75Vs a 0.90 Vs, donde el valor mayor se aplica a las corrientes de aguas más profundas y rápidas ( con velocidades mayores de 2 m/s. Habitualmente, se usa la siguiente ecuación para estimar la velocidad media de la corriente. Vm = 0.85VS. Si se divide el área de la sección transversal del flujo en varías secciones, de área Ai, para las cuales se miden velocidades superficiales, V si, y se calculan velocidades medias, V mi, el caudal total se podrá determinar como la sumatoria de los caudales parciales qi, de la siguiente manera:
Se pueden obtener resultados algo más precisos por medio de flotadores lastrados , de sumersión ajustable, como muestra en la figura 5. Estos flotadores consisten en un tubo delgado de aluminio, de longitud L fl, cerrado en ambos extremos y con un lastre en su extremo inferior, para que pueda flotar en una posición próxima a la vertical, de tal manera que se sumerjan hasta una profundidad aproximadamente de 25 a 30 cm sobre el fondo, y emerjan unos 5 a 10 cm. La velocidad observada de flotador sumergido, V f, permite la determinación de la velocidad media de la corriente, V m, a lo largo de su curso, por la siguiente formula experimental:
donde y es la profundidad de la corriente de agua. 2.7. AFORO CON MOLINETE O CORRENTÓMETRO. El principio de la medición de velocidad con molinete es el siguiente: Supóngase un molinete puesto en un punto de una corriente que tiene una velocidad V. La longitud S, es el recorrido de una partícula fluida moviéndose a lo largo del contorno completo de la línea que determina una vuelta de la hélice. La situación es análoga al suponer quieta el agua y el molinete desplazándose a través de ésta con velocidad V. Para un desplazamiento S, la hélice también dará una vuelta.
Para un movimiento uniforme, 5. El espacio, S, recorrido por la hélice, o por la partícula líquida a través de ésta, se representa por el número de rotaciones, N, que da el molinete en t segundos.
Luego Como existen fricciones en las partes mecánicas del aparato, es necesario introducir un coeficiente de corrección, b.
Entonces
Y haciendo
, la frecuencia de giro, se tiene: V=b*n
Con la sensibilidad del aparato se hace sentir a partir de determinada velocidad mínima, a, que en general, es del orden de 1 cm/s, por debajo de la cual el aparato no se mueve, la ecuación del aparato se transforma en: V= a+ b*n Ecuación que corresponde a una línea recta. Los aparatos vienen con su respectiva ecuación de calibración, dependiendo del tipo de molinete y de la casa productora, o tabuladas las velocidades en función del número de revoluciones por minuto. Por ejemplo, para el correntómetro Prince's Electric Currentmeter No 17110B, Serial No 101-A, la ecuación de calibración para la velocidad, en m/s es: V = 0.019 + 0.702 * n
Métodos de aforo Es necesario medir la cantidad de agua de las fuentes, para saber la cantidad de población para la que puede alcanzar. El aforo es la operación de medición del volumen de agua en un tiempo determinado. Esto es, el caudal que pasa por una sección de un curso de agua. El valor del caudal mínimo debe ser mayor que el consumo máximo diario con la finalidad de cubrir la demanda de agua de la población futura. Lo ideal sería que los aforos se efectúen en las temporadas críticas de los meses de estiaje (los meses secos) y de lluvias, para conocer caudales mínimos y máximos. Existen varios métodos para determinar el caudal de agua y los más utilizados en los proyectos en zonas rurales son los métodos volumétrico y de velocidad-área. El primero es utilizado para calcular caudales hasta con un máximo de 10 lts./seg. y el segundo para caudales mayores a 10 lts./seg..
Se recomienda preguntar a los pobladores de mayor edad acerca del comportamiento y las variaciones del caudal que pueden existir en la fuente, ya que ellos conocen con mayor certeza si la fuente de agua se seca o no o la variación de los niveles.
Método volumétrico El método consiste en tomar el tiempo que demora en llenarse un recipiente de volumen conocido. Posteriormente se divide el volumen en litros entre el tiempo promedio en segundos, obteniéndose el caudal en lts./seg.
Método de velocidad – área Con este método se mide la velocidad del agua superficial que discurre de la fuente tomando el tiempo que demora un objeto flotante en llegar de un punto a otro en una sección uniforme. Se toma un trecho de la corriente; se mide el área de la sección;
se lanza un cuerpo que flote, aguas arriba de primer punto de control, y al paso del cuerpo por dicho punto se inicia la toma del tiempo que dura el viaje hasta el punto de control corriente abajo. El resultado de la velocidad se ajusta a un factor de 0.8 a 0.9
Método de vertedero y canaletas Aforo con vertedero es otro método de medición de caudal, útil en caudales pequeños.
Secciones de control artificiales para aforar corrientes naturales
Se interrumpe el flujo del agua en la canaleta y se produce una depresión del nivel, se mide el tamaño de la lámina de agua y su altura. El agua cae por un vertedero durante cierto tiempo, se mide la altura de la lámina y se calcula la cantidad de agua que se vertió en ese tiempo.
Todos los vertederos y aforadores son ejemplos de instalaciones para medir el caudal. Para determinar el tipo específico de obra a adoptar, si es que hay alguno, debemos primero, conocer durante qué período y con qué frecuencia deben realizarse las mediciones. Esto, unido a la información sobre el tamaño y tipo del canal en el que han de medirse los caudales, nos llevará a utilizar: 1. El método de la velocidad-área de la sección. 2. Un dispositivo portátil y reutilizable. 3. Una obra de uso temporal hecha a la medida. 4. Una obra de uso permanente.
AFO RO A UN CAN AL NAT URA L
5. PARTE I: AFORO A UN CANAL NATURAL 5.1 EQUIPO Y MATERIAL UTILIZADO.
Flexómetro
Tubo de longitud de dos metros para hallar la tirante de agua.
Planilla de apuntes.
Cronometro
Objetos flotadores (tapa, maderas pequeñas).
5.2 DESARROLLO PRÁCTICO. Visitar un canal natural:
El canal que escogimos para nuestro trabajo fue el canal que se encuentra en las afueras de los laboratorios de geotecnia e hidráulica ubicado al Suroeste a 5 cuadras de la Avenida Petrolera (ver croquis).
Tomar datos de las características como el material del rio, material constructivo, rugosidad del lecho o solera del canal :
Los materiales que encontramos alrededor del canal fueron desechos organicos en descomposición, grava, arena fina, pvc, arboles, hojas de árbol, etc. El material del que estaba hecho la construccion del canal era hormigón dimensionado para reducir el caudal y la velocidad del agua que circula por el mismo.
Determinar las marcas que ha dejado el agua en periodos de lluvia en las paredes o ramas de los árboles
Medir el caudal mediante el método del flotador.
5.3 DATOS DEL CANAL.
5.4 MEMORIA DE CÁLCULO. 5.5 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS.
5.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS. 5.7 OBSERVACIONES. 5.8 ANEXOS.
AFORO A UN CANAL ARTIFICIAL
6. PARTE II: AFORO A UN CANAL ARTIFICIAL 6.1 EQUIPO Y MATERIAL UTILIZADO.
Flexómetro.
Tubo de longitud de dos metros para hallar la tirante de agua.
Planilla de apuntes.
Cronometro.
Objetos flotadores (tapa, maderas pequeñas).
6.2 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA.
Visitar un canal natural: El canal que escogimos para nuestro trabajo fue el canal que se encuentra en las afueras de los laboratorios de geotecnia e hidráulica ubicado al Suroeste a 5 cuadras de la Avenida Petrolera (ver croquis).
Tomar datos de las características como el material del rio, material constructivo, rugosidad del lecho o solera del canal : Los materiales que encontramos alrededor del canal fueron desechos organicos en descomposición, grava, arena fina, pvc, arboles, hojas de árbol, etc. El material del que estaba hecho la construccion del canal era hormigón dimensionado para reducir el caudal y la velocidad del agua que circula por el mismo.
Determinar las marcas que ha dejado el agua en periodos de lluvia en las paredes o ramas de los árboles.
Medir el caudal mediante el método del flotador.
6.3 DATOS DEL CANAL
T = 2.745 m
T=a+b+c
a = 48 cm
remplazando
c = 48 cm
195 = 48+b+48
y = 24 cm
195 = 96+b b = 99cm
0.53 0.24
Z Escriba aquí la ecuación.
Cos α
α
=
0.53 ¿ 0.24 ¿
= 63.075
°
90 ≠ β+α Talud Z = 3.656 ⱱⱱ β = 26.925
°
6.5 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS.
b = 0.99m y = a.24 m z = 3.656 t= 2.7475 m p= 2.81 m R = 0.1595 VISCOCIDAD = 0.1595 VEOCIDAD= 0.85 D = 0.1633 S= 0.0052 FROUDE (Fr) = 0.67 < 1 ---Flujo subcritico REYNOLDS (Re) = 542300 ---- Turbulento
6.6 ANÁLISIS DE RESULTADOS.
6.7 OBSERVACIONES.
-6.8 ANEXOS.
Comprobando los datos obtenidos mediante h Canales
Hallamos la tirante critica
Calculamos nuestras curvas de remanso
7. CONCLUSIONES FINALES Al finalizar la practica llegamos a la conclusión de que mediante un aforo podemos analizar, medir y determinar datos como el caudal, la velocidad y tipo de flujo en una determinada sección del canal para elaborar o rediseñar, si es necesario, un canal artificial que cumpla con todas sus condiciones y no halla inconvenientes futuros y nuestras observaciones fueron que muchos canales se encuentran en deterioro por el mal cuidado que le da la población que se encuentra alrededor del mismo y esto representa un gran gasto económico al mantenimiento de dicho canal. Otro problema que puede tener es que con un canal sin mantenimiento empieza a agrietarse y a filtrar agua y esto afecta al recorrido del agua y se disminuye la vida útil del mismo.
