GUIAS DE PRACTICAS ICI Código de registro: RE-10-LAB-109-001
Versión 1.0
UNIVERSIDAD PRIVADA DEL VALLE CARRERA DE INGENIERIA CIVIL TALLER DE OBRAS HIDRAULICAS
Práctica No. 1
IDENTIFICACION Y DESCRIPCION DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS 1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO.Las estructuras hidráulicas son las obras de la ingeniería necesarias para lograr el aprovechamiento de los recursos hídricos con el fin de controlar el manejo de las aguas que en algunos casos son destructivos. Estas obras generalmente trabajan en la mayoría de los casos con en combinación de elementos estructurales mecánicos Se construyen en beneficio del hombre y el desarrollo de la humanidad. La construcción destinada a la captación, extracción, desalación, almacenamiento, regulación, conducción, control y aprovechamiento de las aguas, así como el saneamiento, depuración, tratamiento y reutilización de las aprovechadas y las que tengan como objeto la recarga artificial de acuíferos. Las obras hidráulicas son: presas, embalses, diques, canales de acequias, azudes, conducciones, y depósitos de abastecimiento a poblaciones, instalaciones de desalación, captación y bombeo, alcantarillado, colectores de aguas pluviales y residuales. 2. COMPETENCIAS.El estudiante Identificara Identificara cada una de las estructuras hidráulicas instaladas en el equipo construido en el Área de Obras, observara también las condiciones de ubicación de cada uno de ellos y su influencia en las condiciones de flujo.
3. MATERIALES Y EQUIPOS.Canal y sus diversas secciones Vertederos Marshall Compuertas Rápida
4. PROCEDIMIENTO.
Observar e identificar todas las estructuras que componen el sistema Registrar las medidas geométrica Registrar el acabado de la estructura
5. TIEMPO DE DURACION DE LA PRACTICA El tiempo necesario para efectuar la práctica es de 2 periodos académicos 6. MEDICIÓN, CALCULOS Y GRAFICOS.
Identificar las condiciones teóricas en las que se debe instalar cada una de las estructuras que contiene el sistema Desarrollar gráficos y esquemas representativos de cada una de las estructuras Mostrar también mediante esquemas la influencia que produce cada una de las estructuras en el flujo sobre el canal Identificar la utilidad que puede darse a cada una de las estructuras identificadas, en el contexto del canal
7. CUESTIONARIO.
Si cumplen razonablemente las condiciones de instalación de las estructuras identificadas? ¿Por qué? En particular para la rápida, ¿cómo se produce en ella el flujo? ¿es posible identificar variables convencionales de flujo En qué condiciones se puede diseñar y construir una rápida? Qué sugerencias plasmaría para lograr un mejor desempeño del sistema y de las prácticas?
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Versión 1.0
UNIVERSIDAD PRIVADA DEL VALLE CARRERA DE INGENIERIA CIVIL TALLER DE OBRAS HIDRAULICAS
Práctica No. 2
MEDIDORES A REGIMEN CRÍTICO ESTRUCTURA PARSHALL
1.
CONOCIMIENTO TEÓRICO REQUERIDO
1.1
Medidores a régimen crítico Los medidores de caudal a régimen crítico esencialmente consisten en la contracción de las líneas de flujo en un canal abierto, de tal modo que se alcanza la altura crítica en la garganta de la estructura. La contracción se produce por un estrechamiento en el canal, ya sea lateral, de fondo, o de ambos. El desempeño hidráulico de una estructura de este tipo es similar al comportamiento de un vertedero de cresta ancha. La relación altura - caudal de la mayoría de los medidores a régimen crítico tiene la siguiente forma: Q Cd hu
(1)
Donde: C d => coeficiente de descarga dependiente de las dimensiones de la garganta h => altura piezométrica sobre la cresta en el canal de aproximación u => factor que varía entre 1.50 y 2.50 dependiendo de la geometría del canal
Algunos ejemplos de estructuras de medición de caudales a régimen crítico son: Parshall, Cut-throat flume, H-Flume, etc.
1.2
Aforador Parshall Considerando los medidores de caudal a régimen crítico, uno de las más ampliamente difundidos es el aforador Parshall, que se caracter iza por contar con un canal con contracción lateral y de fondo. (Figura 1) Por su relativa facilidad de construcción y escaso mantenimiento, estas estructuras se han estandarizado en cuanto a dimensiones y a su relación altura - caudal, en función al rango de caudales a medir. La medición práctica de flujo con este tipo de aforadores varía de 0.09 lt/s a 93 m 3/s, según sus dimensiones y el material de construcción.
La medición de tirantes en un Parshall se la hace en una de las paredes convergentes de la base horizontal a una distancia: 2
a
3
A
(2)
La cual se mide de la forma en que se ilustra en la Figura 1. La dimensión A para diferentes tamaños de Parshall se indica en el Cuadro 1. En este cuadro además, se muestran las magnitudes principales de algunas estructuras Parshall y sus correspondientes relaciones altura - caudal. La identificación de los diferentes tipos de Parshall se la hace considerando su magnitud más representativa, la cual es el ancho de la garganta b en pulgadas o pies. En al Figura 2, se puede observar la geometría de un medidor Parshall en planta y corte mas el detalle de sus dimensiones.
Medidor de tirantes
E
K
N
CORTE A -A
M
B
T
G
Ha H
A
D
A
2/3A
P
W
A
PLANTA
Geometría de una estructura Parshall
C
P
2.- COMPETENCIAS El estudiante Investigara las consideraciones teóricas, de diseño y uso de aforadores a régimen crítico, y aplicara en obra el uso de un aforador Parshall para la medición de caudales en canales a superficie libre.
3.- MATERIALES Y EQUIPOS. La práctica considera los siguientes materiales y equipos:
Canal a superficie libre de sección cuadrada y con flujo controlado
Medidor Parshall
Sonda milimétrica para medición de tirantes
Nivel de burbuja para verificar pendientes
Medidor de caudal en el canal
4.- PROCEDIMIENTO a.
Identificar a cual de los Parshall clasificados en el Cuadro 1, corresponde el que se va a utilizar en la práctica. Se debe tomar nota de sus dimensiones y de la ecuación altura - caudal (Q vs h) correspondientes.
b.
Dejar circular el agua por el canal de manera controlada.
c.
Variar progresivamente el caudal de flujo con la compuerta al menos tres etapas, considerando que antes de intentar una nueva variación el flujo debe estabilizarse de manera de permitir la medición de tirantes adecuadamente.
d.
Para cada caudal que circule por el canal (y el Parshall) se debe medir cuidadosamente el tirante de agua en el lugar indicado.
e.
Las alternativas pueden ser:
Método manual se efectúa midiendo físicamente el tirante de agua sobre el fondo del conducto, utilizándose para reglas graduadas
Medidor de tirantes
(equipo opcional) que consta de una regla
graduada con un cursor tipo aguja, se instala a la entrada del canal. )
Molinete para canales (equipo opcional)
5.- TIEMPO DE DURACION DE LA PRÁCTICA El tiempo necesario para efectuar la práctica es de 2 periodos académicos 6.-MEDICIÓN, CALCULOS Y GRAFICOS a.
A partir de las mediciones de tirantes para cada uno de las variaciones de caudal considerados, se debe aplicar la ecuación Q vs h correspondiente al tipo de Parshall utilizado en la práctica.
b.
Se calcula mediante la ecuación el caudal "teórico" y se compara con los caudales medidos en el canal, utilizando una tabla
c.
Identificar estadísticamente las variaciones
d.
Comentar el procedimiento y resultados.
7.- CUESTIONARIO a) ¿Por qué se debe medir el tirante en el lugar indicado de la estructura del Parshall y no en otro? b) Identifique las variaciones de régimen hidráulico - si es que existen mientras el flujo atraviesa la estructura Parshall. c) ¿De qué magnitud son las variaciones observadas entre los caudales medidos y "teóricos"? d) ¿A que atribuye estas diferencias? e) Por qué considera que se llaman "medidores a régimen crítico"?
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Práctica No. 3
CALIBRACION DE VERTEDEROS 1.- CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO Los vertederos son estructuras hidráulicas destinadas a permitir el paso, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales; siendo el aliviadero en exclusiva para el desagüe y no para la medición. Existen diversos tipos según la forma y uso que se haga de ellos, a veces de forma controlada y otras veces como medida de seguridad en caso de tormentas en presas, que tienen aplicación muy extendida en todo tipo de sistemas hidráulicos.Un vertedero puede tener las siguientes misiones: - Lograr que el nivel de agua en una obra de toma alcanc e el nivel de requerido para el funcionamiento de la obra de conducción. - Mantener un nivel casi constante aguas arriba de una obra de toma, permitiendo que el flujo sobre el coronamiento del vertedero se desarrolle con una lámina líquida de espesor limitado. - En una obra de toma, el vertedero se constituye en el órgano de seguridad de mayor importancia, evacuando las aguas en exceso generadas durante los eventos de máximas crecidas. - Permitir el control del flujo en estructuras de caída, disipadores de energía, transiciones, estructuras de entrada y salida en alcantarillas de carreteras, sistemas de alcantarillado, etc.
2.- COMPETENCIAS.El estudiante desarrolla el proceso de calibración de vertederos en una estructura de conducción real, lo que podría replicarse en un canal abierto de la obra Lograra mantener el nivel de agua casi constante
3.- EQUIPOS.Canal a cielo abierto del sector de Obras Hidráulicas Parshall instalado en el canal
Vertedero rectangular de pared delgada instalado en el canal Vertedero de cresta ancha instalado en el canal Flexómetro
4.- PROCEDIMIENTO.
Se miden las dimensiones representativas del Parshall para su posterior identificación Se debe dejar fluir agua por el canal a diferentes caudales sucesivamente Para cada uno de ellos, se debe lograr la estabilidad del flujo antes de iniciar la práctica Se identifica en el Parshall instalado los niveles de agua para cada variación de caudal Simultáneamente se mide los tirantes sobre el vertedero de pared delgada a una distancia apropiada aguas arriba De igual manera de miden tirantes sobre el vertedero de cresta ancha
5.- TIEMPO DE DURACION DE LA PRÁCTICA El tiempo necesario para efectuar la práctica es de 2 periodos académicos 6.- MEDICIÓN, CALCULOS Y GRAFICOS.En el Taller
El estudiante debe tomar nota de los tirantes de agua para cada variación de caudal realizada, tanto en el Parshall como en el verteder o de pared delgada y en el de cresta ancha.
En gabinete
En base a las dimensiones tomadas en el Parshall, se lo identifica en las normas estandarizadas, así como su capacidad. Con los tirantes medidos en el Parshall y la identificación previa, se determinan los caudales correspondientes a cada variación realizada. Con los tirantes medidos en los vertederos, para cada uno de ellos se procede a su calibración con los métodos analítico y estadístico Se obtendrán ecuaciones Q vs h para cada uno de los vertederos.
Vertederos de pared gruesa
7.- CUESTIONARIO.
¿Además de un Parshall, que otras estructuras de medición de caudal in situ son apropiadas para canales a superficie libre? ¿Cuáles son las características que debe cumplir la instalación de vertederos (de cresta delgada y ancha) en canales? ¿Cuál es el grado de confiabilidad que se puede lograr con un proceso de calibración? ¿De qué depende?
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Práctica No. 4
IDENTIFICACION Y DESCRIPCION DE RUGOSIDAD 1.- CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO.Los canales abiertos son obras hidráulicas que tienen la finalidad de conducir los caudales de captación desde la obra de toma hasta el lugar de carga o distribución, de acuerdo a la naturaleza del proyecto y en condiciones que permitan transportar los volúmenes necesarios para cubrir la demanda. La rugosidad hidráulica de las paredes de los canales son de gran importancia para el desplazamiento natural de velocidad del flujo, dependiendo del acabado de la construcción y el tiempo de uso. Los valores son determinados en mediciones tanto de laboratorio como en el campo. No es significativa, como se puede ver a continuación, la variación de este parámetro es fundamental para el cálculo hidráulico por un lado, y para el buen desempeño de las obras hidráulicas por otro.
2.- COMPETENCIAS.El estudiante Identificara y tomaran medidas en el canal las diferentes formas y diferentes materiales de acabado superficial, para aplicar los coeficientes de rugosidad ecuaciones empíricas de flujo.
3.- EQUIPOS.Canal a cielo abierto Parshall instalado en el canal Flexómetro Manguera de nivel
4.- PROCEDIMIENTO.-
Se medirá inicialmente la pendiente longitudinal de cada tramo de canal con ayuda de la manguera de nivel Conocidas las características del Parshall instalado, en el se medirán tirantes para su posterior identificación de caudales de flujo. Para un determinado caudal estabilizado previamente, se medirá con el flexómetro en cada sección de canal sus variables: solera, tirante y ángulo de taludes.
5.- TIEMPO DE DURACION DE LA PRÁCTICA El tiempo necesario para efectuar la práctica es de 2 periodos académicos 6.- MEDICIÓN, CALCULOS Y GRAFICOS.En gabinete
Identificado el Parshall, se pueden determinar caudales para cada tirante medido. En base a las mediciones efectuadas, se determinan las variables de flujo: tirante, solera, taludes, pendiente, perímetro mojado, área de flujo, radio hidráulico y caudal. Siendo el coeficiente de rugosidad la única incógnita en cada caso y para cada variación de caudal, es posible calcularlo a partir de las ecuaciones empíricas elegidas.
7.- CUESTIONARIO.Considerando cada tramo de canal y las diferentes variaciones de caudal desarrolladas en el ensayo: ¿Cómo se comportaron los resultados? ¿Deberían ser semejantes? ¿Concuerdan con valores referenciales identificados en bibliografía especializada? ¿A qué atribuye las variaciones? ¿Qué opinión le merece el resultado de la rugosidad en el canal trapezoidal en el que se tienen diferentes materiales de acabado en la solera y en los taludes
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Práctica No. 5
DETERMINACION DE LA VELOCIDAD MEDIA EN LA VERTICAL 1.- CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO.La velocidad media del agua en cada vertical puede determinarse mediante los siguientes métodos, dependiendo del tiempo disponible y teniendo en consid eración el ancho, la profundidad del agua, las condiciones del lecho, los cambios de nivel, así como la precisión con que se desea operar: El diseño de un canal requiere del análisis de las velocidades medias de flujo, de manera que no se presente sedimentación ni erosión; en el primer caso nos referimos a la velocidad mínima o velocidad "que no sedimenta" vn.s y en el segundo a la velocidad máxima o "velocidad no erosiva" vn.e. Entre los primeros intentos para encontrar las relaciones hidráulicas de canales sin erosión ni sedimentación, se puede mencionar al profesor inglés R.G. Kennedy, que presentó en 1895 una fórmula basada en el estudio del funcionamiento hidráulico de 22 canales de riego en la India, la misma que se expresa de la siguiente manera:
Donde:
Vo = Velocidad media de flujo que no ocasiona ni sedimentación ni erosión, en pies/s y = Tirante de agua, en pies C = Coeficiente que depende de la firmeza del material que conforma el canal, que King asocia al grado de finura de las partículas del suelo. Posteriormente, trabajos relacionados al estudio de la Teoría de Régimen, ampliaron los niveles de conocimiento sobre la estabilidad hidráulica de los canales, sin embargo la aplicación de las fórmulas, desarrolladas sobre la base de mediciones en la naturaleza, requieren del conocimiento preciso de los rangos de validez de las mismas y de las características particulares de los canales que sirvieron de modelo.
2.- COMPETENCIAS.El estudiante comparara y experimentara en el canal abierto la diferencia de velocidad de desplazamiento del flujo, tomando en cuenta los materiales de acabado superficial y el coeficiente de rugosidad en cada uno de los tramos a diferentes profundidades
3.- EQUIPOS.Canal abierto Esferas Flotadoras Flexómetro o huincha Cronómetros
4.- PROCEDIMIENTO Y METODOS.a) Método de los puntos: Se deben realizar distintas observaciones de velocidad en cada vertical dependiendo de la profundidad del curso del agua. Para secciones de poca profundidad (menores a 60 cm) se realizan observaciones en cada vertical colocando el molinete a 0,6 de la profundidad total por debajo de la superficie libre. Para profundidades superiores, generalmente, se mide la velocidad a 0,2 y luego a 0,8 de la profundidad de la superficie libre y se usa el promedio de las dos medidas como la velocidad media en la vertical. En la Tabla 2.1 se resumen los anteced entes necesarios para el cálculo de la velocidad media de acuerdo a la profundidad del cauce: b) Método de múltiples puntos: consiste en medir velocidades en muchas posiciones de la vertical para definir el perfil de velocidad bastante bien y así calcular una velocidad media lo suficientemente exacta.? El método es muy preciso, dependiendo del número de puntos de referencia medidos para el perfil, pero requiere de mucho tiempo. c) Método superficial: implica medir la velocidad cerca de la superficie libre y después? multiplicarla por un coeficiente que va desde 0,85 a 0,95, dependiendo de la profundidad del agua, de la velocidad, y de la naturaleza del río o canal.? La dificultad de determinar el coeficiente exacto limita la utilidad y la exactitud de este método. En general, se utiliza para medir la velocidad en crecidas, en donde no se recomienda efectuar un aforo convencional, para proteger los equipos hidrométricos.
d) Método de integración (Molinete): En este método el molinete es sumergido y elevado a lo largo de toda la vertical a una velocidad uniforme. La velocidad de ascenso o descenso del molinete no deberá ser superior al 5% de la velocidad media del flujo en toda la sección transversal y en todo caso deberá estar comprendida entre 0.04 y 0.10 m/s. Se determina el número de revoluciones por
segundo. En cada vertical se realizan dos ciclos completos y, si los resultados difieren de más de 10%, se repite la medición.
5.- TIEMPO DE DURACION DE LA PRÁCTICA El tiempo necesario para efectuar la práctica es de 2 periodos académicos
6.-MEDICIÓN, CALCULOS Y GRAFICOS.En gabinete
7.- CUESTIONARIO.Considerando cada tramo de canal y las diferentes variaciones de caudal desarrolladas en el ensayo: ¿Cómo se comportaron los resultados? ¿Deberían ser semejantes? ¿Concuerdan con valores referenciales identificados en bibliografía especializada? ¿A qué atribuye las variaciones? ¿Qué opinión le merece el resultado de la rugosidad en el canal trapezoidal en el que se tienen diferentes materiales de acabado en la solera y en los taludes?
