UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA UNI – RUPAP Proyecto Hidráulica II 1 INDICE

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA UNI – RUPAP

FACULTAD TECNOLOGÍA DE LA CONSTRUCCIÓN

DEPARTAMENTO DE HIDRAULICA Y MEDIO AMBIENTE

“ANALISIS Y DISEÑO DEL CAUCE NATURAL 31 DE DICIEMBRE” Docente: Dr. Néstor Lanzas Mejía.

Asignatura: Hidráulica II

Grupo: IC – 31D

Estudiante: Otmán Rajiv Jarquín Orozco.

Proyecto Hidráulica II

INDICE INTRODUCCION .................................................................................................... 2 OBJETIVOS ............................................................................................................ 3 MACRO Y MICROLOCALIZACION ........................................................................ 4 ANTECEDENTES ................................................................................................... 5 GENERALIDADES .................................................................................................. 6 ESTUDIO DE SUELOS ..................................................................................... 11 CRITERIO DE DISEÑO ........................................................................................ 13 CALCULOS ........................................................................................................... 14 RESULTADOS ...................................................................................................... 18 CONCLUSIONES.................................................................................................. 19 RECOMENDACIONES ......................................................................................... 20 BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 21 ANEXOS ............................................................................................................... 22

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INTRODUCCION

Este informe contiene el análisis hidráulico a un tramo del cauce 31 de diciembre, que está ubicado sobre la carretera Norte cerca de la fuerza aérea. Este cauce ya está revestido, en el presente informe se hará un análisis al diseño (100m3/s) para saber si las dimensiones del canal son estables frente a la erosión. Para el análisis del canal se efectuó un sondeo para tener el estudio de los suelos y así determinar su granulometría, peso volumétrico seco, limites líquidos, limites plásticos etc. Aunque el canal ya está revestido se hará un análisis sin revestimiento para saber si es estable frente a la erosión y después se propondrán alternativas de diseños y revestimiento. El revestimiento y diseño de este canal será analizado para proponer otras alternativas sobre el diseño del mismo y así ver cuál de estas alternativas es la mejor solución la cual estará basada en las dimensiones de la obra, es decir la solución que sea más baja económicamente y mejor técnicamente.

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OBJETIVOS

General  Analizar el canal existente antes y después de revestirlo, para poder saber si el revestimiento era necesario.

Específicos

 Determinar el máximo caudal que puede llegar a soportar el canal sin erosionarse.  Proponer alternativas de diseño para el canal 31 de Diciembre.

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MACRO Y MICROLOCALIZACION

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ANTECEDENTES La Hidráulica es tan antigua como la civilización misma. Esto es evidente si se piensa en la lucha del hombre por la supervivencia, que lo obligó a aprender a utilizar y controlar el agua. Por esto, las civilizaciones antiguas se desarrollaron en las proximidades de los grandes ríos y basaron su economía en la agricultura. Del año 4000 al 2000 A. C. los egipcios y los fenicios ya tenían experiencias en problemas de agua, en la construcción de sus barcos y sus puertos. En ese tiempo, China, India, Pakistán, Egipto y Mesopotamia iniciaron el desarrollo de los sistemas de riego. Los chinos también experimentaron en la protección contra inundaciones, Después del año 500 A. C. en la Grecia antigua se construyeron acueductos y se empezaron a desarrollar fórmulas para dichos sistemas; fue éste uno de los primeros intentos para la elaboración de un modelo matemático. Después, básicamente se conoce la invención del molino de viento utilizado para extraer aguas subterráneas. Ya en el siglo XVI se desarrollaron los principios de la hidráulica con científicos como Keppler y Torricelli, alrededor del año 1800 Newton, Bernouilli y Euler perfeccionaron dichas teorías. La ciudad de Managua es bastante afectada por las inundaciones y una herramienta muy útil en respuesta a estos problemas es la hidráulica, ciencia que nos ayuda hacer un análisis detallado del problema, una de las muchas soluciones que nos brinda la hidráulica es el diseño de cauces (canales), entre estos se encuentra el cauce 31 de diciembre el cual será analizado en este informe. Para una mayor duración de los cauces un mejoramiento que se le hace es el revestimiento del mismo.

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GENERALIDADES En ingeniería se denomina canal a una construcción destinada al transporte de fluidos generalmente utilizada para agua y que, a diferencia de las tuberías, es abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación. La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es una parte fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería hidráulica, una de las especialidades de la ingeniería civil. Tipos de canales Canal natural. Se denomina canal natural a las depresiones naturales en la corteza terrestre, algunos tienen poca profundidad y otros son más profundos, según se encuentren en la montaña o en la planicie. Algunos canales permiten la navegación, generalmente sin necesidad de dragado. Los canales naturales influyen todos los tipos de agua que existen de manera natural en la tierra, lo cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes, y estuarios de mareas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas razonablemente consistentes en las observaciones y experiencias reales, de tal modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables mediante tratamiento analítico de la hidráulica teórica. Canal de riego. Éstos son vías construidas para conducir el agua hacia las zonas que requieren complementar el agua precipitada naturalmente sobre el terreno. Canal de navegación. Un canal de navegación es una vía de agua hecha por el hombre que normalmente conecta lagos, ríos u océanos.

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Proyecto Hidráulica II Tipos de flujo en un canal Flujo permanente Un flujo permanente es aquel en el que las propiedades fluidas permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes en el espacio. Las características del flujo, como son: Velocidad (V), Caudal (Q), y Calado (h), son independientes del tiempo, si bien pueden variar a lo largo del canal. Flujo transitorio o No permanente Un flujo transitorio presenta cambios en sus características a lo largo del tiempo para el cual se analiza el comportamiento del canal. Las características del flujo son función del tiempo. Flujo uniforme Es el flujo que se da en un canal recto, con sección y pendiente constante, a una distancia considerable (20 a 30 veces la profundidad del agua en el canal) de un punto singular, es decir un punto donde hay una mudanza de sección transversal ya sea de forma o de rugosidad, un cambio de pendiente o una variación en el caudal. Flujo gradualmente variado El flujo es variado: si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado puede ser permanente o no permanente. Debido a que el flujo uniforme no permanente es poco frecuente, el término “flujo no permanente” se utilizará de aquí para adelante para designar exclusivamente el flujo variado no permanente. El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente variado o gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas; de otro modo es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto hidráulico y la caída hidráulica. Elementos geométricos de la sección del canal Los elementos geométricos son propiedades de una sección del canal que puede ser definida enteramente por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. Estos elementos son muy importantes para los cálculos del escurrimiento. Profundidad del flujo, calado o tirante: la profundidad del flujo (h) es la distancia vertical del punto más bajo de la sección del canal a la superficie libre. 7

Proyecto Hidráulica II Ancho superior: el ancho superior (T) es el ancho de la sección del canal en la superficie libre. Área mojada: el área mojada (A) es el área de la sección transversal del flujo normal a la dirección del flujo. Perímetro mojado: el perímetro mojado (P) es la longitud de la línea de la intersección de la superficie mojada del canal con la sección transversal normal a la dirección del flujo. Radio hidráulico: el radio hidráulico (R) es la relación entre el área mojada y el perímetro mojado, se expresa como: R = A / P Profundidad hidráulica: la profundidad hidráulica (D) es la relación del área mojada con el ancho superior, se expresa como: D = A / T Factor de la sección: el factor de la sección (Z), para cálculos de escurrimiento o flujo crítico es el producto del área mojada con la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica, se expresa como: Z = A. SQRT (D) El factor de la sección, para cálculos de escurrimiento uniforme es el producto del área mojada con la potencia 2/3 del radio hidráulico, se expresa como: A. R^ (2/3) Características geométricas e hidráulicas de un canal Las características geométricas son la forma de la sección transversal, sus dimensiones y la pendiente longitudinal del fondo del canal. Las características hidráulicas son la profundidad del agua (h, en m), el perímetro mojado (P, en m), el área mojada (A, en m 2) y el radio hidráulico (R, en m), toda función de la forma del canal. También son relevantes la rugosidad de las paredes del canal, que es función del material en que ha sido construido, del uso que se le ha dado y del mantenimiento, y la pendiente de la línea de agua, que puede o no ser paralela a la pendiente del fondo del canal. Coeficiente de manning La ecuación de Manning es el resultado del proceso de un ajuste de curvas, y por tanto es completamente empírica en su naturaleza. Debido a su simplicidad de forma y a los resultados satisfactorios que arroja para aplicaciones prácticas, la fórmula Manning se ha hecho la más usada de todas las fórmulas de flujo uniforme para cálculos de escurrimiento en canal abierto.

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Proyecto Hidráulica II La fórmula Manning fue sugerida para uso internacional por Lindquist en el Scandinavia Sectional Meeting del World Power Conference en 1933, en Stockolmo. El valor de n es muy variable y depende de una cantidad de factores. Al seleccionar un valor adecuado de n para diferentes condiciones de diseño, un conocimiento básico de estos factores debe ser considerado de gran utilidad.  Rugosidad de la superficie Se representa por el tamaño y la forma de los granos del material que forma el perímetro mojado y que producen un efecto retardante sobre el flujo. En general, los granos finos resultan en un valor relativamente bajo de n y los granos gruesos dan lugar a un valor alto de n.  Vegetación Puede ser vista como una clase de rugosidad superficial. Este efecto depende principalmente de la altura, densidad, distribución y tipo de vegetación, y es muy importante en el diseño de canales pequeños de drenaje, ya que por lo común éstos no reciben mantenimiento regular.  Irregularidad del canal Se refiere a las variaciones en las secciones transversales de los canales, su forma y su perímetro mojado a lo largo de su eje longitudinal. En general, un cambio gradual y uniforme en la sección transversal o en su tamaño y forma no produce efectos apreciables en el valor de n, pero cambios abruptos o alteraciones de secciones pequeñas y grandes requieren el uso de un valor grande de n.  Alineamiento del canal Curvas suaves con radios grandes producirán valores de n relativamente bajos, en tanto que curvas bruscas con meandros severos incrementarán el n.  Sedimentación y erosión En general la sedimentación y erosión activa, dan variaciones al canal que ocasionan un incremento en el valor de n. Urquhart (1975) señaló que es importante considerar si estos dos procesos están activos y si es probable que permanezcan activos en el futuro.

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Proyecto Hidráulica II  Obstrucción La presencia de obstrucciones tales como troncos de árbol, deshechos de flujos, atascamientos, pueden tener un impacto significativo sobre el valor de n. El grado de los efectos de tale obstrucciones dependen del número y tamaño de ellas.

(ver anexos tabla de cowan)

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ESTUDIO DE SUELOS Sondeo Manual Este tipo de exploración se realiza comúnmente en obras horizontales realizándose excavaciones de pequeña sección en planta y generalmente a una profundidad máxima de 1.5 metros. En esta exploración se obtienen muestras alteradas. Del sondeo manual se determinaron 4 estratos claramente definidos, a los cuales se le iban a realizar todas las pruebas respectivas para su caracterización. Gravedades específicas

Muestra

Gravedad Especifica

1 2 3 4

2.84 2.82 3.81 2.00

Granulometría

Tamiz 1" 3/4" 1/2" 3/8" N°4 N°10 N°40 N°200 Pasan N°200

1 % Que Pasa 100 100 100 100 96 90 67 54 0

2 % Que Pasa 98 92 83 75 66 60 51 41 0

3 % Que Pasa 100 97 94 92 92 89 83 77 0

4 % Que Pasa 100 100 100 99 96 88 80 66 0

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Limites Líquidos y Plásticos

Muestra 1 2 3 4

Limite Liquido 64.43 50.99 40.98

Limite Plástico 35.14 39.58 22.31 NP

IP

Clasificación

29.29 11.41 18.67 0

MH-Limo elástico arenoso GM-Grava limosa con arena CL- Arcilla baja con arena ML-Limo arenoso

Compactación de suelos y relación de vacios mínima

Muestra

Gravedad Especifica

Densidad Seca (g/cm^3)

1 2 3 4

2.84 2.82 3.81 2.00

1.28 1.54 1.62 1.51

Peso Especifico del Agua (g/cm^3) 1 1 1 1

Relación de Vacios 1.22 0.83 1.36 0.33

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CRITERIO DE DISEÑO Máxima eficiencia Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal, ésta condición está referida a un perímetro húmedo mínimo.

Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de canales, aunque el diseño final se hará considerando las diferentes posibilidades y el resultado será siempre una solución de compromiso, porque nunca se podrán eliminar todos los riesgos y desventajas, únicamente se asegurarán que la influencia negativa sea la menor posible y que la solución técnica propuesta no sea inconveniente debido a los altos costos. Las ecuaciones a utilizar son:

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CALCULOS Sección 1 “Sin revestir” S1= 0.1%

Q=100 m3/s

Z=2

N= (0.020 + 0.005 + 0.005 + 0 +0.005)1 = 0.035

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Proyecto Hidráulica II Sección 1 “Revestida” S1= 0.1%

Q=100 m3/s

Z=2

N= Concreto sin terminar = 0.017

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Proyecto Hidráulica II Sección 2 “Sin revestir” S1= 0.2%

Q=100 m3/s

Z=2

N= (0.020 + 0.005 + 0.005 + 0 +0.005)1 = 0.035

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Proyecto Hidráulica II Sección 2 “Revestida” S1= 0.2%

Q=100 m3/s

Z=2

N= Concreto sin terminar = 0.017

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RESULTADOS

b(m) 2.5

Y(m) 5

Q(m3/s) 100

Sección 1 Revestida

2

4

100

Sección 2 Sin revestir

2

4

100

Sección 2 Revestida

1.5

3.5

100

Sección 1 Sin revestir

Observaciones Esta sección es erosionable para un caudal de 100 m3/s. Es estable soporta un caudal de 100 m3/s. Esta sección es erosionable para un caudal de 100 m3/s Es estable soporta un caudal de 100 m3/s.

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CONCLUSIONES

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RECOMENDACIONES

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BIBLIOGRAFIA http://books.google.com.ni/books?id=rahezSjGp3wC&pg=PA762&lpg=PA762&dq= metodo+de+la+velocidad+media+critica&source=bl&ots=zUaqKSGyaq&sig=p6qe GQX8h7NvOTHgBF4TUrgWRI&hl=es&sa=X&ei=wnbOUOGfIYWs8ASU84DADQ#v=onepage &q=metodo%20de%20la%20velocidad%20media%20critica&f=false

http://es.scribd.com/doc/59324376/Coeficiente-de-Manning-1

http://maps.google.com.ni/maps?hl=es&tab=wl

http://www.monografias.com/trabajos19/canales/canales.shtml

http://es.wikipedia.org/wiki/Canal_(ingenier%C3%ADa)

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ANEXOS Plano de Planta

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Proyecto Hidráulica II Plano de Perfil

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Estudio de suelos

Tablas de granulometría

Tamiz 1" 3/4" 1/2" 3/8" N°4 N°10 N°40 N°200 Pasan N°200 Suma

Retenido Parcial (gr) 0 0 0 0 17.55 25.46 93.45 53.15 218.72 408.33

Retenido Parcial (gr) Tamiz 1" 9.35 3/4" 28.2 1/2" 37.7 3/8" 34.5 40.6 N°4 N°10 25.82 N°40 38.47 N°200 45.6 Pasan N°200 177.95 Suma 438.19

Muestra N°1 % Retenido Parcial

% Retenido Acumulado

0 0 0 0 4 6 23 13 54 100

Muestra N°2 % Retenido Parcial 2 6 9 8 9 6 9 10 41 100

0 0 0 0 4 10 33 46 100

% Retenido Acumulado 2 8 17 25 34 40 49 69 100

% Que Pasa 100 100 100 100 96 90 67 54 0

% Que Pasa 98 92 83 75 66 60 51 41 0

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Muestra N°3 Tamiz 1" 3/4" 1/2" 3/8" N°4 N°10 N°40 N°200 Pasan N°200 Suma

Tamiz 1" 3/4" 1/2" 3/8" N°4 N°10 N°40 N°200 Pasan N°200 Suma

Retenido Parcial (gr) 0 14.4 12.5 10.1 0 12.56 23.98 25.67 314.99 414.2

Retenido Parcial (gr) 0 1.78 0 4.4 10.26 34.6 32.8 62.67 289.83 436.34

% Retenido Parcial 0 3 3 2 0 3 6 6 77 100

Muestra N°4 % Retenido Parcial 0 0 0 1 3 8 8 14 66 100



% Que Pasa 100 97 94 92 92 89 83 77 0

% Que Pasa 100 100 100 99 96 88 80 66 0

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Datos y curvas de la prueba proctor.

peso del molde volumen del molde

peso del molde + muestra peso volumetrico peso tara peso humedo peso seco humedad% peso del molde + humeda compacta humedo compacto + tara +tara muestra seca compacta

4

4,190.0000 4,190.0000 4,190.0000 4,190.0000

926.6690 926.6690 926.6690 926.6690

5,700.0000 5,926.0000 5,939.0000 5,950.0000

1.6295 1.8734 1.8874 1.8993

30.1000 32.5800 31.9100 47.6700

166.0700 300.9500 193.6300 214.4100

144.5000 244.2400 157.4000 181.1100

18.8549 26.7930 28.8708 24.9550

3

4,190.0000 4,190.0000 4,190.0000

926.6690 926.6690 926.6690

5,703.0000 5,839.0000 5,934.0000

1.6327 40.3000 1.7795 41.1100 1.8820 41.1200

151.9300 136.1300 16.4875 246.9300 199.5400 29.9123 243.0800 198.3700 28.4324

2

4,190.0000 4,190.0000 4,190.0000

926.6690 926.6690 926.6690

5,590.0000 5,822.0000 5,813.0000

1.5108 32.0000 1.7611 31.0000 1.7514 41.0000

116.0000 98.8700 25.6169 113.0000 92.1000 34.2062 196.0000 52.0100 1,307.8111

1

4,190.0000 4,190.0000 4,190.0000

926.6690 926.6690 926.6690

5,505.0000 5,715.0000 5,805.0000

1.4191 28.0000 1.6457 39.0000 1.7428 46.0000

143.0000 122.4100 21.8091 214.0000 173.7600 29.8605 166.0000 133.1400 37.7094

1.3710 1.4775 1.4646 1.5200 1.4016 1.3698 1.4654 1.2027 1.3123 0.1244 1.1650 1.2673 1.2656

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1.3000

MUESTRA1

1.2800 y = -0.0008x2 + 0.0547x + 0.3588

1.2600 1.2400

MUESTRA1

1.2200

Polinómica (MUESTRA1)

1.2000 1.1800 1.1600 1.1400 -

10.0000 20.0000 30.0000 40.0000

MUESTRA 2 6.0000 5.0000 4.0000 MUESTRA 2

3.0000

Polinómica (MUESTRA 2)

2.0000 1.0000 -

y = -1E-05x2 + 0.0134x + 0.8665 -

500.0000 1,000.0000 1,500.0000

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MUESTRA 3 1.6500 1.6000 1.5500 MUESTRA 3

1.5000


1.4500 1.4000 y = -0.0052x2 + 0.2394x - 1.1286

1.3500 -

10.0000

20.0000

30.0000

40.0000

MUESTRA 4 1.5400 1.5200

y = -0.0035x2 + 0.1735x - 0.6701

1.5000 1.4800 1.4600

MUESTRA 4

1.4400


1.4200 1.4000 1.3800 1.3600 -

10.0000

20.0000

30.0000

40.0000

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Tablas de Hidráulica

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