Cap VII Hidráulica de canales
Páginas: 9 (2038 palabras)
Publicado: 31 de enero de 2016
CAPITULO VII: MOVIMIENTO UNIFORME EN CANALES Y TUNELES
7.1 GENERALIDADES
El agua captada, para diferentes necesidades, es conducida hasta el sitio de su utilización a través de canales abiertos o de tuberías forzadas. La diferencia que existe entre conductos que transportan agua a presión y aquellas cuya circulación se realiza a superficie libre radica en que en los primeros el líquido ocupatoda la sección y tiene una presión diferente a la atmosférica, generalmente mayor, mientras que en los segundos, el líquido ocupa solamente parte de la sección y la presión en la superficie libre es igual a la atmosférica. Por lo tanto en conductos libres la superficie del agua coincide con la línea piezométrica y la gradiente del canal es siempre positiva. En conductos a presión lainclinación de la tubería puede ser cualquiera, siempre y cuando esté por debajo de la línea piezométrica.
Se llaman canales a los cauces artificiales de forma regular que sirven para conducir agua, donde el flujo se produce sin presión formándose la superficie libre en la cual únicamente actúa la presión atmosférica. Por lo tanto puede considerarse canal cualquier conducto cerrado, como un tubo o túnel,que trabaje parcialmente lleno.
Canales abiertos son los conductos construidos a cielo abierto, es decir aquellos que se excavan a media ladera.
7.2 SECCION TRANSVERSAL
Generalmente en el diseño de canales se dispone como datos el caudal Q a conducir, la pendiente longitudinal y el coeficiente de rugosidad que dependerá del tipo de revestimiento que se escoja.
El criterio de diseño radica en laselección de la velocidad del flujo que no erosione el canal. La velocidad en el canal se puede calcular a partir de la fórmula de Chezy o de Manning:
donde:
V = velocidad en m/s
R = radio hidráulico R = A/P
A = área mojada A = bd + md2
P = perímetro mojado
J = Pendiente del canal
n = Coeficiente de rugosidad de Manning
Fig. 7.1
El área mojada se calcula en función de lavelocidad aceptable en el canal; ésta generalmente varía entre 0,70 y 2,0 m/s para evitar la sedimentación y erosión en la solera del mismo.
7.3 SECCION HIDRAULICA OPTIMA
La sección hidráulica óptima es aquella que con una superficie mojada mínima conduce un caudal máximo. La sección que tiene las mejores características hidráulicas es la semicircular, pero es relativamente difícil deconstruir, por tal motivo la sección más usada es la trapezoidal.
Se deduce, que el caudal es tanto mayor cuanto mayor es el radio hidráulico, o lo que es lo mismo cuando menor es el perímetro a igual sección mojada. Se puede determinar las dimensiones hidráulicas más ventajosas, para un canal trapezoidal, de la siguiente forma:
De la fórmula del área mojada
y reemplazando en la fórmula delperímetro
El máximo gasto, a igualdad de sección se produce cuando el perímetro es mínimo. Derivando e igualando a cero la ecuación anterior.
Reemplazando el valor de A en la fórmula anterior tenemos el ancho del fondo:
Para la sección óptima es fácil demostrar que el radio hidráulico es:
R = 0,5 d
El perímetro mojado se calcula con:
El talud más ventajoso se obtiene derivando la ecuaciónanterior respecto a m:
Es decir, corresponde a un ángulo del talud con la horizontal igual a 60º .
Para diferentes secciones, con un análisis similar, se pueden deducir las ecuaciones respectivas. En este análisis únicamente se hacen consideraciones hidráulicas sin tomar en cuenta la estabilidad de los taludes y del canal mismo, por lo tanto el diseño técnico-económico, es el que finalmentedefine las dimensiones del canal, tendiendo a minimizar el costo de inversión y a ofrecer las mayores garantías técnicas.
7.4 ALTURA DE SEGURIDAD
La sección mojada no ocupa toda la sección excavada del canal sino que entre la superficie libre del agua y de la plataforma se deja siempre una distancia que se llama altura de seguridad o franco. Esta altura debe ser lo suficiente para impedir que...
7.1 GENERALIDADES
El agua captada, para diferentes necesidades, es conducida hasta el sitio de su utilización a través de canales abiertos o de tuberías forzadas. La diferencia que existe entre conductos que transportan agua a presión y aquellas cuya circulación se realiza a superficie libre radica en que en los primeros el líquido ocupatoda la sección y tiene una presión diferente a la atmosférica, generalmente mayor, mientras que en los segundos, el líquido ocupa solamente parte de la sección y la presión en la superficie libre es igual a la atmosférica. Por lo tanto en conductos libres la superficie del agua coincide con la línea piezométrica y la gradiente del canal es siempre positiva. En conductos a presión lainclinación de la tubería puede ser cualquiera, siempre y cuando esté por debajo de la línea piezométrica.
Se llaman canales a los cauces artificiales de forma regular que sirven para conducir agua, donde el flujo se produce sin presión formándose la superficie libre en la cual únicamente actúa la presión atmosférica. Por lo tanto puede considerarse canal cualquier conducto cerrado, como un tubo o túnel,que trabaje parcialmente lleno.
Canales abiertos son los conductos construidos a cielo abierto, es decir aquellos que se excavan a media ladera.
7.2 SECCION TRANSVERSAL
Generalmente en el diseño de canales se dispone como datos el caudal Q a conducir, la pendiente longitudinal y el coeficiente de rugosidad que dependerá del tipo de revestimiento que se escoja.
El criterio de diseño radica en laselección de la velocidad del flujo que no erosione el canal. La velocidad en el canal se puede calcular a partir de la fórmula de Chezy o de Manning:
donde:
V = velocidad en m/s
R = radio hidráulico R = A/P
A = área mojada A = bd + md2
P = perímetro mojado
J = Pendiente del canal
n = Coeficiente de rugosidad de Manning
Fig. 7.1
El área mojada se calcula en función de lavelocidad aceptable en el canal; ésta generalmente varía entre 0,70 y 2,0 m/s para evitar la sedimentación y erosión en la solera del mismo.
7.3 SECCION HIDRAULICA OPTIMA
La sección hidráulica óptima es aquella que con una superficie mojada mínima conduce un caudal máximo. La sección que tiene las mejores características hidráulicas es la semicircular, pero es relativamente difícil deconstruir, por tal motivo la sección más usada es la trapezoidal.
Se deduce, que el caudal es tanto mayor cuanto mayor es el radio hidráulico, o lo que es lo mismo cuando menor es el perímetro a igual sección mojada. Se puede determinar las dimensiones hidráulicas más ventajosas, para un canal trapezoidal, de la siguiente forma:
De la fórmula del área mojada
y reemplazando en la fórmula delperímetro
El máximo gasto, a igualdad de sección se produce cuando el perímetro es mínimo. Derivando e igualando a cero la ecuación anterior.
Reemplazando el valor de A en la fórmula anterior tenemos el ancho del fondo:
Para la sección óptima es fácil demostrar que el radio hidráulico es:
R = 0,5 d
El perímetro mojado se calcula con:
El talud más ventajoso se obtiene derivando la ecuaciónanterior respecto a m:
Es decir, corresponde a un ángulo del talud con la horizontal igual a 60º .
Para diferentes secciones, con un análisis similar, se pueden deducir las ecuaciones respectivas. En este análisis únicamente se hacen consideraciones hidráulicas sin tomar en cuenta la estabilidad de los taludes y del canal mismo, por lo tanto el diseño técnico-económico, es el que finalmentedefine las dimensiones del canal, tendiendo a minimizar el costo de inversión y a ofrecer las mayores garantías técnicas.
7.4 ALTURA DE SEGURIDAD
La sección mojada no ocupa toda la sección excavada del canal sino que entre la superficie libre del agua y de la plataforma se deja siempre una distancia que se llama altura de seguridad o franco. Esta altura debe ser lo suficiente para impedir que...
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