HIDRAULICA DE CANALES ABIERTOS

Presentación del tema: "HIDRAULICA DE CANALES ABIERTOS"— Transcripción de la presentación:

1 HIDRAULICA DE CANALES ABIERTOS
IRRIGACION Y DRENAJE ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

2 ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

3 Foto 01: Canal natural. Rio Huacapongo, Sector Zaraque.
Un canal abierto es un conducto en el cual el agua fluye con una superficie libre. De acuerdo a su origen puede ser natural o artificial. Foto 01: Canal natural. Rio Huacapongo, Sector Zaraque. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

4 Foto 02: Canal artificial. Canal Chavimochic.
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5 Diferencias entre Tuberías y canales abiertos.
Tuberías Canales abiertos El flujo es causado por la presión, por lo tanto tendrá lugar sin importar la alineación que tenga el conducto. El flujo es causado por la gravedad, por consiguiente el canal debe tener pendiente hacia abajo. La sección transversal del conducto es constante a lo largo de la tubería y está definido por el diámetro. La sección transversal del canal puede variar a lo largo de la tubería. La presión en la tubería puede tener cualquier magnitud, específicamente en cualquier punto a lo largo de la tubería. El perímetro de la sección transversal consta de dos partes: la superficie libre, que es la superficie del agua expuesta al aire, y el perímetro mojado, donde el agua está en contacto con los límites del canal. La presión en la superficie libre es siempre cero (atmosférica). ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

6 Diferencias entre Tuberías y canales abiertos.
ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

7 Diferencias entre Tuberías y canales abiertos.
La diferencia principal es que en las tuberías hay presiones y golpes de ariete que no existen en los canales, así como incrementos y disminuciones de temperatura que afectan a las tuberías y en los canales no. El gasto se maneja igual en ambos casos. En los canales la temperatura ambiente y el clima afecta pero en la evaporación del agua que transita en las tuberías el cerrar una válvula se mantiene el sistema hermético sin fugas, pero en los canales se debe de tomar en cuenta el posible rebosamiento. La principal diferencia radica suele radicar en el hecho que la hidráulica de tuberías (normalmente) se analiza con flujo "trabajando" a presión, mientras que la hidráulica de canales abiertos se analiza (salvo muy contadas excepciones) con flujo "trabajando" o accionado por la fuerza de la gravedad. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

8 Geometría de un canal. Las secciones transversales de un canal pueden ser variables de acuerdo a su naturaleza, si son canales naturales su sección es irregular, con tendencia ser trapezoidales. Los canales artificiales pueden ser rectangulares, trapezoidales, triangulares, parabólicos, circulares, etc. Los elementos geométricos más importantes de un canal son los siguientes: ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

9 Geometría de un canal. Profundidad del flujo (y). Es la distancia vertical desde el punto más bajo del canal hasta la superficie libre del agua. Ancho superficial (T). Es el ancho de la sección del canal en la superficie libre. Ancho de la base (b). Es el ancho de la base del canal. Área mojada (A). Es el área de la sección transversal del canal perpendicular a la dirección del flujo. Perímetro mojado (P). Es la longitud de la línea de intersección de la superficie de canal mojada y de un plano transversal perpendicular a la dirección del flujo. Radio hidráulico (R). Es la relación del área mojada con respecto a su perímetro mojado. 𝑹= 𝑨 𝑷 ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

10 Geometría del canal ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

11 Geometría de un canal. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

12 Canal lateral Ventanilla. Valle Jequetepeque.
Se aprecia una sección de canal rectangular, la cual es usada en zonas de fuerte pendiente, y para caudales pequeños. El espesor mínimo de paredes es 10 cm. Se debe utilizar una armadura de acero para las paredes y el fondo. Canal lateral Ventanilla. Valle Jequetepeque. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

13 Canal Tolon Alto. Valle Jequetepeque
Se aprecia una sección de canal trapezoidal, es la sección mas usada por su buen comportamiento hidráulico. El espesor mínimo de paredes es 7.5 cm. No utiliza una armadura de acero para canales pequeños. Canal Tolon Alto. Valle Jequetepeque ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

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16 Distribución de velocidades en canales abiertos.
Curvas comunes de igual velocidad para diferentes secciones transversales ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

17 Tipos de flujo en canales.
El flujo en canales abierto puede clasificarse en muchos tipos y distribuirse de diferentes maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio en la profundidad del flujo con respecto al tiempo y al espacio. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

18 Permanente y No Permanente
Este tipo de flujo tiene el tiempo como criterio. Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración. El flujo es no permanente si la profundidad cambia con el tiempo. En la mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo el cambio en la condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no permanente, el nivel de flujo cambia de manera instantánea a medida que las ondas pasan y el elemento tiempo se vuelve de vital importancia para el diseño de estructuras de control. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

19 Uniforme y no uniforme Este tipo de flujo tiene al espacio como criterio. Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo UNIFORME puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo. El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal. El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente varia o gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias cortas; de otro modo, es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto hidráulico y remanso hidraulico. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

20 Clasificación en función a velocidad.
Laminar: Flujo tranquilo, número de Reynolds menor a 600. Turbulento: en el número de Reynolds se toma como longitud característica la profundidad hidráulica media. En estas condiciones el Reynolds crítico es aproximadamente 600. La relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas gravitatorias puede expresarse de forma adimensional mediante un grupo adimensional llamado número de Froude: 𝐹= 𝑣 𝑔𝑦 ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

21 Clasificación en función a velocidad.
donde: v: velocidad (media)del fluido y: profundidad del flujo Subcrítico o tranquilo: si el número de Froude es menor que 1 En este caso la velocidad del líquido es pequeña y una perturbación puede propagarse aguas arriba. Si F = 1 el flujo se denomina crítico. Supercrítico o rápido: si el número de Froude es mayor que 1. En este caso una perturbación no puede propagarse aguas arriba. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

22 Criterio para el estado crítico del flujo
El estado crítico del flujo ha sido definido como la condición para el cual el número de Froude es igual a la unidad. Una definición más común para este estado de flujo la energía específica es mínima para un caudal determinado. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

23 PRINCIPIO DE ENERGIA EN CANALES ABIERTOS
En hidráulica elemental se sabe que la ENERGIA total del agua en pies-lb. Por lb. De cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal puede expresarse como la altura total en metros de agua que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad. Por ejemplo, con respecto al plano de referencia, la altura total H de una sección O que contiene el punto a en una línea de corriente del flujo de un canal de pendiente alta puede escribirse como: 𝐻=𝑧+𝑑𝑐𝑜𝑠𝜃+𝛼 𝑉 2 2𝑔 ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

24 PRINCIPIO DE ENERGIA EN CANALES ABIERTOS
Para canales con pendiente baja θ = 0, y el coeficiente de Coriollis tiende a ser 1, luego la energía total en la sección es: 𝐻=𝑧+𝑑+ 𝑉 2 2𝑔 Para una profundidad dada se puede eliminar la carga de posición Z=0, lo cual quedara la altura de agua y la carga de velocidad. 𝐸=𝑑+ 𝑉 2 2𝑔 ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

25 Se puede reemplazar en la formula de energía, 𝐸=𝑑+ 𝑄 2 2𝑔 𝐴 2
Partiendo de la ecuación de Continuidad la cual indica que el Caudal es igual al producto de la velocidad por el área de la sección transversal del canal, 𝑄=𝑉𝐴 Se puede reemplazar en la formula de energía, 𝐸=𝑑+ 𝑄 2 2𝑔 𝐴 2 Al resolver esta ecuación para un caudal constante nos dará que para una misma energía existen 2 tirantes los cuales corresponden a régimen suscritico y régimen supercrítico ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

26 Ejemplo de calculo de la Energía Específica para un canal trapezoidal
Una sección Trapezoidal de ancho de base 0.75 m. y talud 1, conduce un Caudal de 0.40 m3/seg, calcular su energía especifica. Solución A = (0.75+y)y 𝐸=𝑦 𝑦 𝑦 2 𝐸=𝑦 𝑦 𝑦 2

27 En un canal con las siguientes características: Caudal de 1.00 m3/seg.
Ejemplo: En un canal con las siguientes características: Caudal de 1.00 m3/seg. Ancho de base = 1.20 m. Talud = 0.00 Calcule su energía específica. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

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Tirante (y) Energia (e) 0.100 3.6395 1.300 1.3209 0.200 1.0849 1.400 1.4181 0.300 0.6933 1.500 1.5157 0.400 0.6212 1.600 1.6138 0.500 0.6416 1.700 1.7122 0.600 0.6983 1.800 1.8109 0.700 0.7722 1.900 1.9098 0.800 0.8553 2.000 2.0088 0.900 0.9437 2.100 2.1080 1.000 1.0354 2.200 2.2073 1.100 1.1293 2.300 2.3067 1.200 1.2246 2.400 2.4061 ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

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30 Características hidráulicas de flujo uniforme
Para realizar los cálculos hidráulicos en canales se parte de la premisa en que se encuentra el canal en régimen uniforme y se aplica la ecuación de Continuidad. 𝑄=𝑉𝐴 En 1769 el ingeniero francés Antoine Chézy desarrollo la primera ecuación de flujo uniforme, la cual es conocida como la ecuación de Chezy. 𝑉=𝐶 𝑅𝑆 ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

31 Características hidráulicas de flujo uniforme
Donde: V = es la velocidad C = Factor de resistencia al flujo conocido como factor de Chezy R = Radio hidráulico S = Pendiente de la línea de energía. Con el paso del tiempo varios investigadores han tratado de asignar una ecuación para calcular el valor de C entre ellos tenemos los siguientes: ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

32 Ganguillet y Kutter Bazin Manning Año C
Ganguillet y Kutter Bazin Manning Año 1869 1897 1889 C 𝐶= 𝑆 𝑛 1+( 𝑆 ) 𝑛 𝑅 𝐶= 𝑛 𝑅 𝐶= 𝑅 1/6 𝑛 ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

33 En la actualidad se trabaja con la ecuación de Manning la cual queda el termino de velocidad y caudal de la siguiente forma: 𝑉= 𝑅 2/3 𝑆 1/2 𝑛 La velocidad en m/seg 𝑄= 𝐴𝑅 2/3 𝑆 1/2 𝑛 Caudal en m3/seg. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

34 DISEÑO DE CANALES ABIERTOS
En un proyecto de irrigación la parte que comprende el diseño de canales y obras de arte, si bien es cierto que son de vital importancia en el costo de la obra, puesto que el caudal, factor clave en el diseño y el más importante en un proyecto de riego, es un parámetro que se obtiene en base al tipo de suelo, cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc. Es decir mediante la relación Agua-Suelo-Planta y la hidrología, de manera que cuando se trata de una planificación de canales, aquel diseñador que tenga un conocimiento de las disciplinas, sin llegar a ser un especialista, tendrá mucho más panorama y será más eficiente, que aquel que solo diseña fríamente. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

35 Canales de riego por su función
Los canales comúnmente tienen forma rectangular y trapezoidal y por su importancia tienen diferente clasificación. Canal de primer orden. Llamado también Canal Madre o de Derivación y se traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que el otro da con terrenos altos, como ejemplo tenemos el canal Chavimochic, Canal Taymi del proyecto Tinajones, Canal Chinecas. Canal de segundo orden. Llamados también laterales, son aquellos que parten del canal Madre y el canal que ingresa a ellos es repartido hacia los sublaterales. Canal de tercer orden. Llamados también sublaterales y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a través de las tomas laterales. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

36 Trazo de Canales Para realizar el trazo de un canal nuevo o el mejoramiento de un canal existente se utiliza la formulación matemática para curvas circulares utilizadas para el diseño de carreteras. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

37 Curvas en canales ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

38 Calculo de radio de canales
Los radios mínimos están en función al caudal circulante y se sugieren los siguientes: Calculo de radio de canales ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

39 Calculo de radio de canales
Radio mínimo en función al espejo de agua Siendo T el ancho superior del canal Calculo de radio de canales Canales de riego Canales de drenaje Canal Madre T Colector principal 5T Lateral T Colector T Sub lateral T Subcolector T ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

40 Radio mínimo en canales abiertos para caudales menores a 20 m3/seg
Calculo de radio de canales Capacidad del canal Radio Mínimo 20 m3/seg. 100 m. 15 m3/seg. 80 m. 10 m3/seg. 60 m. 5 m3/seg. 20 m. 1 m3/seg. 10 m. 0.5 m3/seg. 5 m. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

41 Condición de Máxima eficiencia hidráulica
Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor gasto, esta condición esta referida a un perímetro húmedo mínimo o menor área de fricción. La fórmula que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica. 𝑏 𝑦 =2 𝑡𝑔 𝜃 2 ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

42 Condición de Máxima eficiencia hidráulica
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43 Condición de mínima infiltración
Se aplica cuando se quiere obtener la menor perdida de agua por filtración en los canales, esta condición depende del tipo de suelos y del tirante del canal, formula que da esta condición es: 𝑏 𝑦 =4 𝑡𝑔 𝜃 2 ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

44 Diseño de canales por su material
Diseño de canales No Erosionables Canales revestidos Canales en roca Usualmente son diseñados para sección de máxima eficiencia hidráulica o en algunos casos específicos para una relación b/h dada. Diseño de Canales Erosionables Canales excavados en material suelto. Son diseñados para algunos de los siguientes casos: Método de la Velocidad máxima permisible. Método de la fuerza tractiva ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

45 Consideraciones generales:
Material: Nos permite conocer la rugosidad también conocer si el canal es erosionable o no erosionable, para tener los criterios de diseño. El ángulo del material de reposo tiene que ver directamente con el ángulo del talud. Pendiente: Está en función al tipo de canal, normalmente son pendientes moderadas de 1x1000 Taludes: Depende del tipo de material ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

46 Material de fondo de canales
Canal en tierra limpia ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

47 Canal en tierra con vegetación
Material de fondo de canales Canal en tierra con vegetación ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

48 Canal en tierra con vegetación
Material de fondo de canales Canal en tierra con vegetación ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

49 Canal en tierra con vegetación
Material de fondo de canales Canal en tierra con vegetación ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

50 Canal en tierra con vegetación
Material de fondo de canales Canal en tierra con vegetación ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

51 Canal en tierra con vegetación
Material de fondo de canales Canal en tierra con vegetación ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

52 Canal en tierra con vegetación
Material de fondo de canales Canal en tierra con vegetación ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

53 Comparación entre canales
Canal en tierra antes de revestir Canal revestido ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

54 Material de fondo de canales
Canal de concreto ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

55 Rio con material de fondo y orillas de grava
Material de fondo de canales Rio con material de fondo y orillas de grava ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

56 Material de fondo de canales
Canal de mampostería ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

57 Canal de tubería corrugada
Material de fondo de canales Canal de tubería corrugada ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

58 Valores de Rugosidad de Manning para canales
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59 Taludes de las paredes de canales
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60 MATERIAL TALUD H:V Roca dura Roca figurada Arcilla dura
Cascajo pedregoso Cascajo arenoso Tierra suelta arenosa Arena Revestido : 1 1.5 : 1 : 1 : 1 0.8-1 : 1 ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

61 Margen Libre Es la distancia vertical que debe existir entre la superficie libre del agua y el borde del canal. Fb = 5% - 30% del tirante (usualmente 20% de altura) ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

62 Velocidad Velocidad: La velocidad del agua debe ser mayor que la mínima para que no ocurra sedimentación y menor que la máxima para que no ocurra erosión. Vmin > 60 – 75 cm/seg ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

63 Canal sub lateral del canal Collambay. Simbal
Se aprecia una sección de canal rectangular, la cual es usada en zonas de fuerte pendiente, y para caudales pequeños. El espesor mínimo de paredes es 10 cm. Se debe utilizar una armadura de acero para las paredes y el fondo. Por tener fuerte pendiente el agua fluye a altas velocidades y en flujo supercritico, por lo tanto el tirante es bajo. Canal sub lateral del canal Collambay. Simbal ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

64 Dren en la parte baja del Valle Jequetepeque
Canal de baja pendiente y velocidad baja, lo cual genera que crezca vegetación dentro del canal. Dren en la parte baja del Valle Jequetepeque ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

65 Proceso constructivo de Canales
Se aprecia que los canales se construyen por paños de aproximadamente 3.00 m, los cuales son vaciados intercalados. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

66 Proceso constructivo de Canales
El llenado de junta se debe realizar con un material que garantice un sello impermeable. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

67 Canal dentro de ciudad utilizado como votadero de basura.
Casos especiales Canal dentro de ciudad utilizado como votadero de basura. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

68 Canal dentro de ciudad utilizado como votadero de basura.
Casos especiales Canal dentro de ciudad utilizado como votadero de basura. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA

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70 BIBLIOGRAFÍA Manuel Garcia Naranjo. Apuntes de clase, 1998.
Ven Te Chow. Hidraulica de canales abiertos Andrew L. Simon. Hidraulica Basica, 1983. Elmer Garcia Rico. Hidraulica de Canales. ING.JUAN PABLO GARCIA RIVERA