Contenido
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1.
1. INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN ... 2 ... 2 2.
2. MARCO TEORICOMARCO TEORICO ... 3 ... 3
2.1.
2.1. SECCIONES DE MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICASECCIONES DE MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA ... 3 ... 3 2.1.1.
2.1.1. RELACIONES GEOMETRICASRELACIONES GEOMETRICAS... 4... 4 2.2.
2.2. SECCIÓN DE MINIMA INFILTRACIÓNSECCIÓN DE MINIMA INFILTRACIÓN ... 9 ... 9
3.
3. AFORO DEL CANAL CIMIRAFORO DEL CANAL CIMIR ... 13 ... 13
3.1.1.
3.1.1. MÉTODO DEL FLOTADOR:MÉTODO DEL FLOTADOR:... 13... 13 3.1.2.
3.1.2. RESULTADOS DE LABORATORIORESULTADOS DE LABORATORIO ... 15 ... 15
4.
4. SECCIÓN TRANVERSAL DEL CANAL CIMIRSECCIÓN TRANVERSAL DEL CANAL CIMIR ... 17 ... 17 5.
5. CÁLCULO DE LA SECCIÓN DE MAXIMA EFICIENCIA.CÁLCULO DE LA SECCIÓN DE MAXIMA EFICIENCIA. ... 18 ... 18 6.
6. CÁLCULO DE SECCIÓN DE MINIMA INFILTRACIÓNCÁLCULO DE SECCIÓN DE MINIMA INFILTRACIÓN............ ... ... 1919 7.
7. SECCIÓN DE MINIMA INFILTRACION EN HEC-RASSECCIÓN DE MINIMA INFILTRACION EN HEC-RAS ... 20 ... 20 8. 8. CONCLUSIONESCONCLUSIONES ... 23 ... 23 9. 9. RECOMENDACIONESRECOMENDACIONES ... 24 ... 24 10. 10. ANEXOSANEXOS ... 25 ... 25 11.
1. INTRODUCCIÓN
1. INTRODUCCIÓN
Dentro de este tema se verá la parte que comprende el diseño de los canales, y es el manejo de Dentro de este tema se verá la parte que comprende el diseño de los canales, y es el manejo de la hidrología, que ayuda a una buena planificación de canales, con todo esto el diseñador tendrá la hidrología, que ayuda a una buena planificación de canales, con todo esto el diseñador tendrá una visión más amplia y será más eficiente su trabajo
una visión más amplia y será más eficiente su trabajo
En un proyecto de irrigación la parte que comprende el diseño de los canales y obras de arte, así En un proyecto de irrigación la parte que comprende el diseño de los canales y obras de arte, así como el caudal, constituyen factores importantes en un proyecto de riego. Este último es un como el caudal, constituyen factores importantes en un proyecto de riego. Este último es un parámetro que se obtiene sobre la base del tipo de suelo, cultivo, condiciones climáticas, parámetro que se obtiene sobre la base del tipo de suelo, cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua
métodos de riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua – – suelo suelo – – planta y la planta y la
hidrología. hidrología.
Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal.
conduce el mayor caudal.
La determinación de la mínima infiltración se aplica cuando se quiere obtener la menor perdida La determinación de la mínima infiltración se aplica cuando se quiere obtener la menor perdida posible de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y posible de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración.
2.1. SECCIONES DE MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA
Uno de los factores que intervienen en el costo de construcción de un canal es el volumen por excavar; este a su vez depende de la sección transversal. Mediante ecuaciones se puede plantear y resolver el problema de encontrar la menor excavación para conducir un caudal dado, conocida la pendiente. La forma que conviene dar a una sección de magnitud dada, para que escurra el mayor caudal
posible, es lo que se ha llamado “sección de máxima eficiencia hidráulica”.
Considerando un canal de sección constante por el que debe pasar un caudal máximo, bajo las condiciones impuestas por la pendiente y la rugosidad; de la ecuación del caudal:
Dónde: n, A y S son constantes; luego, la ecuación del caudal puede expresarse como:
Siendo K una constante.
En la segunda ecuación observamos que el caudal será máximo si el radio hidráulico es máximo, o sea que R = A / P es máximo.
De esta ecuación como A es constante, R será máximo si P es mínimo, es decir Q es máximo si P es mínimo, para A constante
2.1.1. RELACIONES GEOMETRICAS
Sección trapezoidal
1) Considerando un talud Z conocido (constante)
Sabemos que:
Sustituyendo:
2) Calculo de
en función de θ:
θ = ángulo de inclinación de las paredes del canal con la horizontal
Expresando en función del ángulo mitad, se tiene:
Luego, sustituyendo las dos últimas expresiones resulta:
3) Relación entre el ancho de solera y el tirante
Reemplazando:
La cual representa la relación entre el ancho de solera y el tirante en un canal trapezoidal para una sección de máxima eficiencia hidráulica.
4) Relación entre el radio hidráulico y el tirante Sabemos que:
Sustituyendo resulta:
Lo que indica que en una sección de máxima eficiencia hidráulica de forma trapezoidal o rectangular (para cualquier valor de Z), el radio hidráulico es igual a la mitad del tirante
5) Condición de máxima eficiencia hidráulica para talud variable
En este caso se busca de todas las secciones trapezoidales variables, cual es el talud más eficiente, para ello y se considera constante
Finalmente:
Los elementos geométricos para seis secciones hidráulicas óptimas se muestran en la siguiente tabla, pero no siempre esas secciones son prácticas, debido a dificultades en la construcción y en el uso de material. En general, una sección de canal debe diseñarse para cumplir una eficiencia hidráulica óptima, pero debe modificarse para tener en cuenta aspectos constructivos. La sección hidráulica óptima es la sección que, de un área mínima para un caudal determinado, pero no necesariamente la mínima excavación. El principio de la sección hidráulica óptima se aplica solo al diseño de canales no erosionables. Para canales erosionables, debe utilizarse el principio de la fuerza tractiva para determinar una sección eficiente.
2.2. SECCIÓN DE MINIMA INFILTRACIÓN
Si un canal está trazado sobre un terreno bastante permeable se hace necesario diseñar una sección que permita obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración, la cual se puede hallar matemáticamente.
Para obtener la fórmula de la sección de mínima infiltración, considere un canal con una sección trapezoidal cualquiera.
La infiltración depende de la clase de terreno, pero es una función del tirante. Se supone que la intensidad de infiltración i en un punto del perímetro mojado de la sección del canal es proporcional a la raíz cuadrada de la profundidad h. En el fondo, la infiltración será: = √ en estas condiciones se tendrá un diagrama de infiltración como se observa en la Figura.
Considerando un tramo de canal de longitud de un metro, y designado por: V = volumen total de agua que se infiltra en ese tramo.
Vf = volumen de agua que se infiltra exclusivamente en el fondo. Vz = volumen de agua que se infiltra en una de las paredes laterales. Se puede escribir:
V=Vf+ 2Vz
Siendo
Volumen infiltrando en el fondo.
Luego:
Volumen infiltrado en una de las paredes laterales
Luego:
Sustituyendo:
Para que V sea mínimo, se debe cumplir que dV/dy = 0
Como en la ecuación anterior existen dos variables b yy , se coloca la primera en
función de la segunda con la fórmula de área:
Sustituyendo:
Derivando con respecto a y e igualando a cero:
al efectuar dicha operación, se obtiene la relación:
infiltración seria:
3. AFORO DEL CANAL CIMIR
3.1.1. MÉTODO DEL FLOTADOR:
Este método relaciona el área de la sección que conduce agua y la velocidad de escurrimiento. Se utiliza en canales y acequias y da sólo una medida aproximada de los caudales, siendo necesario el uso de otros métodos cuando se requiere mayor precisión.
La metodología es la siguiente:
Se elige un tramo del canal que sea recto y de sección transversal uniforme, entre 10 y 30 metros de largo, donde el agua escurra libremente.
Para determinar la velocidad que lleva el agua en esa sección, se marca en el
terreno la longitud elegida y se toma el tiempo que demora un flotador en recorrerla.
Como flotador se puede usar cualquier objeto que sea capaz de permanecer
suspendido en el agua, como un trozo de madera, corcho u otro material similar, que no ofrezca gran resistencia al contacto con el aire y que se deje arrastrar fácilmente por la corriente de agua.
Determinación de velocidad. Se divide la longitud del tramo por el tiempo que tarda
Un segundo aspecto de este método considera la determinación de la sección o área de escurrimiento del canal o acequia.
La sección se determina mediante la semisuma de dos profundidades contiguas, (descontando la distancia entre el listón y el espejo de agua) y multiplicadas por el ancho o separación entre cada medición, en este caso un valor fijo (d).
Se procede ahora a determinar el caudal mediante la multiplicación del área de la sección, la velocidad de escurrimiento y un factor de corrección que incluye ajustes en la velocidad del agua y cambio de unidades de medida. El resultado es expresado en l/s, como se indica en la siguiente expresión:
Q=A*V*0,085 Donde:
Q= caudal (m3/s); A= área de sección (m2); V= velocidad del flujo (m/s)
PROCEDIMIENTO
1. Obtener los materiales necesarios wincha, flexómetro, cronometro, flotador o tecnopor, nivel.
2. Se procede a medir las dimensiones del rio, sobretodo la longitud en que se trabajara.
3. Colocar los parámetros en los extremos para el control 4. Soltar las pelotas de tecnopor
5. Tomar el tiempo inicial cuando empieza el primer imite y obtener el tiempo cuando este llegue al otro limite.
6. Se repite el procedimiento, en este caso 7 veces.
7. Con los datos obtenidos de los tiempos, se procede a calcular el área hidráulica, perímetro mojado, etc.
8. Se procede la información recabado en hojas Excel que se adjunta en el informe. 9. Se procede al cálculo del caudal.
TALUD= 1.5 3.260 d= 30 1 17.25 0.486 3.2600 0.85 5.993 2 18.27 0.505 3.2600 0.85 5.995 3 17.53 0.496 3.2600 0.85 6.005 4 17.38 0.497 3.2600 0.85 6.004 5 17.49 0.502 3.2600 0.85 5.988 6 16.95 0.510 3.2600 0.85 6.011 7 17.25 0.501 3.2600 0.85 5.994 PROMEDIO 0.500 5.999 V prom= 0.50 m/s Q = 5.99 m3/s Nº DE PRUEBA TIEMPO VELOCIDAD DEL AREA (m2) 3.2600 CAUDAL (m2/s) PROMEDIO DE AREAS C=0.85 5.1 2.1 0.3
T = 4.25 BL= 0.4 Y= 1.08 . Z b = 1.00 Y n=0.015 b z A BL T CAUDAL 5.99 m3/s TALUD 1.5 0/00 PENDIENTE 0.003 m/m RUGOSIDAD 0.015 -Seccion Trapezoidal TIRANTE y = 1.083 m ANCHO DE SOLERA b = 1.000 m AREA A = 2.842 m2 PERIMETRO MOJADO p = 4.905 m RADIO HIDRAULICO R = 0.579 m BORDELIBRE BL = 0.400 m ANCHO DE CORONA C = 1.000 m ESPEJO DE AGUA T = 4.249 m VELOCIDAD V = 2.108 m/s N°DEFROUDE F = 0.823 -TIPO DE FLUJO = SUB CRITICO
F > 1 UPERCRITICO FORMULA DE MANNING
DETERMINACION DEL ANCHO DE LA SOLERA (b) Una forma practica de fijar el ancho de la solera, es en funcion al caudal, la cual se muestra en el si uiente cuadro:
SECCION TRANSVERSAL
Freeboard o Margen libre Espejo de agua Donde :
RELACIONES DE LAS SECCIONES TRANSVERSALES Depende del material excavado
DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD (S) Según Manning para un canal revestido de concreto es de :
1
DATOS PARA DISENO
DATOS CALCULADOS Profundidad de flujo Ancho de la solera Talud Area mojada CARACTERISTICAS DE LOS SUELOS CANALES POCO PROFUNDOS CANALES PROFUNDOS Roca en buenas condiciones Vertical 0.25 : 1 Arcillas compactadas o conglomerados 0.5 : 1 1.0 : 1 Limos arcillosos 1.0 : 1 1.5 : 1 Limoso arenoso 1.5 : 1 2.0 : 1 Arenas sueltas 2.0 : 1 3.0 : 1 = T= ) = = =
5. CÁLCULO DE LA SECCIÓN DE MAXIMA EFICIENCIA.
N° DESCRIPCIÓN VALOR UNIDADES
1 CAUDAL 5.99 m3/s
2 TALUD 1.5
3 PEDIENTE 0.003 m/m
4 RUGOSIDAD 0.015 CONCRETO
UTILIZANDO LA ECUACION DE MANNING
y = 2.241 m b = 1.357 m b 1.36 y 2.241 m Z 1.500 -A 10.574 m^2 S 0.00300 -P 9.437 m T 8.080 m R 1.121 m F 0.158
-DATOS DEL DIMENSIONAMIENTO
L a rugosidad es 0.015 porque el canal estara revestido de concreto
DIMENSINAMIENTO DEL CANAL DE MAXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA
POR SER DE SECCION TRAPEZOIDAL DEBE DE CUMPLIR CON LA CONDICION DE M.E.H
b=2y((1+z^2)^0.5-z) A=(2(1+z^2)^0.5-z)y^2 P=2y(2(1+z^2)^0.5-z) Q=(A^(5/3)*S^(1/2))/(n*P^(2/3)) Remplazando datos se tiene que:
N° DESCRIPCION VALOR UNIDADES 1 CAUDAL 5.99 m3/s 2 TALUD 1.5 3 PEDIENTE 0.003 m/m 4 RUGOSIDAD 0.015 CONCRETO Remplazando y = 0.956 m datos se tiene que: b = 1.158 m
ENTONCES APROXIMANDO EL DIMENSIONAMIEMTO FINAL DEL CANAL A MULTIPLO DE 5CM
b 1.15 m Z 1.5 -y 0.95 m S 0.003 -A 2.44 m^2 T 4.00 m P 4.57 m F 1.00 -R 0.53 m BeoBi 1.00 m BL 0.40 m V 2.45 m/s
DIMENSIONAMIENTO DEL CANAL DE MINIMA INFILTRACION
UTILIZANDO LA ECUACION DE MANNING
DISEÑO POR SECCION DE MINIMA INFILTRACION
= -Z) = = =
7. SECCIÓN DE MINIMA INFILTRACION EN HEC-RAS
1. Se requiere el eje del canal cimir para poder insertar la sección de mínima infiltración, esto se puede importar del civil 3D o del ArcGis, pero en este caso se trazara.
seccion.
3. Colocamos el número de la sección, y cabe resaltar que el de menor número estará aguas abajo y el de mayor, aguas arriba.
4. Se colocan las coordenadas de la sección típica, el coeficiente de Manning “n”=0.014
5. Para facilitar insertar las otras secciones, obviamente si se tienen secciones típicas por tramos, entonces se puede usar el comando interpolar secciones.
6. Guardamos la geometría.
7. Introducimos los números de casos. Para diferentes periodos de retorno, por ejemplo. y luego ingresamos caudales. Y la guardamos
8. Luego se ingresa el plan, es decir, las combinaciones que se pueden hacer con las geometrías con los flujos y caudales.
9. Y finalmente ya se puedo correr y visualizar como los caudales alcanzan ciertos niveles de acuerdo con el periodo de retorno.
8. CONCLUSIONES
Una sección es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área hidráulica,
pendiente y calidad de paredes deja pasar un caudal máximo.
La sección presentada en el canal de riego del canal CIMIRM presenta una sección que
no presenta una sección de máxima eficiencia hidráulica en estas épocas del año.
La sección del canal para el tramo escogido es de sección contante, y del mismo material
para los bordes y base del canal.
Se asume como constantes los valores del área hidráulica, radio hidráulico, y coeficiente
de rugosidad.
La sección de máxima eficiencia hidráulica interviene en el costo de construcción del
canal.
La infiltración depende de la clase de terreno, el tirante, y el talud del canal, a mayor
9. RECOMENDACIONES
Se debería conservar el mismo tirante para no variar el máximo caudal, y tener una
máxima eficiencia hidráulica.
La sección hidráulica del canal CIMIRM es variable a lo largo del año, teniendo caudales
máximos en verano y caudales mínimos en invierno, para tener un buen comportamiento se recomendaría conservar un solo tirante.
Se podría conservar un tirante constante si a lo largo del canal se haría un mantenimiento
constante, y tener una buena distribución hídrica de los regantes.
Se recomienda una buena conservación del estado de las paredes del canal, para
mantener un solo valor del coeficiente de rugosidad.
Las secciones varían en dimensiones a lo largo de los tramos, haciendo variar a su vez
las infiltraciones.
Para evitar la infiltración en exceso se recomienda hacer jornadas de limpieza y refacción
10. ANEXOS
Vista satelital del canal de riego tramo EL MANTARO.
Zona de vegetación en canal.
11. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.
HIDRAULICA DE CANALES, Máximo Villon Bejar.
HIDRAULICA DE CANALES ABIERTOS, Ven Te Chow. HEC-RAS 5.0 Applications Guide.
