Trabajo-final-hidráulica 1

Trazo de canal con obras de arte CI-174 Hidráulica de Canales CX72

2017-01 Profesor: Ing. Edwing Arapa Alva Mostacero, Carlos Alberto Arias Palomino, Christopher Andre Betancourt Irusta, Karl Nils Herrera Cruz, Leslie Palacios Quico, Diana Katherine

Trazo de canal con obras de arte 

Introducción El presente informe busca profundizar en el diseño de estructuras hidráulicas con el fin de obtener una mayor visión acerca del comportamiento del fluido en conductos abiertos y la forma en cómo se diseñan los sistema de conducción con sus respectivas estructuras hidráulicas que deben ser dispuestas en los canales de conducción. Se empleará el programa Excel para la realización de las memorias de cálculo en el diseño de la estructura principal y las obras de arte. Además, se tendrá soporte del software HECRAS para la verificación de los resultados obtenidos de los cálculos previos. El objetivo principal de este proyecto es asumir un análisis crítico de los principios y las ecuaciones fundamentales aprendidas en el curso de Hidráulica de Canales para ponerlas en práctica en casos reales como se nos simula en el presente trabajo designado. Por parte del grupo, se pretenderá evaluar y simular las condiciones con las que funcionará un canal destinado a regadío de terrenos agrícolas, el cual aguas arriba se capta de la quebrada en el punto de toma de agua a una altura media de 3000 msnm.

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Ubicación El proyecto se ubica en el departamento de Junín, provincia de Jauja, distrito de Masma.

Se observa que el canal diseñado se ubica cerca a el pueblo de Masma. A su vez, se observa que el punto de captación está en una quebrada, por lo cual se puede asumir que se ha ubicado allí para dirigir el agua que por ahí transcurre, hasta el punto de entrega, donde se observan varias plantaciones agrícolas.

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Marco teórico Flujo uniforme Un flujo uniforme tiene las siguientes características principales:   

Profundidad, área mojada, velocidad y caudal constantes. La línea de energía, la superficie de agua y el fondo del canal son paralelos S f =Sw =S o=S . La capa límite se encuentra desarrollada por completo y la distribución de velocidades es estable y no se altera dentro del tramo.

Clasificación de canales de riego 

CANAL DE PRIMER ORDEN (CANAL MADRE O DE DERIVACIÓN): Se abastece de la toma de agua (bocatoma, pozo de bombeo) y conduce el canal total del sistema. Es trazado siempre con pendiente mínima.



CANAL DE SEGUNDO ORDEN (LATERALES): Se deriva del canal madre. El caudal que ingresa es repartido a los sublaterales.



CANAL DE TERCER ORDEN (SUB LATERALES): Nace de los laterales. El caudal ingresado se reparte hacia las “propiedades individuales” a través de las tomas de solar.

Material del canal  

Canal no revestido.- tierra, roca u otro material perteneciente al terreno natural. Canal revestido.- Se coloca para evitar la fuerza erosiva de la corriente, pérdidas por filtración. El espesor del revestimiento puede variar entre 2 a 4’’ (5 a 10 cm). Para canales rectangulares, el espesor es mayor que el de los trapezoidales (10 a 20 cm). Se emplean materiales tales como: mampostería de piedra, concreto, madera, ladrillo, planchas de fierro, etc.

Pendiente y rasante del canal Las escalas más usuales para dibujar el Perfil Longitudinal son de 1:1000 o 1:2000 (sentido horizontal) y 1:100 o 1:200 (sentido vertical). Normalmente, la relación entre la escala horizontal y vertical es de 1 a 10. Para el diseño de la rasante, se deberá tener en cuenta:  Cotas de captación, entrega y puntos de confluencia (dependiendo si es un dren u obra de arte)  Pendiente de rasante de fondo ≃ Pendiente natural promedio de terreno. Si no es posible, se

proyectarán caídas o saltos de agua.  Comprobar si la velocidad y la dimensión de las secciones son soportadas por el tipo de material donde se construirá el canal (velocidad máxima, velocidad mínima, secciones de máxima eficiencia, secciones de mínima infiltración)

Diseño de canales por SME SME: Sección Máxima de Eficiencia Hidráulica.- Aquel que para un área dada, tiene el menor perímetro mojado. Se tendrá la seguridad de tener la mínima excavación posible. Es por donde pasa el caudal máximo para un perímetro mínimo.

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Tipos de régimen Régimen crítico

E es mínimo y el número de Froude F es 1.

Régimen subcrítico

Lento, tranquilo, adecuado para canales principales o de navegación. Menor pendiente y mayor tirante.

Régimen supercrític o

Rápido, torrencial, pero estable. Pendiente más pronunciada y tirante más bajo.

Con la ecuación de la energía específica expresada en Q y en A, se procede a determinar la ecuación general para flujo crítico. Después de derivar e indicar que la derivada de la energía con respecto al tirante (en estado crítico) es igual a cero, se obtiene:

Caída hidráulica: Es un rápido cambio de profundidad del flujo debido a un cambio de régimen de subcrítico a supercrítico. Ocurre debido a un cambio abrupto en la pendiente del canal o en la sección transversal. Para conocer la profundidad crítica donde la energía específica es mínima, se debe ubicar en la curva que conecta las superficies de agua antes y después de la caída.

Resalto hidráulico: Ocurre un cambio súbito del tirante desde un nivel bajo a un nivel alto en un tramo corto, obteniéndose una pérdida de energía considerable (disipada como calor). El flujo pasa de un régimen supercrítico a uno subcrítico. Se presenta en canales de gran pendiente que sorpresivamente se vuelve plano.

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Trazo de canal con obras de arte  Las funciones de un resalto hidráulico son: 1. Disipar energía: previene o confina la socavación aguas debajo de las estructuras hidráulicas donde es necesario disipar energía. 2. Se aprovecha la alta turbulencia del resalto para mezclar eficientemente fluidos o sustancias químicas como el que se usa para la purificación. 3. Aireador.

Se aplicará la Ecuación del Momentum y la Ecuación de continuidad para analizar un resalto, considerando que:    

El canal es horizontal La sección transversal es constante La pérdida de carga por fricción es aproximadamente cero, debido a la poca longitud del resalto La distribución de velocidades antes y después del resalto es uniforme

Estabilidad del resalto hidráulico La estabilidad se analiza de acuerdo a las energías específicas en “2” y en “n”. Se tendrá los siguientes 3 casos:

RESALTO BARRIDO : E2 > En El resalto continúa hasta que se pierde la energía y se equipara con En

RESALTO CLARO: E2 =En El resalto se produce al pie de la estructura y no necesita disipar más energía que son iguales.

RESALTO AHOGADO : E 2< E n La altura de presión en “n” es mayor que la energía remanente en “2” y se producirá entonces una onda hacia aguas arriba hasta que “ahogue” el resalto. Para el análisis de estabilidad también cumple cambiar los valores de E por y, y así comparar.

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Transiciones El objetivo de una transición (cambio de sección) es:    

Reducir pérdidas de energía Minimizar la erosión en canales Eliminar ondas transversales y otras turbulencias Suministrar seguridad para la estructura y el curso de agua

Caídas y rápidas Las caídas o rápidas en el trazo de canales son necesarios cuando la pendiente del terreno es más pronunciado que la máxima permisible (o cuando hay desniveles naturales en el terreno). Se puede usar una serie de caídas o una sola rápida, la decisión se toma luego de un estudio económico de las alternativas. Rápidas (chutes) Son usadas en desniveles mayores de 4.5m y cuando el desnivel se efectúa en una distancia larga, la disipación de energía se lleva a cabo en la parte inclinada y en la poza amortiguadora.

Se tendrán en cuenta las siguientes consideraciones: -

COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING: Se asumirá valores conservadores, n = 0.014 para el cálculo de la altura de muros en una rápida de concreto y n=0.010 para el cálculo de niveles de energía.

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TRANSICIONES: Es necesario un correcto diseño de esta estructura para prevenir la formación de ondas. Estas se deben evitar debido a que podrían causar perturbaciones al momento de viajar a través del tramo inclinado y al llegar al disipador de energía.

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Trazo de canal con obras de arte  Así, el máximo ángulo de deflexión de la superficie de agua en la transición de entrada (aguas arriba) puede ser aproximadamente 30°.

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SECCIONES DE CONTROL: Es una sección donde se produce flujo crítico, un vertedero de cresta ancha sin contracción o un vertedero de cresta aguda sin contracción. El ancho de la sección de control es usualmente la misma que la del colchón disipador. Se ubica al inicio de la rápida y se regula para prevenir el posible descenso del nivel de agua (prevenir el incremento de erosión de aguas arriba de la sección de control) y para mantener el nivel de agua (aguas arriba de la sección de control durante flujos bajos) o La entrada debe ser simétrica respecto al eje de la rápida o Permitir el paso de la capacidad total del canal aguas arriba hacia la rápida con el tirante o o

normal de aguas arriba. Permitir la evacuación de las aguas del canal cuando la operación de la rápida sea suspendida. Si aquí las pérdidas de carga a través de la entrada son pequeñas, se podrán despreciar. De otra manera, las pérdidas deberán ser calculadas y usadas en la determinación del nivel de energía en el inicio del tramo inclinado.

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TRAMO INCLINADO O CANAL DE LA RÁPIDA Es la sección comprendida entre la sección de control y el principio de la trayectoria. De acuerdo a la configuración del terreno, puede tener una o varias pendientes. La sección usual para una rápida abierta es rectangular. Cuando es necesario incrementar la resistencia del tramo inclinado al deslizamiento, se usarán dentellones para mantener la estructura dentro de la cimentación. Para calcular los tirantes en los diferentes tramos de la rápida, se podrá usar el MÉTODO DE TRAMOS FIJOS u otros métodos que permitan determinar el perfil de flujo. Para rápidas menores de 9m de longitud, la fricción en la rápida puede ser despreciable. La altura de los muros en el tramo inclinado de sección abierta, será igual al máximo tirante calculado en la sección más un borde libre cualquiera que sea mayor. El borde libre mínimo recomendado para tramos inclinados de rápidas en canales abiertos (hasta 2.8 m 3/s) es 0.30. El tirante y el borde libre son medidos perpendicularmente al piso del tramo inclinado. En velocidades mayores que 9 m/s, el agua puede incrementar su volumen debido al aire incorporado que está siendo conducido. En este caso, el borde libre recomendado para los muros resultará de suficiente altura para contener este volumen adicional.

Generación de la topografía, alineamiento, perfil de la rasante

trazo

del

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Se procederá a realizar el diseño de una canal abierto principal que captará agua de la Quebrada a partir de un punto de toma de agua denominado “Captación”, ubicado en la siguiente posición

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Trazo de canal con obras de arte  [-75.402250°; -11.777356°], y que será entregada en el punto de “Entrega” ubicado en la posición [-75.410930°; -11.782324°]. El canal a diseñar buscará perder la menor altura posible, será revestido de concreto y se encontrará sobre terreno franco arenoso. El caudal designado será de 2 m3/s.

TRAZO DE CANAL EN PLANTA – LÍNEA DE EJE – PUNTOS DE INFLEXIÓN CON RADIOS Y ÁNGULOS CORRESPONDIENTES Se buscó que la pendiente de la rasante de fondo sea aproximadamente igual a la pendiente natural del terreno como optimización de movimiento de tierras. Sin embargo, se encontró una fuerte variación de pendiente (desnivel mayor de 4.5 m), para lo cual se decidió proyectar una rápida de sección rectangular como estructura hidráulica de solución.

Progresiva Elevación

Sección aguas abajo 0.05% Inicio Fin 0+000 0+810 3542.000 3542.446

Rápida 20% Inicio 0+810 3542.446

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Fin 1+160 3612.440

Sección aguas arriba 0.06% Inicio Fin 1+160 1+472.23 3612.440 3612.612

Trazo de canal con obras de arte  Para evitar el cambio brusco de dirección, se sustituirá dicho cambio por una curva de radio mínimo, la cual se obtendrá a partir de la siguiente tabla:

Más adelante se verá que la base de la sección trapezoidal aguas abajo, por donde ocurrirá la curva, tendrá un valor de 1.20 m. Dicho valor nos dejaría una curva de radio mínimo de 12.5 metros.

Para el trazo del canal se usará una escala de 1:1000 para el sentido horizontal y 1:100 para el sentido vertical1. Se empleará el software AUTOCAD CIVIL 3D. Al tratarse de un canal principal, se buscará la pendiente mínima 2. Por otra parte, para evitar el depósito de materiales en suspensión se recomienda diseñar un canal revestido con una velocidad mínima aceptable del orden de [0.4 – 1.0] m/s. En caso los revestimientos no sean armados, se recomiendan velocidades menores de 2.5 m/s.3 Esto significa nos limitaremos a una velocidad de [0.4 - 2.5] m/s. Próximamente se demostrará cómo se calculan las secciones transversales para cada zona de una rápida, inicialmente se tendrá el siguiente esquema propuesto:

1 Manual de Diseños (pág. 9) 2 Manual de Diseños (pág. 6) 3 Diseño hidráulico de un canal de llamada (pág.6)

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Secciones transversales SECCIÓN DEL CANAL AGUAS ARRIBA – AGUAS ABAJO

El ancho superior del canal T, la plantilla b y la profundidad de rasante H, serán calculados a partir del diseño de la rápida aguas arriba y aguas abajo. El valor de “z” para la sección trapezoidal se calculará a partir de un ángulo de 60° que forma el talud con la horizontal, puedo que es la opción más eficiente para una sección trapezoidal 4. La berma del camino C será de 1 metro, debido a que estamos trabajando con un canal de primer orden. Para el borde libre, se determinará bajo la recomendación de la USBR con la siguiente fórmula:

En nuestro caso, se utilizará la constante C= 2.5. Para definir el espesor del revestimiento de concreto, según la experiencia acumulada 5, para canales medianos y grandes se considerará espesor de 10 a 15 cm. En nuestro caso, se eligió un espesor de 15cm.

4 Manual de diseños (pág. 12) 5 Manual de diseños (pág. 17)

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Trazo de canal con obras de arte  Cálculo de la sección aguas arriba – aguas abajo Para el diseño de la sección trapezoidal se empleó los conceptos de sección de Máxima Eficiencia Hidráulica.

Ello significa que el asumir una plantilla “b” obtendríamos un valor de “y” en función de esta plantilla. El valor asumido de “b” debería ser tal que cumpla con la ecuación de Manning para el cálculo de caudales, tomando en cuenta los siguientes parámetros:    

Caudal: 2 m3/s Coeficiente “n” de Manning: 0.014 Pendiente promedio aguas arriba y aguas abajo: 0.055% (obtenido del plano topográfico asignado). z = 1/tan (θ=60° ) = 0.577 2 3

Q=

A ∙ R h ∙ √ Se → Ecuación de Manning n

De acuerdo a los cálculos, para cumplir con un diseño por SME se requerirá de una plantilla b=1.20m.

Se puede observar que tanto aguas arriba como aguas abajo se tendrá una velocidad de 1.083 m/s, lo cual se encuentra en el rango permitido según lo mencionado anteriormente. Además, se obtendrá un flujo subcrítico, el cual es adecuado para el canal que estamos diseñando.

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Cálculo de la sección crítica antes de la rápida Antes de la caída se formará un flujo rápidamente variado (FRV), el cual representa el cambio de estado subcrítico (anteriormente cálculos) a supercrítico.

Para la realización del cálculo se asumirá una reducción de la base anterior de 1.20 a 0.80m. Por otro lado, con la ecuación vista anteriormente se asumirá un valor “y” que cumplirá con dicha fórmula y con los siguientes parámetros:   

Caudal: 2 m3/s Coeficiente “n” de Manning: 0.014 z = 0 (sección rectangular).

De acuerdo a los cálculos siguientes, la profundidad de la rasante H disminuirá a 1.70 para la formación de un tirante crítico de 0.86 m.

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Cálculo de la sección en la rápida Se empleara los conceptos de caudal por ecuación de Manning, considerando los siguientes parámetros:     

Caudal: 2 m3/s Coeficiente “n” de Manning: 0.014 Pendiente de 20% Base igual a 0.80 m (asumido anteriormente para el tirante crítico antes de la rápida) z = 0 (sección rectangular).

De acuerdo a los cálculos siguientes, el tirante disminuirá hasta un valor de 0.266 metros, lo que ocasionará una velocidad de 9.403 m/s y un borde libre de 1.43 m. El número de Froude obtenido evidencia de que se trata de un flujo supercrítico no oscilante ni fuerte.

El valor obtenido del tirante normal en la rápida será el valor del tirante justo después de la rápida, lo cual ocasionará una elevación por resalto hidráulico.

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Trazo de canal con obras de arte  Cálculo de la sección después del colchón amortiguador Como se mencionó anteriormente, en la siguiente imagen el valor de y o como el valor de F 0 serían los siguientes:  

Tirante normal de la rápida = tirante al final de la rápida, yo = 0.266 m. Fo = 5.82

A continuación se presenta la fórmula para el cálculo de tirantes conjugados en una sección rectangular:

yf =

yo 2 ∙ ( 1+8 ( F o ) −1 ) 2

√

A partir de lo anterior se obtiene que el tirante conjugado mayor tendrá un valor de 2.06 m. Ello significará un aumento de la profundidad de la rasante H a 3.40 m.

Debido a que el tirante conjugado mayor se eleva una altura considerable, se optará por aumentar la sección del canal aguas abajo para la zona de canal rectangular. Inmediatamente después de formado el mayor tirante conjugado, se procederá a la colocación de una transición de salida de sección de canal rectangular a trapezoidal. La transición será diseñada con el fin de evitar que el tirante sobrepase la altura del canal. De esta forma, finalmente después de 3.60 metros, se puede obtener tranquilamente un tirante igual a sección aguas arriba y un canal trapezoidal exactamente igual a lo diseñado anteriormente.

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Diseño de la rápida Para el diseño de la rápida se tomará en consideración todas las limitaciones que se pueden extraer el plano topográfico y de la previa determinación del perfil de la rasante, verificando cotas y cambios de dirección del canal.

Memoria de cálculo – diseño de alcantarilla

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Diseño de alcantarilla Para el diseño de la alcantarilla se tomaron en cuenta los siguientes parámetros:        

Se encontrará aguas abajo después de la transición de salida (sección trapezoidal) Transición de concreto: la velocidad puede alcanzar hasta 1.5 m/s La sumergencia mínima debe ser igual a 1.5 hvp Pendiente mínima de 0. 5% Altura de relleno mínima para evitar daño por cargas de transmisión de vehículos: 60 cm. Longitud mínima de transición 3 veces el diámetro o 5 pies. Pendiente longitudinal máxima de 4:1 (entrada y salida) Verificación de balance de energía

Memoria de cálculo – diseño de alcantarilla

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Conclusiones Se concluye que la importancia de un correcto dimensionamiento en la radica en el grado de la pendiente, pues esta determinará las velocidades y la altura del tirante conjugado luego de la rápida. SI esta es de pendiente muy pronunciada, el nivel de agua en dicho tirante será muy alto, lo cual implicaría la necesidad de un canal de mayor altura. Con esto, sería necesario mayor cantidad de material. Además, con una rápida demasiado pronunciada se erosiona con mayor rapidez debido a la velocidad con la que circula el agua. A su vez, se concluye que los canales son de vital importancia para el desarrollo de las zonas agrícolas, puesto que permiten redirigir el agua, proveniente de quebradas y de ríos, hacia aquellas zonas que la irrigación de plantaciones donde sea necesaria. A su vez, los canales permiten que poblaciones rurales gocen de servicios de agua para el uso humano. El correcto diseño de compuertas, rápidas, gradas, alcantarillas y otras obras de arte garantizan que los canales trabajen de forma correcta. Así se garantiza que los canales deriven el caudal necesario a las zonas que lo necesiten. A su vez, se debe prevenir cualquier avenida extraordinaria mediante el diseño óptimo de las obras hidráulicas, puesto que un caudal excesivo podría perjudicar a las poblaciones locales. Además, es necesario tomar en cuenta los rangos de velocidades mínimas y máximas. Así, en la literatura y normas es posible obtener estos límites, los cuales son restringidos de acuerdo a la resistencia del concreto. Sin embargo, de encontrarnos en un caso como el del presente trabajo las dificultades del terreno pueden generar tramos de pendiente muy pronunciada para los cuales se superan las velocidades y por esta razón se debe usar un concreto mucho mas resistente.

Recomendaciones Se recomienda no limitarse al ángulo de 60° que forma el talud con la horizontal (z definido), puesto que la USBR estima que a pesar de que se considera el más eficiente para una sección trapezoidal, existen casos en los que otra variación del valor de “z” es más conveniente. Se recomienda el uso de recubrimientos para estructuras de concreto, pues la naturaleza del material es porosa a pesar de que concretos con alta resistencia tienen una baja relación agua cemento existen diversos factores durante la ejecución del proyecto que pueden aumentar su porosidad aumentando las infiltraciones.

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Bibliografía VEN TE SHOW, Ph. D (1994) – Hidráulica de Canales Abiertos. Editorial Nomos S.A. (Colombia) VILLÓN, MÁXIMO (2008) – Hidráulica de Canales. Ediciones Villón. (Lima - Perú) Autoridad Nacional del Agua (2010) – Manual de Diseño de Obras Hidráulicas para la formulación de proyectos hidráulicos multisectoriales y de afianzamiento hídrico (Lima, Perú) VILLÓN, MÁXIMO (2003) – Diseño de Estructuras Hidráulicas. Ediciones Villón. (Cartago – Costa Rica) SAGARPA – Diseño Hidráulico de un Canal de Llamada. Secretaría de agricultura, ganadería, desarrollo rural, pesca y alimentación.

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