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TRABAJO FINAL HIDRAULICA

IV CURSO DE TITULACION A DISTANCIA INGENIERIA CIVIL

CURSO: HIDRAULICA

DOCENTE : Ing. Martin Felipe Chumpitz Camarena

ALUMNO : Bach. ngel Campos Gallegos

TEMA 4:

CANALES

2012

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Hidrulica

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Hidrulica

QUE SE ENTIENDE POR CANAL?

EN INGENIERA SE ENTIENDE POR CANAL A UNA

CONSTRUCCIN DESTINADA AL TRANSPORTE DE

FLUIDOS, GENERALMENTE UTILIZADA PARA AGUA Y

QUE, A DIFERENCIA DE LAS TUBERAS, ES ABIERTA A

LA ATMSFERA.

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PARA QUE SE UTILIZA EL CANAL?

EL CANAL SE UTILIZA COMO VA ARTIFICIAL

GENERALMENTE DE CONDUCCION DE AGUA PARA RIEGO.LA DESCRIPCIN DEL COMPORTAMIENTO HIDRULICO DE

LOS CANALES ES UNA PARTE FUNDAMENTAL DE LA

HIDRULICA Y SU DISEO PERTENECE AL CAMPO DE LA

INGENIERA HIDRULICA, UNA DE LAS ESPECIALIDADES

DE LA INGENIERA CIVIL.

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EXISTEN (03) TIPOS DE CANALES:1. CANAL NATURAL: SE DENOMINA CANAL NATURAL A LAS DEPRESIONES

NATURALES EN LA CORTEZA TERRESTRE, ALGUNOS TIENEN POCA

PROFUNDIDAD Y OTROS SON MS PROFUNDOS, SEGN SE ENCUENTREN EN LA

MONTAA O EN LA PLANICIE. ALGUNOS CANALES PERMITEN LA NAVEGACIN,

GENERALMENTE SIN NECESIDAD DE DRAGADO.

2. CANAL DE RIEGO: STOS SON VAS CONSTRUIDAS PARA CONDUCIR EL AGUA

HACIA LAS ZONAS QUE REQUIEREN COMPLEMENTAR EL AGUA PRECIPITADA

NATURALMENTE SOBRE EL TERRENO.3. CANAL DE NAVEGACION: UN CANAL DE NAVEGACION ES UNA VIA HECHA POR EL

HOMBRE QUE NORMALMENTE CONECTA LAGOS, RIOS U OCEANOS.

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Los canales de riego por sus diferentes funcionesadoptan las siguientes denominaciones:Canal de primer orden.- Llamado tambin canal

madre o de derivacin y se le traza siempre conpendiente mnima, normalmente es usado por unsolo lado ya que por el otro lado da con terrenosaltos.Canal de segundo orden.- Llamados tambinlaterales, son aquellos que salen del canal madre yel caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia lossub laterales, el rea de riego que sirve un lateralse conoce como unidad de riego.

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Canal de tercer orden.- Llamados tambin sub laterales y nacen de los canales laterales, el caudalque ingresa a ellos es repartido hacia laspropiedades individuales a travs de las tomas del

solar, el rea de riego que sirve un sub lateral seconoce como unidad de rotacin.De lo anterior de deduce que varias unidades derotacin constituyen una unidad de riego, y varias

unidades de riego constituyen un sistema de riego,este sistema adopta el nombre o codificacin delcanal madre o de primer orden.

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Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canaleses necesario recolectar la siguiente informacin bsica: Fotografas areas, para localizar los poblados, caseros,

reas de cultivo, vas de comunicacin, etc. Planos topogrficos y catastrales. Estudios geolgicos, salinidad, suelos y dems

informacin que pueda conjugarse en el trazo decanales.

Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajaren gabinete dando un trazo preliminar, el cual se replanteaen campo, donde se hacen los ajustes necesarios,obtenindose finalmente el trazo definitivo.

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En el caso de no existir informacin topogrfica bsica seprocede a levantar el relieve del canal, procediendo con lossiguientes pasos:

Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona,anotndose todos los detalles que influyen en ladeterminacin de un eje probable de trazo,determinndose el punto inicial y el punto final.

Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una

brigada topogrfica, clavando en el terreno las estacas dela poligonal preliminar y luego el levantamiento conteodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelarla poligonal y se har el levantamiento de secciones

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transversales, estas secciones se harn de acuerdo a criterio,si es un terreno con una alta distorsin de relieve, la seccinse hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchasvariaciones y es uniforme la seccin es mximo a cada 20 m.

Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazodefinitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cualdepende bsicamente de la topografa de la zona y de laprecisin que se desea:Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se

recomienda escala de 1:500.Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, serecomienda escalas de 1:1000 a 1:2000.

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Capacidad del canal Radio mnimoHasta 10 m3/s 3 * ancho de la baseDe 10 a 14 m3/s 4 * ancho de la baseDe 14 a 17 m3/s 5 * ancho de la baseDe 17 a 20 m3/s 6 * ancho de la baseDe 20 m3/s a mayor 7 * ancho de la baseLos radios mnimos deben ser redondeados hasta el prximo

metro superior

Tabla DC01. Radio mnimo en canales abiertos para Q > 10 m3/s

Fuente: International Institute For Land Reclamation And Improvement ILRI, Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV,

Wageningen The Netherlands 1978.

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Capacidad del canal Radio mnimo

20 m3/s 100 m15 m3/s 80 m10 m3/s 60 m5 m3/s 20 m1 m3/s 10 m

0,5 m3/s 5 m

Tabla DC03. Radio mnimo en canales abiertos para Q < 20 m3/s

Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentacin, Boletn Tcnico N- 7 Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales Lima

1978.

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Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentacin, Boletn Tcnico N- 7 Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales Lima 1978.

A = Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20 m

C = Cuerda larga, es la cuerda que sub tiende la curva desde PChasta PT.

= Angulo de deflexin, formado en el PI.

E = External, es la distancia de PI a la curva medida en labisectriz.

F = Flecha, es la longitud de la perpendicular bajada del puntomedio de la curva a la cuerda larga.

G = Grado, es el ngulo central.

LC = Longitud de curva que une PC con PT.

PC = Principio de una curva.

PI = Punto de inflexin.

PT = Punto de tangente.

PSC = Punto sobre curva.

PST = Punto sobre tangente.

R = Radio de la curva.

ST = Sub tangente, distancia del PC al PI.

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Donde:T = Ancho superior del canalb = Plantilla

z = Valor horizontal de la inclinacin del taludC = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m., segn el canal seade tercer, segundo o primer orden respectivamente.V = Ancho del camino de vigilancia, puede ser: 3; 4 y 6 m., segn elcanal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente.H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal.

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Determinacin de Mxima Eficiencia Hidrulica.Se dice que un canal es de mxima eficiencia hidrulicacuando para la misma rea y pendiente conduce el mayor

caudal, sta condicin est referida a un permetro hmedomnimo, la ecuacin que determina la seccin de mximaeficiencia hidrulica es:

Siendo el ngulo que forma el talud con la horizontal,arctan (1/z).

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Determinacin de Mnima Infiltracin.Se aplica cuando se quiere obtener la menor prdidaposible de agua por infiltracin en canales de tierra, estacondicin depende del tipo de suelo y del tirante del canal,

la ecuacin que determina la mnima infiltracin es:

La siguiente tabla presenta estas condiciones, adems delpromedio el cual se recomienda.

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De todas las secciones trapezoidales, la ms eficiente es aquella donde el ngulo a queforma el talud con la horizontal es 60, adems para cualquier seccin de mxima eficienciadebe cumplirse: R = y/2

donde: R = Radio hidrulico

y = Tirante del canal

Tabla DC04. Relacin plantilla vs. tirante para, mxima eficiencia, mnima

infiltracin y el promedio de ambas.Talud Angulo Mxima Eficiencia Mnima Infiltracin Promedio

Vertical 9000 2.0000 4.0000 3.0000

1 / 4 : 1 7558 1.5616 3.1231 2.3423

1 / 2 : 1 6326 1.2361 2.4721 1.8541

4 / 7 : 1 6015 1.1606 2.3213 1.7410

3 / 4 : 1 5308 1.0000 2.0000 1.5000

1:1 4500 0.8284 1.6569 1.2426

1 : 1 3840 0.7016 1.4031 1.0523

1 : 1 3341 0.6056 1.2111 0.9083

2 : 1 2634 0.4721 0.9443 0.7082

3 : 1 1826 0.3246 0.6491 0.4868

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Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo dematerial del cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad,velocidad mxima y mnima permitida, pendiente del canal,taludes, etc.

La ecuacin ms utilizada es la de Manning o Strickler, y suexpresin es:

donde:Q = Caudal (m3/s)

n = RugosidadA = rea (m2)R = Radio hidrulico = rea de la seccin hmeda /Permetro hmedo

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n Superficie

0.010 Muy lisa, vidrio, plstico, cobre.

0.011 Concreto muy liso.

0.013 Madera suave, metal, concreto frotachado.0.017 Canales de tierra en buenas condiciones.

0.020 Canales naturales de tierra, libres de vegetacin.

0.025 Canales naturales con alguna vegetacin y piedras esparcidas en el fondo

0.035 Canales naturales con abundante vegetacin.

0.040 Arroyos de montaa con muchas piedras.

Tabla DC05. Valores de rugosidad n de Manning

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Seccin del canal. Es la seccin transversal de un canal tomada enforma perpendicular a la direccin del flujo.

Seccin vertical del canal. Es la seccin vertical que pasa a travsdel punto ms bajo de la seccin de canal.

Los canales artificiales se disean con secciones de figurasgeomtricas regulares.

El canal trapecial es uno de los que ms se construyen por susventajas de construccin.

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Elementos geomtricos de una seccin de canal.Estos elementos son muy importantes para el clculo del flujo. Enun canal artificial se definen en trminos de la profundidad de flujoy las dimensiones de la seccin; en canales naturales se determinancurvas que representen la relacin entre los elementos y la

profundidad del flujo.

rea (A). Es el rea mojada o rea de la seccin transversal delflujo, perpendicular a la direccin de flujo.

Permetro mojado (P). Es la longitud de la lnea de interseccin dela superficie de canal mojada y de un plano transversalperpendicular a la direccin de flujo.

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Radio hidrulico (R). Es la relacin del rea mojada conrespecto a su permetro mojado:

Ancho superficial (T). Es el ancho de la seccin del canal en lasuperficie libre.

Profundidad hidrulica (D). Es la relacin entre el rea mojada yel ancho en la superficie:

Factor de seccin (Z). Se utiliza para el clculo de flujo crtico. Esel producto del rea mojada y la raz cuadrada de laprofundidad hidrulica:

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Profundidad de flujo (y). Es la distancia vertical desde el puntoms bajo de una seccin del canal hasta la superficie libre.

Nivel. Es la elevacin o distancia vertical desde un nivel de

referencia hasta la superficie libre.

Factor de seccin para el clculo de flujo uniforme (AR2/3). Es elproducto del rea mojada y el radio hidrulico elevado a la

potencia (2/3).

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1. RECTANGULAR.

Seccin rectangular

rea hidrulica =A = base x altura = b x d

A = b x d

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Donde:A = rea hidrulica del canal en m2.b = Ancho de plantilla del canal en m.

d =Tirante del agua en el canal en m.

Permetro mojado = P = b + 2d

rea ARadio hidrulico = R =---------------- = -----

permetro P

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2. SECCIN TRAPEZOIDAL.

Seccin T trapezoidal.

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rea hidrulica = A = A1 + 2A2 = rea del rectngulo+ rea de los 2 tringulos.

)2

1(2* xddbA

Pero sabemos que el talud se expresa por la relacin de suproyeccin horizontal entre la proyeccin vertical:

por lo tanto, m=x/d x=md, sustituyendo el valorx en laecuacin

])(21[ dmdzbxdA

2mdbdA o tambin2** dctgdbA

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Donde: A =rea hidrulica del canal en m2.

B = ancho de plantilla del canal en m.d = tirante del agua en el canal en m.m = ctg = Talud de las paredes del canal o ngulo de reposo

del material.

Permetro. El permetro mojado del canal est formado por labase y los taludes del mismo hasta el lugar donde se encuentrela superficie libre del agua, es decir, es el permetro del reahidrulica, en contacto con el agua (el permetro mojado es lalongitud abce de la figura 1- 17. De acuerdo con esta figura se

tiene que: ZbP 2

22 dxZ

2222 1 mdddmZ

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Por lo tanto el permetro mojado vale:2

12 mdbP

Radio hidrulico. Es la relacin que existe entre el reahidrulica del canal y el permetro mojado. Es decir:

P

A

Perimetro

AreaR

3. SECCIN TRIANGULAR.

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Donde:

A = rea hidrulica del canal en m2.d = Tirante del agua en el canal en m.m = Cotg Talud de las paredes del canal. = ngulo de reposo del material.

ZP 2

21 mdZ

212 mdP

Radio hidrulico=R

P

AR

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4. SECCIN CIRCULAR.

Para esta seccin se ha establecido que independientementede la forma de la seccin, si un conducto cerrado no trabajasometido a diferencia de presiones es en realidad un canal y

debe tratarse como tal en el clculo.Es comn que haya tneles de seccin circular que trabajenparcialmente llenos, por ejemplo obras de desvo deexcedencias. Se trata entonces de canales y, por lo tanto paradeterminar los parmetros del rea hidrulica y delpermetro mojado podemos aplicar las expresionesobtenidas de acuerdo con la figura siguiente.

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rea hidrulica = Ah = rea del circulo (rea del sector abce+ rea del triangulo abe)

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360N

rea del sector abce = rea del circulo

Si

360*4

2D

A

Por Pitgoras:

22)

2()

2(

2

Dd

DT

)(2 dDdT

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rea del triangulo abe

rea del triangulo

2

)2

(*2

2

)2

(*2 DdddD

DdT

A

)2

(*2D

dddDA

1

2

2cos D

d

)12

cos(.2 D

darc

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El rea del sector abce:

360*4

)12

cos(.2*2

D

darcD

A

Por lo tanto:

rea hidrulica= Ah

)2

(*)180

)12

cos.1(

4

22 D

dddDD

darc

DAh

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Tabla DC06. Relaciones geomtricas de las secciones transversales ms frecuentes.

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Hidrulica

La velocidad media en la seccin se determina midiendo la

velocidad a 0.6 de la profundidad en cada franja en que se dividela seccin, o bien, se toma el promedio de las velocidades tomadasa 0.2 y a 0.8 de la profundidad.

La rugosidad en un canal natural es ms variable y difcil dedeterminar por lo que la distribucin de velocidades es mscompleja:

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Hidrulica

Debido a la distribucin no lineal de la velocidad en la seccin de

un canal, el valor calculado es menor que la velocidad real, por esoal plantear la ecuacin de la energa, la altura de la velocidad sedebe expresar como:

Donde es el coeficiente de energa o coeficiente de Coriolis.(1.03-1.36) para canales prismticos aproximadamente rectos.El valor es alto para canales pequeos y bajo para corrientesgrandes y profundidad considerable.

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La energa total del agua en m-kg por kg de cualquier lnea de corriente quepasa a travs de una seccin de canal puede expresarse como la altura total enmetros de agua, que es igual a la suma de la elevacin por encima del nivel dereferencia, la altura de presin y la altura de velocidad.

Energa de un flujo gradualmente variado

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Por ejemplo, con respecto al plano de referencia, la altura H deuna seccin 0 que contiene el punto A en una lnea de corrientedel fluido de un canal de pendiente alta, puede escribirse como:

De acuerdo con el principio de conservacin de energa, la altura deenerga total en la seccin 1 localizada aguas arriba debe de ser iguala la altura de energa total en la seccin 2 localizada aguas abajo ms

la prdida de energa hf entre las dos secciones:

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Esta ecuacin es aplicable a flujos paralelos o gradualmentevariados. Para un canal de pendiente pequea (cos 0) seescribe como:

Estas dos ecuaciones se conocen como ecuaciones de laenerga. Cuando hf = 0 y 1 = 2 = 1, se convierte en laecuacin de Bernoulli.

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Talud apropiado segn el tipo de material.- La inclinacin de lasparedes laterales de un canal, depende de varios factores pero enespecial de la clase de terreno donde estn alojados, la U.S.BUREAU OF RECLAMATION recomienda un talud nico de 1,5:1 parasus canales, a continuacin se presenta un cuadro de taludes

apropiados para distintos tipos de material:MATERIAL TALUD (horizontal : vertical)

Roca Prcticamente vertical

Suelos de turba y detritos 0.25 : 1

Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de concreto 0.5 : 1 hasta 1:1

Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en grandescanales 1:1Arcilla firma o tierra en canales pequeos 1.5 : 1

Tierra arenosa suelta 2:1

Greda arenosa o arcilla porosa 3:1

Fuente: Aguirre Pe, Julin, Hidrulica de canales, Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras CIDIAT, Mrida, Venezuela, 1974

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Tabla DC08. Pendientes laterales en canales segn tipo de suelo

MATERIAL CANALES POCO PROFUNDOS CANALES PROFUNDOSRoca en buenas condiciones Vertical 0.25 : 1Arcillas compactas oconglomerados 0.5 : 1 1 : 1Limos arcillosos 1 : 1 1.5 : 1Limos arenosos 1.5 : 1 2 : 1Arenas sueltas 2 : 1 3 : 1Concreto 1 : 1 1.5 : 1

Fuente: Aguirre Pe, Julin, Hidrulica de canales, Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras CIDIAT, Mrida,Venezuela, 1974

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Tabla DC09. Mxima velocidad permitida en canales no recubiertos de vegetacin

MATERIAL DE LA CAJADEL CANAL

nManning

Velocidad (m/s)Agua

limpia

Agua con partculas

coloidales

Agua transportando arena,

grava o fragmentos

Arena fina coloidal 0.020 1.45 0.75 0.45

Franco arenoso no coloidal 0.020 0.53 0.75 0.60

Franco limoso no coloidal 0.020 0.60 0.90 0.60

Limos aluviales no coloidales 0.020 0.60 1.05 0.60

Franco consistente normal 0.020 0.75 1.05 0.68

Ceniza volcnica 0.020 0.75 1.05 0.60Arcilla consistente muy

coloidal

0.025 1.13 1.50 0.90

Limo aluvial coloidal 0.025 1.13 1.50 0.90

Pizarra y capas duras 0.025 1.80 1.80 1.50

Grava fina 0.020 0.75 1.50 1.13

Suelo franco clasificado no

coloidal

0.030 1.13 1.50 0.90

Suelo franco clasificadocoloidal

0.030 1.20 1.65 1.50

Grava gruesa no coloidal 0.025 1.20 1.80 1.95

Gravas y guijarros 0.035 1.80 1.80 1.50

Fuente: Krochin Sviatoslav. Diseo Hidrulico, Ed. MIR, Mosc, 1978

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Fuente: Krochin Sviatoslav. Diseo Hidrulico, Ed. MIR, Mosc, 1978

Tabla DC10. Velocidades mximas en hormign en funcin de su resistencia.

RESISTENCIA,

en kg/cm2

PROFUNDIDAD DEL TIRANTE EN METROS

0.5 1 3 5 10

50 9.6 10.6 12.3 13.0 14.1

75 11.2 12.4 14.3 15.2 16.4

100 12.7 13.8 16.0 17.0 18.3

150 14.0 15.6 18.0 19.1 20.6

200 15.6 17.3 20.0 21.2 22.9

Esta tabla DC10, da valores de velocidad admisibles altos, sin

embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que parael caso de revestimiento de canales de hormign no armado, las

velocidades no deben exceder de 2.5 m/seg. Para evitar la

posibilidad de que el revestimiento se levante.

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Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existeninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el calculo delborde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en uncanal, se puede originar por causas incontrolables.

La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con lasiguiente formula:

donde: Borde libre: en pies.C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 paracaudales del orden de los 3000 pies3/seg.Y = Tirante del canal en pies

CYBordeLibre

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La secretara de Recursos Hidrulicos de Mxico, recomienda los siguientes valores enfuncin del caudal:

Tabla DC11. Borde libre en funcin del caudal

Caudal m3/seg Revestido (cm) Sin revestir (cm)

0.05 7.5 10.00.05 0.25 10.00 20.0

0.25 0.50 20.0 40.0

0.50 1.00 25.0 50.0

1.00 30.0 60.0

Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentacin, Boletn Tcnico N- 7 ConsideracionesGenerales sobre Canales Trapezoidales Lima 1978

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Hidrulica

Mximo Villn Bjar, sugiere valores en funcin de la plantilla del

canal:

Tabla DC11. Borde libre en funcin del caudal

Ancho de la plantilla (m) Borde libre (m)Hasta 0.8 0.4

0.8 1.5 0.5

1.5 3.0 0.6

3.0 20.0 1.0

Fuente: Villn Bjar, Mximo; Hidrulica de canales, Depto. De Ingeniera Agrcola Instituto Tecnolgico deCosta Rica, Editorial Hozlo, Lima, 1981

7/29/2019 100834082-Canales

53/55

7/29/2019 100834082-Canales

54/55

Hidrulica

SOLUCIN:

Clculo del rea hidrulica:A = b * d + md2

A = (3)(2.6) + (1.5)(2.6)2 = 7.8 +10.14 = 17.94m2

Permetro mojado:

P = b + 2d(1 + m2)

P = (3 . 0 ) + 2 ( 2. 6 ) (1 + (1 . 5 )2 )= 3. 0 + 5. 2 ( 3. 2 5)

= 3 * 9. 3 7 = 12. 3 7 m

Radio hidrulico:m

m

m

P

AR 45.1

37.12

94.172

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Hidrulica

A partir de la ecuacin Q:

La velocidad normal:

n

SARQ

2/13/2

013.0

0016.0*45.1*94.172/13/2

Q

segmA

QVn /96.3

94.17

71