Conducciones Abiertas PARTE 1
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CONDUCCIONES
ABIERTASParte 1
CARRERA : INGENIERA EN CONSTRUCCIN PCE 2009ASIGNATURA : OBRAS HIDRAULICASPROFESOR : CLAUDIO FARIAS ROJAS
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Conducciones Abiertas
Contenidos
1. Obras de Conduccin y sus tipos
2. Caractersticas Geomtricas e Hidrulicasde un Canal
3. Clasificacin Geomtrica de Canales segnsu Seccin
4. Nmero de Froude
5. Tipos de Rgimen6. Eje Hidrulico
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Obras de Conduccin
Son elementos destinados a
efectuar el transporte de
agua desde una fuente hasta
el sitio donde se produce elaprovechamiento o uso de
la misma.
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En una
conduccin
abierta el agua
fluye con unasuperficie libre.
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Tipos de Conducciones
NATURALES
ARTIFICIALES
De acuerdo
a su origen
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Conducciones Naturales
Esteros, quebradas, arroyos, ros pequeos ygrandes.
La
s propiedades
hidrulicas de un
cauce natural por
lo general son
muy irregulares.
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Conducciones Artificiales
Construidos o desarrollados mediante el esfuerzohumano: canales de navegacin, canales de centraleshidroelctricas,
Canal de Amsterdam, Holanda
canales de riego,
cunetas de
drenaje, canales
de trasvase,
cunetas a lo largode carreteras, etc.
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Canales
En Ingeniera se denomina canal a una obradestinada al transporte de fluidos
generalmente agua y que, a diferencia de
las tuberas, es abierta a la atmsfera.
La descripcin del comportamiento hidrulico
de los canales es una parte fundamental de lahidrulica.
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Canal en la ciudad de HortenNoruega
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Canal de Panam
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Canal de VeneciaItalia
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Caractersticas Geomtricase Hidrulicas de un Canal
Geomtricas corresponden a la seccin transversal,
sus dimensiones y la pendiente longitudinal del fondo
del canal.
Hidrulicas son la profundidad del agua (y), el
permetro mojado (P), el rea hidrulica (A), espejo de
agua (T), el radio hidrulico (R).
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y: Altura de Agua
A: rea hidrulica
i: pendiente longitudinal
S: Seccin
Transversal
pendiente lnea de agua
T
P: Permetromojado
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Y:Alturade agua
H:Altura de
Excavacin
Revancha
b: Base
A:reaHidrulica
T: Espejo de Agua
P: PermetroMojado
R: Radio Hidrulico
R = A / P
DH: Profundidad Hidrulica
DH= A / T
Ymax:Alturamxima de
agua
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Y: Alturade agua
H: Altura de
Excavacin
Revancha
b: Base
Ymax: Alturamxima de
agua
Mesa deCanal
Mesa deCanal
Ancho de faja (ancho de expropiacin)
Puede ser corte, terrapln o mixto
Z (Talud)
1
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Para cualquier flujo, el caudal Q en una seccin del canal se
expresa por Q=VA.Donde V es la velocidad media y A es el rea de la seccin
transversal de flujo perpendicular a la direccin de este.
Referencia
y1y
2
Nivel de Referencia
Z1 Z2
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Clasificacin Geomtrica de Canales,segn su Seccin:
Rectangular
Triangular
Trapezoidal
Circular
Especiales
Irregular
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Canales de seccin Rectangular:b = ancho de la base del canal.
rea hidrulica : A = by = TyPermetro Mojado: P = b + 2y
Canales de seccin Triangular:
z = Tan () siendo: () el ngulo del talud con la vertical.
rea hidrulica : A = zy2
Permetro Mojado: P = 2y (1 + z2)
Canales de seccin Trapezoidal:
rea hidrulica : A = (b + zy) yPermetro Mojado: P = b + 2y (1 + z2)
y
b
y
y
T
T
1
z
1
z
T
b
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Canales de Seccin Circular
r = radio de la seccin circular; la seccin mojada limitada por lacuerda c, que sostiene el ngulo al centro medido en grados.
rea hidrulica : A = (( sin ) D2) / 8Permetro Mojado: P = D/4
D y
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Colector de Aguas Lluvias,
Conducciones a seccin Semi-llena
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Canales de Secciones Especiales
Se han usado en el pasado y se siguen usando,especialmente para canalizaciones de aguas servidas, o
canalizaciones mixtas de aguas servidas y aguas de
lluvia, donde la variacin de caudales en el tiempo puede
ser considerable, secciones especiales o compuestas.
En estos casos la determinacin de los parmetros A, P y
R se realiza caso por caso en funcin de la geometra de
la seccin.
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Es el caso general para conducciones naturales, pero existen tambin canales
construidos con secciones geomtricas definidas, y que en el transcurso deltiempo, por efecto de la erosin, se han transformado en irregulares y deben
ser tratados como tales para obtener resultados de anlisis correctos.
En estos casos se determinan los tramos que se pueden considerar
homogneos con buena aproximacin.
Despus del levantamiento topogrfico y batimtrico de la seccin, se divide la
misma en fajas verticales.
Para cada faja vertical "i" se determina Ai, considerndolo un tringulo, o un
trapecio; y como Pi, se considera el respectivo tramo de fondo.
De esta forma el clculo del rea hidrulica y del permetro mojado se hacecon las expresiones:
A = Ai (i=1, .., n)
P = Pi (i=1, .., n)
Canales de Seccin Irregular
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Relaciones geomtricas de las secciones
transversales ms frecuentes
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Tambin es relevante la Rugosidad (n) de las paredes y
fondo del canal, que es funcin del material en que ha sido
construido, del uso que se le ha dado y del mantenimiento.
Rugosidad enun canal de Riego
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Rugosidad enun canal de Desvivoen Tranque Huechun
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Para determinar el valor de n es posible seguir 4 caminos
generales:
Factores que afectan al valorn:
Consultar una tabla de valores de n Tener conocimiento de los factores que afectan a n
Comparar con n de cauces controlados
Posibilidad de calcular analticamente n
Rugosidad de la superficie tamao y forma de los granos queforman el lecho
Existencia de vegetacin en el canal
Irregularidades del canal (en seccin)
Existencia de curvas en el trazado
Erosin y depsito de finos
Obstrucciones
Tamao y forma del canal
Altura de escurrimiento y caudal
Variaciones estacionales
Arrastre sedimentos
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Coeficiente de Rugosidad
segn el material
Hormign 0,012 0,014
Acero 0,011 0,013
Tierra y Roca 0,020 0,060
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DEFINICIONES
Aguas abajo
Con relacin a una seccin de un curso de agua, se dice que unpunto est aguas abajo, si se sita despus de la seccinconsiderada, avanzando en el sentido de la corriente.
Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Aguas arriba
Es el contrario de ladefinicin anterior.
La Velocidad de
desplazamiento de una
onda en un canal, estdada por la siguiente
expresin:
V0= Q / A
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Velocidades Mximas Permisibles
Canales sin RevestirArcillas : 1,0 m/s
Arena : 0,5 m/s
Limos : 0,4 m/s
Ripios conglomerados : 2,0 m/s
Conglomerados firmes : 2,5 m/s
Roca sana : 4,5 m/s
Canales Revestidos : 2,5 m/s
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Curso: Hidrulica General31
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El N de Froude relaciona las fuerzas de inercia con
las fuerzas de gravedad:
gD
vFr V : Velocidad media
D : Profundidad hidrulica
Notarl
AggD
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Tipos de Rgimen
Fr > 1 flujo sper crtico o rgimen de torrente
Fr < 1 flujo sub crtico o rgimen de ro
Fr = 1rgimen crtico
gD
vFr
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Tipos de RgimenRgimen de Ro
Las ondas producidas por una perturbacin son ms rpidas que el
agua.
El rgimen de ro es influenciable aguas abajo.
Rgimen de Torrente
Las ondas son ms lentas que el agua
El rgimen de torrente es influenciable por aguas arriba.
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Eje HidrulicoSe conoce como curva de remanso o eje hidrulico, al perfil longitudinal que
adquiere la superficie libre del lquido en un canal.
El clculo se puede realizar por diferentes mtodos usando un software
como HCanales, Hec-Ras, pero es intil intentarlo si no se entienden las
condiciones que gobiernan el escurrimiento aguas abajo.
Y3: altura normal del canal aguas abajo
Y2: altura antes de la transicin
Y1: altura en la grada
y1
y2
y3
a
b1= 3mb3 = 2 m
L = 15 metros
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Canal de Riego Laja-Diguilln
VIII Regin, Chile
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Cuneta al borde
de carretera
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Proyecto rio Mapocho
Navegable
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Referencia
Aguas Arriba
TiposdeFlujos
1) Uniforme
2) Variado
Flujos en Canales Abiertos y suClasificacin
Rpidamente Variado
Gradualmente Variado
Permanente
Impermanente
Permanente
Impermanente
El escurrimiento en un canal, puede ocurrir en distintascondiciones de flujo:
Flujoy1
y2
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
Corresponde al escurrimiento que tiende a producirse si el canal nopresenta variaciones en su trazado (seccin y pendiente constante).
La altura de agua es la misma en cada seccin del canal.
En el tramo considerado, las funciones arriba mencionadas asumen
la forma:
V = fv(x) = Constante; Q = fq(x) = Constante; h = fh(x) = Cte.
Un flujo Uniforme puede ser Permanente o No Permanente, segncambie la altura de agua en el tiempo.
Flujo Uniforme
El Flujo Uniforme Permanente es el tipo de flujo
fundamental que se considera en la hidrulica de
canales abiertos.
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Referencia
Aguas Abajo
Aguas Arriba
(Tiempo como Criterio)
Permanente: La altura de escurrimiento (y) o el caudal
en un punto son constantes en el tiempo.
En un Flujo Impermanente, la altura de escurrimiento (y)
o el caudal en un punto varan en el tiempo.
Flujo Permanente e Impermanente
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Referencia
Aguas Arriba
La Energa de CanalesDado un canal que escurre en rgimen permanente y con flujo uniforme:
y1
y2
z1 z2
Planteando Bernoullentre las dos secciones de escurrimiento definidas por y1 e y2
B1 = B 2 + Prd idas(Friccin + Locales)
g
vyzB2
2
1
111
g
vyzB2
2
2
222
Para condiciones de rgimen permanente y flujo uniforme, la prdida de energa
corresponde slo a prdidas de energa potencial, luego se tiene que:
= Prdidas de Energa = z1 z2
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43Aguas Abajo
Aguas Arriba
La Energa de Canales
Escurrimientoen presin
Escurrimiento ensuperficie libre
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Curso: Hidrulica General
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V12/2g
V22/2g
1
2
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Referencia
Aguas Arriba
En base a lo anterior se puede definir la energa especfica (E):
Para un canal en rgimen permanente y flujo uniforme se tiene E1 = E2
Para un canal trapezoidal:
A
Qvg
yg
yEZBE2
22
22
2
2
2 )( zyybg
QyE
La Energa de Canales
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Referencia
Aguas Arriba
Ecuacin de Energa en una seccin de la obra:
La ecuacin anterior resulta ser una ecuacin cbica para y.
Esto implica que para un mismo nivel de energa existen dos
posibilidades de rgimen:
Torrente : Fr > 1
Ro : Fr < 1
A
Qvg
yg
yEZBE2
22
22
yr: Altura MayorVelocidad Menor
yt
: Altura MenorVelocidad MayorgDvFr
D=A/T
La Energa de Canales
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Referencia
Aguas Abajo
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Alturade Agua (y)
Energa (E)E
yT
yr
Altura ro
Altura torrente
gvyE2
2
gvr2
2
yr
g
vt
2
2yt
EC
yC Condiciones crticas
La Energa de Canales
Condiciones Crticas para un Canal
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Aguas Abajo
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Alturade Agua (y)
Energa (E)EC E
yC
yT
yr
gvyE ccc 2
2
g
vc2
2
yc
Condiciones crticas
Condiciones Crticas para un Canal
Se dan cuando la Energa de escurrimiento es mnima.Este escurrimiento se puede calcular al minimizar la expresin de la Energa
en funcin de la altura.
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gD
vFr V : Velocidad media
D : Profundidad Hidrulica
A travs de la expresin de Froude, se puede
determinar la Altura Crtica
Cuando Froude = 1, el escurrimiento es Crtico
D = A / T
A:reaHidrulica
T: Espejo de Agua
gDvFr = 1
1
2
Dg
Vc DgA
Q
c
2
2
La Energa de Canales
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50
Fr < 1
Fr= 1
Fr > 1
Ro
Crtico
Torrente
Depende de las
condicionesAguas Abajo
Depende de las
condicionesAguas Arriba
Cdigo de Aguas
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51Aguas Abajo
1.- Demuestre que la energa mnima ocurre cuando Froude = 1
2.- Deduzca la formula para altura critica en canal rectangular.
Donde se define
yc
altura crtica (m)q = Q/T caudal por unidad (m3/s) de ancho
3
32
gyc
q/
Cdigo de AguasTAREA EN CLASE (20 minutos)
yc
T