INTRODUCCINEn los ltimos aos han venido desarrollndose con rapidez proyectos de recursos hidrulicos y trabajos de ingeniera hidrulica en todo el mundo. El conocimiento de la hidrulica de canales abiertos, esencial para muchas estructuras hidrulica, ha avanzado mediantes pasos y saltos. Para los estudiantes e ingenieros en el campo de la ingeniera hidrulica. Para alcanzar estos objetivos, en lo posible el uso de matemticas avanzadas se evita deliberadamente y la explicacin de las teoras hidrulicas se simplifica de manera sustancial. Se dan ejemplos ilustrativos para mostrar la aplicacin de las teoras.

El diseo de una estructura hidrulica implica tener ambos conocimientos, tanto tericos como aplicativos, es por ello que a travs de este trabajo detallo los puntos esenciales que involucran en el efecto del agua o movimiento de ella. El manejo no solo comprende clculos si no tener criterios de diseo las cuales radican en el presupuesto de toda obra hidrulica, es por eso que debemos ver ms all de un simple clculo mecnico, es dar eficiencia y rentabilidad al diseo.

SECCIONES DE MXIMA EFICIENCIA HIDRULICA EN CANALESSeccin ms eficiente.- De un grupo de canales que tengan la misma pendiente (S), el mismo coeficiente de rugosidad (n) y la misma rea mojada (A), se dice que es de seccin ms eficiente aqul que deja pasar ms agua.En la ecuacin de Manning:

se puede ver que la seccin ms eficiente es la seccin de mayor radio hidru1ico, pero siendo:

la seccin de mejor radio hidrulico es la seccin de menor permetro mojado.

Por esta razn se dice indistintamente seccin hidrulica ptima, seccin ms eficiente, seccin de mejor radio hidrulico y seccin de menor permetro mojado.

De todas las formas posibles de seccin, a igualdad de los valores A, S y n, la seccin ms eficiente es el medio crculo.

De todas las secciones trapezoidales, a igualdad siempre de los valores A, S y n, la SME es el medio hexgono regular.

(El talud resulta ser 60)

Desde el punto de vista prctico las formas ms comunes de seccin son la rectangular y la trapezoidal con valor del talud (t) definido por el material de excavacin. Resulta muy til obtener para estos dos casos la relacin fondo/tirante (b/y), lo que se logra igualando a cero la primera derivada del permetro mojado.

Seccin rectangular:

Seccin trapezoidal: (con un valor pre-asignado de t)

Canales de mxima eficiencia hidrulica con taludes en terrenos naturales.- Los canales Trapezoidales son lo que presenta mejores condiciones para la construccin en terreno natural los cuales todava son usados en algunos canales menores.

MATERIALZ = t (Talud lateral)

Roca sanaRoca descompuesta (Alterada)Cascajo sementadoTierraTierra arenosaArenaTalud muy abierto0.250.501.01.52.03.04.0

Los taludes que generalmente se recomienda son los siguientes (en seco):

Los valores consignados en esta tabla deben considerarse meramente referenciales. Siempre consideramos que el talud se define como 1 vertical y z t horizontal.

NOTA: Se ha mostrado que en todos los casos de seccin ms eficiente se cumple que el radio hidrulico (R) resulta ser igual a medio tirante.

TRANSICIONES PARA CAMBIO DE SECCIN Y PARA SIFONESLastransicionesgeneralmenteproducenuncambiogradualenlaseccintransversalysonusadasenlasentradasysalidasdelasestructurasycambiosenlaseccindecanalespara:1)provocarunflujodeaguamssuaveotranquilo,2)reducirlaprdidadeenerga,3)minimizarlaerosindelcanal,4)reducirlaselevacionesdelasuperficieagua,aguasarribadelasestructurasdecruce(evitandoodisminuyendoelembalsamiento),5)proveerestabilidadadicionalalasestructurasadyacentesporelincrementoderesistenciaalapercolacin,6)retenerelrellenodetierraalasalidadelaestructura.

Lastransicionesproducenusualmenteunaaceleracingradualdelflujoalaentradayunadesaceleracingradualalasalida.Debidoalmejoramientodelascondicionesdelflujoalfinaldelacaera,lavelocidaddisponiblepuedeserincrementadayeltamaodelatuberapuedeserdisminuidosihaysuficientealturadeenergadisponible.Lastransicionessontantoabiertascomocerradas.Lastransicionescerradassonusadasparadisminuiranmslasprdidasdeenergaparalasestructurasdecaerasmediantelaprevisindeuncambiogradualadicionaldelaseccintransversalrectangularacircular.El refinamiento de transiciones rectangulares a circulares no es generalmentegeneralmentejustificadoparaelcasodepequeasobrashidrulicas.Lastransicionesabiertaspuedensertantodehormigncomodetierra.Lastransicionesdetierrasonusadasparatransicionesdeanchodebase,elevacin,taludesotransicindehormignaunaseccinfluvial(U.S.BureauofReclamation).Tiposdetransiciones

A)Transicionesentre canales: Con base en el comportamiento de estructuras existentes, se ha encontrado que los siguientes aspectos son importantes en el diseo..- Proporcionamiento. Para tener una transicin bien diseada debe considerarse las siguientes reglas para las dimensiones: - El angulo mximo ptimo entre el eje del canal y una lnea que conecte los lados del canal entre secciones de entrada y de salida es de 12.5.- Evtense los ngulos agudos en la superficie del agua o en la estructura, ya que estos inducirn ondas estacionarias extramas y turbulencia.

B)Transicionesparacaosdecrucededrenaje:lastransicionesdehormignutilizadasmscomnmenteenestecasosonlastipo1(broken-back);tipo2,tipo3ytipo4.Agregarunatransicindeentradaaunaestructuradecaeradecrucededrenaje,permitequelacaeradeentradasearebajada,locualresultaenunadisminucindelasuperficiedeaguarequeridacorrientearriba.Ladisminucindelasuperficiedeaguaminimizalasinundacionesdeloscamposypermiteunmayorembalse. Unatransicindetipo1serutilizadacuandoelcanalnaturaltengaunaseccintransversalbiendefinida,condimensionesparalascualessearazonableutilizarunatransicinquebradaobroken-back.Dondeelcanalnaturalnoesbiendefinidoyrelativamenteancho,sonapropiadastransicionestipo2y3o4(U.S.BureauofReclamation,1978).

Consideracionesdediseoparatransicionesenestructurasdeconductocirculares

Sumergencia:sepasadetransicionesdeentradaaestructurasdecaera,dondeelcontrolestcorrienteabajodelaestructura.Latransicindeentradatienequetenerunsellohidrulicodeunavezymedialadiferenciadealturadevelocidadentreelcanalyelcaoo7,5cmcomomnimo.Elselloesmedidoentrelasuperficiedelaguaaguasarribadelatransicindeentradayelbordesuperiordelaaperturaenlacabeceradeentrada.Estasumergenciadeentradaimplicaprdidasalaentradadelcaoyconversindelaalturaestticadelcanalenlaalturadevelocidaddelconductoescurriendolleno.Paraquelaprdidaseamnima,elbordesuperiordelaaperturaalasalidadebetenermuypequeaonulasumergencia.Silasumergenciaexcedeunsextodelaprofundidaddelaaperturaalasalida,laprdidasecomputarcomounaexpansinbruscaynocomounatransicinalasalida.Ladiferenciatericaenelpelolibreenelcanaleinmediatamentedentrodelconductoes:SA=(1+K1)hvenlaentradaySA=(1-K2)hvalasalida.EstosvaloresomitenlaspequeasprdidasporfriccinenlatransicinyK1yK2soncoeficientesdeprdidasdealturadeenerga.Dondelatransicindeentradaseconectaaunflujolibreenconductocerrado,detalformaquelaentradaalconductoestesellada(quetengaunsellohidrulico),laalturanecesariaparadescargarelflujodediseopuedeserdeterminadadelaecuacindeorificio.

Prdidas:lasprdidasdeenergaenunatransicinvanadependerprincipalmentedelasdiferenciasentrelasalturasdevelocidadenloscierresdeadmisindelastransiciones(usualmentesetomalaalturadevelocidaddelcanal)ylanormalparalaseccincentraldelconductocerradoenlaparedcabecera.Prdidasporfriccinparatransicionescortasasociadasacaudaleshasta2,70m/ssernpequeasysernomitidas.

Loscoeficientesutilizadosconhvqueseconsideranadecuadosparadeterminarprdidasdeenergaentransicionestipo1sondel40%dehvalaentradayel70%dehvalasalida.Lasdimensionesparatransicionestipo1usualmentesontalesquecualquiertransicinadicionalhastaalcanzarlaseccindelcanaldeberserhechaconunatransicindetierradondeelcanalesdetierrayunatransicinalineadadondeelcanalesalineado.Sinembargo,lasprdidasdeenergaatribuidasaestastransicionessonpequeasyusualmenteseconsideraadecuadoeneldiseohidrulicoutilizarslolasprdidasenlatransicindehormign,asumiendoquelavelocidadenelcierredeadmisindelatransicineslamismaqueenelcanal(U.S.BureauofReclamation,1978).Loscoeficientesparahvconsideradosadecuadosparadeterminarlasprdidasentransicionesdetierraqueunenlaseccindelcanalauncaerasondel50%dehvalaentradayel100%dehvalasalida.

ngulodelasuperficiedeagua:paraobtenerlascondicioneshidrulicasmsdeseables,elnguloentrelasuperficiedeaguaylalneacentraloejedelatransicinnodebeexcederlos27paratransicionesdeentraday22paratransicionesdesalida.Paraalgunosdiseosdeestructuraspuedesermseconmicousarunngulode25parapermitirquelamismatransicindehormignseusetantoparalaentradacomoparalasalida,paraestosngulosloscoeficientesdeprdidasserndel50%alaentradayel100%alasalida.

Erosindelcanal:paraprevenirunaerosindelcanalindeseadaaguasabajo,desdelasalidadelaestructura,setendrencuentaelsiguientecriterioparalavelocidaddelatubera.Silavelocidadesmenoroiguala1m/sesusualmenteconvenienteunatransicindetierraalasalida,silavelocidaddelatuberaesmayorque1m/sserequiereunatransicindehormignalasalidauotraestructuradesalida.Silavelocidaddelasalidaesmayora3m/ssernecesariaunasalidaconpantallaouncuencodisipador.

Cierresdeadmisin:sufuncinesreducirlapercolacinalrededordelastransicionesyparabrindarestabilidadyresistenciaestructuralalastransiciones.Lascortinassonnecesariasenlosextremosdelastransicionesconcanalesdehormignodetierra.Estascortinasdebenser,engeneral,comomnimode:-60cmparatirantesdeaguadehasta90cm.-75cmparatirantesentre90cmy1,8m.-90cmparatirantesmayoresa1,8m.Paraalgunasestructuraspequeasessuficienteconunos45cm.Losespesoresmnimosdehormigndebenser:-15cmparapantallasde45cmy60cm.-20cmparapantallasmayoresa60cm.

Paralaexcavacindelaestructurahabrquedestaparlatierravegetalqueessusceptiblealatubificacin,endichocasolacortinadebeextenderseverticalmenteuhorizontalmenteoambas,porsobrelosmnimosdispuestosparabrindarunaadecuadaproteccincontralapercolacin.Paralaextensinnoesnecesarioqueelhormignseaarmado.

Estandarizacin:lastransicionesdehormignpuedenserestandarizadas,locualsignificaunareduccindecostos,disendolasparaajustarseaunrangodecondicionesdetalmodoquesehaganaplicablesaundeterminadonmerodetransiciones.Siseestandarizanlastransicionesdehormignparaestructurasdecanalesalineadosserprobablementenecesariosuplementarlasconuntramodehormignotierraparacompletarlatransicinalaseccindelcanal.Lasprdidasparaestastransicionessuplementariassonusualmenteignoradas.

Transiciones entre canales:

Coeficientes para las prdidas por entrada y salida segn su tipo:Tipo de transicincico

Tipo alabeada0.100.20

Tipo cuadrante de cilindro0.150.25

Tipo simplificado con lnea recta0.200.30

Tipo lnea recta0.300.50

Tipo extremos cuadrados0.300.75

Transiciones entre canales y sifones:Tipo 1 Enlafigura semuestraunatransicintipo1tpica.Estatransicinseusageneralmenteenestructuraslinealesyaquesuaplicabilidadradicaentenerseccionesdecanalbiendefinidas.

Tipo 2 Unalongituddelatransicinigualatresveceseldimetrodelacaerahadadoresultadossatisfactoriosenlaprovisindeladistancianecesariaparalograrcambiossuavesenlavelocidaddelagua,esdecirflujouniforme.LadimensinBeselegidademaneraquelosmurosdelasparedeslateralestenganuntaludde1:1demaneraqueestosseanaproximadamentetangentesalaalturadelmuroalaentradaydebeserdeterminadahaciendoBiguala30,3%deldimetrodelacaera.Elvalorcalculadodebeserredondeadoporexceso.ElanchodebaseCentrelasparedesenlaseccindeingresoalatransicindependedelrefinamientodediseodelngulodelasuperficiedelagua.Sialaalturadelosmurosselerestan15cm,yseasumequeestevaloresaproximadamenteigualquelaprofundidaddenelcanalenlaseccindeingresoalatransicin,puededeterminarseunvaloraceptabledeC,paradistintosngulosdesuperficiedeagua(U.S.BureauofReclamation,1978).

Parangulosdelasuperficiedelaguade22:C=0,5DcuandoD=dC=1,1DcuandoD=1,25dC=1,5DcuandoD=1,50dC=2,0DcuandoD=2dParangulosdelasuperficiedelaguade25:C=0,8DcuandoD=dC=1,4DcuandoD=1,25dC=1,8DcuandoD=1,50dC=2,3DcuandoD=2dParangulosdelasuperficiedelaguade27:C=1,1DcuandoD=dC=1,7DcuandoD=1,25dC=2,1DcuandoD=1,50dC=2,6DcuandoD=2d

Siserequieretransicinadicionalparaelanchodelabasedelcanal,sepuederealizarunatransicinlinealentierrauhormign.LadimensinYnodebesermenorqueelvalordeltirantedeaguadmslarevanchaenlaseccindeingreso.Paraevitarerosionesinnecesariasenelcanaldetierraesdeseableponerelfondodelatransicinalmismonivelquelasoleradelcanal.Larevanchaenlaseccindeingresoalatransicin,adyacentealrevestimientodehormignuotrasuperficieresistenteomembranasenterradasquerevistenelcanal,tieneusualmenteelmismotipoderevestimiento.Paracaudaleshastaa1,35m/sestarevanchaesusualmentede15cm,yparacaudalesentre1,35y2,7m/slarevanchatendrunrangoentre15cmy22,5cm.Encanalesdetierranolinealeslasrevanchasmnimasrequeridasenlaseccindeingresoalatransicintipo1debenserlassiguientes:

d(m)Revanchamnima(cm)0a0,3715,00,38a0,6022,50,61a1,5030,0

Elvalorparapesladiferenciadecotasentreelfondodelaseccindeingresoalatuberayelfondodelcanalalaentradadelatransicin.Estefondoesdeterminadoporelniveldesumergenciarequeridaenesaseccin;elfondoenelingresoalatransicinseadoptaigualaldelasoleradelcanal.Elvalordepnodebeexcedertrescuartosdeldimetrodelatuberaenlatransicindeentradaolamitaddeldimetroparalatransicindesalida.Estas

dimensionesproveenpendientesdefondomximas4:1paralatransicindeentraday6:1paralasalida.Siserequiereunatransicinadicionalparaelfondodelcanal,estasdebenserefectuadaentierraadyacentementeoconunrevestimientodehormignsisetratadeuncanaldehormign.Ladimensinadependedelarevanchadediseoenlaseccindeentradaalatuberayelfondodeestamismaseccin,quesedeterminaporelniveldesumergencia.Larevanchadelatransicintipo1enlaseccindeentradaalatuberadeberserigualomayorquelatabuladaprecedentementeparalaseccindeingreso.Larevanchadelaseccindeentradaalatuberaparatransicionesconectadasconcaosde60cmdedimetroymenorespuedeserlamismaqueparalaseccindeentrada,comoconsecuencia,elniveldelaseccindeentradaalatuberaseelevarproporcionalmentealdimetrodelcaoutilizado.Paradimetrosgrandes,estarevancha,seincrementarsegnelincrementodeltamaodelaestructura.Frecuentementeseadoptaeldoblequelarevanchaenlaseccindeingreso(U.S.BureauofReclamation,1978).

Lavelocidadmximapermitidaparaunflujoaseccinllenaesde3m/sparaestructurasdealcantarillasparacrucededrenajeteniendotransicionesdesalidadehormign.Paraprevenirladegradacinenlaentrada,lainversindelfilodelatransicinestubicadaenoprximaaunasuperficieexistentedesuelo.Inclinandoelpisodelatransicinpordebajodelaaberturadelcabezalypuestoqueelcontrolhidrulicoparaelflujodediseoestenelcabezaldeentrada,lasuperficiedeaguarequeridaparadescargarelflujoestambindescendente.Losmurosdealasalaentradasonabiertosportresrazones:1)Paraproducirunamejorcondicindeeficienciahidrulicaalaentradaparalaaperturadelcabezal.2)Paraproveerunanchosuficientealfilodelatransicinqueasegurequeelcontrolhidrulicodelasuperficiedelaguaseencuentrealaentradadeltubo.3)Paraproveerunanchomayoralfilodelatransicinquereducelaprobabilidaddeerosindebidoalareduccindeltirantedeaguaylavelocidadparaflujosmenoresalflujodediseo.Acampanandolosmurosdealadelasalida,tambinpermitequeelaguacirculeenelfilodelatransicinconmenorprobabilidaddeerosinparaflujosparciales.Paraproveerunarevanchaadecuadaparaelcanal,lasuperficiedeaguaenlaentradaparaelflujodediseodeberaserporlomenosde60cmpordebajodeltopedelcanal.Laecuacindelorificiopuedeserutilizadaparacalcularlasuperficiedeaguarequeridaparaladescargadelflujodediseo.Paraunatransicindeentradatipo2sepuedeutilizaruncoeficientededescargaC=0,6(U.S.BureauofReclamation,1978).

Tipo 3Lafigura que semuestraes de transicintipo3tpica.Lasdimensionesprovistasenlatablaproveencontrolenelcabezaldeentradaytambinrevanchaenelcabezalparaelflujodediseoyflujolibreenelcao.Lamximavelocidaddelflujoacaollenopermitidaenalcantarillasdecrucededrenajenaturalcontransicindehormignalasalidaes3m/s.

Paraprevenirladegradacinenlaentrada,eltopedelasparedesdeentradasecolocaen,ocerca,delasuperficieexistentedetierra.BajandoelpisodelatransicinenunacantidadBdesciendelaaberturadelcabezaly,comoelcontrolhidrulicoestaenlaentrada,tambindesciendelasuperficiedelaguarequeridaparadescargarelflujodediseo.Paraproveerunaadecuadarevanchaenlaorilladelcanal,lasuperficiedeaguaenlaentradadeberaestarporlomenos60cmpordebajodeltopedelaorilladelcanal.Laecuacindelorificiopuedeusarseparacalcularlasuperficiedelaguaenlaentradaparaelcaudaldediseo.Paratransicindeentradatipo3,sepuedeusaruncoeficientededescargaC=0,6(U.S.BureauofReclamation,1978).

Tipo 4Lafigura le muestraunatransicintipo4tpica.Lavelocidadmximapermitidaparacaosaseccinllenaesde3,6m/senestructurasdealcantarillasparadrenajedecruceconpantallasdesalidaocuencosdisipadores.

Paraprevenirladegradacinenlaentrada,elbordedelapareddeentradaestsituadoenocercadeunasuperficiedesueloexistente.Descendiendoelpisodelatransicinunacantidadigualae,einclinandoelpisodelatransicinenformadescendentedesdelaaberturadelcabezal.Debidoaesto,ycomoelcontrolhidrulicoesalaentrada,lasuperficiedelaguarequeridaparadescargarelflujodediseotambindisminuye.Losladosdelasparedesdeentradasonacampanadosparaproveerunanchodebordesuficienteparaasegurarqueelcontrolhidrulicodelasuperficiedeaguaseencuentraenelcabezalyparaproveerunanchomayorenelfilodelatransicinelcualreducelaprobabilidaddeerosindebidoalareduccindeltirantedeaguaylavelocidadparaflujosmenoresalflujodediseo.Paraproporcionarunaadecuadarevancha,lasuperficiedeaguaenlaentradaparaflujodediseodebesercomomnimode60cmpordebajodelbordedelarevanchadelcanal.Laecuacindeorificio,puedeusarseparacalcularlasuperficiedelaguaenlaentradaparaelcaudaldediseo.Paratransicindeentradatipo4,sepuedeusaruncoeficientededescargaC=0,6(U.S.BureauofReclamation,1978).

Tipo 5Lafigura46muestratransicintipo5tpica.Estastransicionessonsimplementeunaextensindelrevestimientodehormigndelcanalelcualencajaconlaseccinnormaldehormignalineadaenunextremoytieneuncabezaldeentradaenelotroextremo.Estastransicionespuedenserusadasdondeminimizarlaprdidadecarganoesunfactorimportante.

Debidoalasconsideracionesdelcabezaldeentradaestablecidas,elmximodimetrodecaousadocontransicionestipo5es90cm(U.S.BureauofReclamation,1978).

Transiciones de TierraSeusantransicionesdetierraparalograrunatransicindesdeunaseccindecanalhastaunaestructuradecanaldondelasvelocidadesnoexcedende1m/s.Laslongitudesdelastransicionesdetierraestnusualmenterelacionadasconeltamaodelaestructura.Paraestructurasdecao,laslongitudesdeambastransicionesdetierraalaentradayalasalidasonusualmentede3dimetrosounmnimode1,5m.Paraotrasestructuras,laslongitudesdetransicindetierrasongeneralmente1,5mparaestructurasconcapacidadrelativamentepequeay3mparaotrasestructuras.Laspendientesinvertidasnodebernexcederde1:4paraambastransicionesdeentradaysalida.Laslongitudesusadasparatransicionesdetierraconconexinatransicionesdehormigndebenserde3mdelargoolorequeridoporalgunaotraconsideracin,demodoquelaspendientesinvertidasnoexcedenelmximopermitidoparalatransicindehormigntipo1,1:4paraentraday1:6parasalida(U.S.BureauofReclamation,1978).

CALCULOS:Para mejor observacin de como la teoria es aplicada, se desarrollaron los siguientes problemas propuestos por el docente (Ing. Carlos Altamirano)

CONCLUSIONES: Mediante este trabajo se pudo conocer mas acerca del manejo del agua en sus diversas estructuras hidrulicas, teniendo esto como ventaja para poder mirar con mayor cuidado al disear nuestros proyecto. El efecto del agua se manifiesta a travs de la grafica tirante vs energa especifica, de lo cual puedo inferir que el rgimen en donde se encuentre el flujo de agua es muy inportante en el fenmeno que pueda ocurrir, tales como el resalto hidraulico, la rapida, la transicin, etc.Mediante estos ejercicios desarrollados pude aprender a ver como las velocidades del flujo que pueda discurrir en un canal abierto no deben ser ni tan lentas como para la presencia de los sedimentos ni tan rpida como para erosionar a la estructura.

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Mximo Villn Bjar, Hidraulica de Canales- Problemas resueltos, 2006

ANEXOS:

Canal de Seccin TrapezoidalQ

Transicin de Entrada Entre Canales

Transicin de Entrada para Sifnes

Transicion de Entrada Para Sifn Invertido