DISEÑO DE CANALES ESTABLES

DISEÑO DE CANALES ESTABLES Departamento de Hidráulica, FIC. Dr. Constantino Domínguez Sánchez DISEÑO DE CANALES ESTABLES PROPOSITO. • APROVECHAMIENTO INUNDACIONES. HIDRAULICO EN ZONAS DEFINICION. • CANAL EXCAVADO EN TIERRA SIN REVESTIR. CARACTERISTICAS • CONDUCIR AGUA. • CONTORNOS NO EROSIONABLES. • NO SE PRESENTAN DEPOSITOS DE SEDIMENTO. CLASIFICACION. • CANALES SIN ARRASTRE • CANALES CON ARRASTRE O CANALES ALUVIALES. DE RIEGO, CONTROL DE DISEÑO DE CANALES ESTABLES ANTECEDENTES. • BRITÁNICOS (XIX Y XX), KENNEDY 1895, LINDLEY, LACEY, LANE, INGLIS, BLENCH Y OTROS (TEORÍA RÉGIMEN), 1963 SIMONS Y ALBERTSON, 1967 ENGELUN Y HANSEN, 1978 MAZA Y GARCÍA, 1980 CHANG, 1990 STEVENS Y NORDIN T. RÉGIMEN MODIFICADA. VARIABLES DE DISEÑO • FLUJO (Q, QS, C, S, ETC..) • SEDIMENTOS (Dm, D50, D75, D84, D90, γS, Etc.) • FLUIDO (γW ,ν ,ρ) • GEOMETRIA DEL CANAL ( Ah, Pm, Rh, d) DISEÑO DE CANALES ESTABLES ELEMENTOS GEOMETRICOS DISEÑO DE CANALES ESTABLES PRINCIPIO FUNDAMENTAL. • FUERZAS EROSIVAS MENORES QUE LAS FUERZAS RESISTENTES. INICIO DEL MOVIMIENTO • ESFUERZO CORTANTE CRITICO. • VELOCIDAD MEDIA CRITICA AMBAS SON FUNCION DEL TIPO DE MATERIAL Y DEL EQUILIBRIO DE FUERZAS. MATERIALES NO COHESIVOS Fw Peso FB Flotación FL Sustentación FD Arrastre FR Resistente ATERIALES COHESIVOS Cohesión DISEÑO DE CANALES ESTABLES γ s Rh S τ* = (γ s − γ w )D ν D  γ 0.1 s −1 gD γw  R* = Donde: τ* Parámetro de Shields ν U * Rh PARAMETRO DE SHIELDS GRAFICA DE SHIELDS ESFUERZO CORTANTE DIAGRAMA DE ESFURZOS EN LOS CONTORNOS DEL CANAL ESFUERZO CORTANTE CRITICO SUELOS GRANULARES HENDERSON 1966 MAZA et al 1981 ESFUERZOCORTANTE CRITICO SUELOS COHESIVOS Bureau of Reclamation VELOCIDAD MEDIA CRITICA SUELOS GRANULARES: • Goncharov, Neill y Garde, Maza y García proponen U c = 4.71∆ D 1/ 2 • Si ∆ = 1.65 • PARA U c = 6.05D 0.35 0.35 0.1 mm < D < 400 mm, D = Dm 0.15 h R 0.15 h R VELOCIDAD MEDIA PERMISIBLE SUELOS NO COHESIVOS LischtvanLevediev Maza et al. 1981 VELOCIDAD MEDIA PERMISIBLE SUELOS COHESIVOS Lischtvan-Levediev Maza et al. 1981 TALUD Y ANGULO DE INCLINACION ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL UTILIZAR D50 α<φ METODO DEL ESFUERZO CORTANTE • TAMBIEN CONOCIDO COMO MÉTODO DE LA FUERZA TRACTIVA (LANE, 1953) • SE BASA EN EL ESFUERZO CORTANTE QUE PROVOCA EL FLUJO (MARGENES Y FONDO) Y EN EL ESFUERZO CORTANTE CRITICO QUE RESISTEN LOS MATERIALES QUE LO CONFORMAN. • HAY EROSIÓN SI LA RESULTANTE DE LAS FUERZAS ACTUANTES ES MAYOR QUE LA RESULTANTE DE LAS FUERZAS RESISTENTES. DE OTRA MANERA EL CANAL ES ESTABLE. DATOS DE ENTRADA • GASTO DE DISEÑO • TIPO DE MATERIAL • PENDIENTE ESFUERZO CORTANTE CRITICO EN EL TALUD ESFUERZO CORTANTE CRITICO EN EL TALUD A PARTIR DEL ESFUERZO CRITICO EN EL LECHO Y EL FACTOR DE LANE. τ CT sen 2α tan 2 α K= = 1− = cos α 1 − 2 τ CO sen φ tan 2 φ PARA SUELOS COHESIVOS K = 1 DONDE: τCT τCO ESFUERZO CRITICO EN EL TALUD (Kg/m2) ESFUERZO CRITICO EN EL FONDO (Kg/m2) α ANGULO DE INCLINACION DEL TALUD Φ ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL ESFUERZO CORTANTE MAXIMO DEL FLUJO τ o = EOγ w d S = τ CO τ t = Et γ w d S = τ ct DONDE: τt τO EO, Et ESFUERZO MAXIMO EN EL TALUD (Kg/m2) ESFUERZO MAXIMO EN EL FONDO (Kg/m2) COEFICIENTES DE DISTRIBUCION COEFICIENTE DE DISTRIBUCION EO COEFICIENTE DE DISTRIBUCION Et ANCHO DE PLANTILLA Y PROFUNDIDAD DEL FLUJO A PARTIR DEL RADIO HIDRAULICO Y DE LA RELACION ANCHO-PROFUNDIDAD DEL FLUJO. b =X d A Rh = Pm EL CAUDAL QUE TRANSPORTADO A Q = Rh3 S 2 n 2 1 1 6 90 D n= 26  Q R = 5.75 log12.27 U* D65   x  A  1 6 50 D n= 21 n D n= 39 U * = gRh S DONDE: COEFICIENTE DE RUGOSIDAD SEGÚN MANNING 1 6 75 Método del Esfuerzo Cortante SECUENCIA DE CALCULO. • SELECCIONAR LA SECCION TRANSVERSAL DEL CANAL. • SELECCIONAR UN TALUD PARA EL CANAL. • ENCONTRAR EL ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL. • VERIFICAR QUE EL ANGULO DE INCLINACION DEL TALUD SEA MENOR O IGUAL QUE EL ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL. • DETERMINAR EL ESFUERZO CORTANTE CRITICO EN EL FONDO Y EL ESFUERZO CORTANTE CRITICO EN EL TALUD. • OBTENER EL ESFUERZO MAXIMO EN EL FONDO Y EL ESFUERZO MAXIMO EN EL TALUD. • OBTENER LA PROFUNDIDAD DEL FLUJO EN EL CANAL. • ENCONTRAR EL ANCHO DE LA PLANTILLA DE LA SECCION DEL CANAL Y EL RADIO HIDRAULICO. • ENCONTRAR EL CAUDAL TRANSPORTADO. Ejemplo DETERMINAR LAS CARACTERISTICAS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL EXCAVADO EN TIERRA SIN REVESTIR, SEGÚN LOS DATOS SIGUIENTES. Q=15 m3/s, D50=20.1 mm, S=0.0015, γS =2680 kg/m3, γW = 1000 kg/m3, ν =1 E 10-06 m2/s RESULTADOS Φ Zc Zp b/d grad 34 1.48 2.00 8.00 α K grad LANE 26.57 0.60 PARAMETRO PARA EL DIAGRAMA SHIELDS 11568.66 τ* 0.06 ANCHO COEFICIENTE DE PROFUNDIDAD PLANTILLA DISTRIBUCION DEL FLUJO b τco τct kg/m2 kg/m2 Eo Et m 2.03 1.22 0.99 0.78 1.04 8.32 AREA RADIO PERIMETRO HIDRAULICO MOJADO Rh m2 m m 10.81 12.97 0.83 n 0.025 GASTO ANCHO SUPERFICIE LIBRE AGUA m3/s m 14.93 12.48 12.48 m 1 1.04 m 2 8.32 m METODO DE LA VELOCIDAD MEDIA CRITICA EL METODO SE FUNDAMENTA EN DOS CONCEPTOS BASICOS: • VELOCIDAD MEDIA CRITICA Y. • VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO. PRINCIPIO • LA VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO MENOR QUE LA VELOCIDAD MEDIA CRITICA. • EL PLANTEAMIENTO ES DETERMINAR LA VELOCIDAD MEDIA CRÍTICA EN FUNCIÓN DEL MATERIAL DEL CANAL POR ALGUNO DE LOS CRITERIOS DESCRITOS E IGUALRLA CON OTRA DE RESISTENCIA AL FLUJO. UC = U Y LA VELOCIDA MEDIA  Rh  U   = 5.75 log11.11 U* 2 D50   Método de la Velocidad Media Crítica SECUENCIA DE CALCULO. • SELECCIONAR LA SECCION TRANSVERSAL DEL CANAL. • SELECCIONAR UN TALUD PARA EL CANAL. • ENCONTRAR EL ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL. • VERIFICAR QUE EL ANGULO DE INCLINACION DEL TALUD SEA MENOR O IGUAL QUE EL ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL. • IGUALAR LA ECUACION DE LA VELOCIDAD MEDIA CRITICA CON LA VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO. • OBTENER EL VALOR DEL RADIO HIDRAULICO DEL CANAL A PARTIR DE LA IGUALACION ANTERIOR. • DETERMINAR LA MAGNITUD DE LA VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO. • DETERMINAR LA MAGNITUD DE LA AREA HIDRAULICA Y EL PERIMETRO MOJADO DE LA SECCION DEL CANAL. • ENCONTRAR EL ANCHO DE LA PLANTILLA DE LA SECCION DEL CANAL Y LA PROFUNDIDAD DEL FLUJO, A PARTIR DEL SISTEMA DE ECUACIONES PARA LA AREA Y PERIMETRO MOJADO. Ejemplo DETERMINAR LAS CARACTERISTICAS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL EXCAVADO EN TIERRA SIN REVESTIR, SEGÚN LOS DATOS SIGUIENTES. Q=15 m3/s, D50=20.1 mm, S=0.0015, γS =2680 kg/m3, γW = 1000 kg/m3, ν =1 E 10-06 m2/s RESULTADOS VELOCIDAD RADIO ANGULO TALUD TALUD ANGULO MEDIA REPOSO CALCULADO SELECCIONADO INCLINACION HIDRAULICO CRITICA Rh TALUD (α) Zp Zc Φ grad 34 1.48 2.00 VELOCIDAD MEDIA AREA PERIMETRO MOJADO grad m m/s m/s m2 m 26.57 0.85 1.52 1.52 9.84 11.57 n ANCHO PROFUNDIDAD ANCHO SUPERFICIE DEL FLUJO PLANTILLA b LIBRE AGUA m 0.025 1.12 m 6.58 11.05 11.05 m 1 1.12 m 2 6.58 m METODO DE LA VELOCIDAD MEDIA PERMISIBLE EL METODO SE FUNDAMENTA EN DOS CONCEPTOS BASICOS: • VELOCIDAD MEDIA PERMISIBLE Y. • VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO. PRINCIPIO • LA VELOCIDAD MEDIA DEL FLUJO PARA EL GASTO DE DISEÑO NO DEBE SER MAYOR QUE LA VELOCIDAD PERMISIBLE. • EL PLANTEAMIENTO ES DETERMINAR LA LAS CARACTERISTICAS DE LA SECCION TRANSVERSAL DEL CANAL A PARTIR DE LA VELOCIDAD PERMISIBLE Y SEGÚN LO SIGUIENTE: Método de la Velocidad Media Permisible SECUENCIA DE CALCULO. • SELECCIONAR LA SECCION TRANSVERSAL DEL CANAL. • SELECCIONAR UN TALUD PARA EL CANAL. • ENCONTRAR EL ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL. • VERIFICAR QUE EL ANGULO DE INCLINACION DEL TALUD SEA MENOR O IGUAL QUE EL ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL. • ASUMIR UN VALOR PARA LA VELOCIDAD PERMISIBLE SUPONIENDO UN VALOR PARA LA PROFUNDIDAD DEL FLUJO. • OBTENER EL VALOR DEL RADIO HIDRAULICO DEL CANAL. •DETERMINAR LA MAGNITUD DE LA AREA HIDRAULICA Y EL PERIMETRO MOJADO DE LA SECCION DEL CANAL. • ENCONTRAR EL ANCHO DE LA PLANTILLA DE LA SECCION DEL CANAL Y LA PROFUNDIDAD DEL FLUJO CON LAS EXPRESIONES DE LA TABLA ANTERIOR. • LA PROFUNDIDAD DEL FLUJO CALCULADA DEBERA SER APROXIMADAMENTE IGUAL AL VALOR SUPUESTO. Ejemplo DETERMINAR LAS CARACTERISTICAS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL EXCAVADO EN TIERRA SIN REVESTIR, SEGÚN LOS DATOS SIGUIENTES. Q=15 m3/s, D50=20.1 mm, S=0.0015, γS =2680 kg/m3, γW = 1000 kg/m3, ν =1 E 10-06 m2/s RESULTADOS ANGULO TALUD TALUD ANGULO PROFUNDIDAD VELOCIDAD RADIO REPOSO CALCULADO SELECCIONADO INCLINACION DEL FLUJO PERMISIBLE HIDRAULICO Φ Zc Zp TALUD (α) grad 34 1.48 2.00 grad m m/s 26.57 0.90 1.30 m 0.76 AREA PERIMETRO MOJADO m2 m 11.54 15.16 n 0.025 PROFUNDIDAD DEL FLUJO ANCHO PLANTILLA b ANCHO SUPERFICIE LIBRE AGUA m m m 0.89 11.18 14.74 14.74 m 1 0.89 m 2 11.18 m DISEÑO DE CANALES ESTABLES EN RESUMEN EL PROBLEMA QUE SE PRETENDE RESOLVER CON EL DISEÑO DE CANALES ESTABLES ES: ENCONTRAR LAS CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL EXCAVADO EN TIERRA, SIN QUE EXISTA EROSION DE LOS CONTORNOS PARA UN CAUDAL O GASTO DE DISEÑO DADO. PRACTICA