diseÑo de un sistema de conduccion abierta (canales y sus obras de arte)
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HIDRÁULICA APLICADA CIV- 232
UNIVERSIDAD MAYOR REAL Y PONTIFICIA DE
SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
“DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONDUCCIÓN ABIERTA”
MATERIA : “HIDRAULICA APLICADA”
SIGLA : CIV-232
INTEGRANTES : CUIZA SANDOVAL CRISTIAN
QUISPE GONZALES MARCO ANTONIO
SANGUINO GARCIA HUBER
FECHA DE PRESENTACIÓN : MIERCOLES, 20 DE JUNIO del 2012
SUCRE-BOLIVIA
HIDRÁULICA APLICADA CIV- 232
DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONDUCCIÓN ABIERTA
GENERALIDADES
A lo largo del tiempo la necesidad del hombre de que llueva en su debida oportunidad para la
realización de sus cultivos, trajo muchas ideas de como poder aprovechar los recursos hídricos de
los ríos, quebrados o manantiales cercanos a la zona de cultivos, una de estas fue el diseño de
sistemas de conducción abierta (canales), quizás muy rústicos para épocas antiguas pero con el pasar
de los años el sistema fue mejorando bastante para la mejor conducción, el mejor aprovechamiento,
etc.
Objetivo general
Diseñar un sistema de conducción abierta que sea técnicamente viable, socialmente aceptable,
económicamente rentable y ecológicamente sostenible.
Objetivos específicos
Analizar los fundamentos teóricos para el diseño de sistemas de riego.
Estudiar la zona de aplicación del proyecto.
Analizar el funcionamiento y los beneficios del sistema de riego a los beneficiarios.
Determinar las soluciones técnicas apropiadas para el funcionamiento óptimo de todas las
estructuras de la conducción.
HIDRÁULICA APLICADA CIV- 232
CAPÍTULO 1. TOPOGRAFÍA
Topografía para el proyecto
El presente proyecto de conducción abierta se realizara en la provincia Tomina, la misma que se
encuentra ubicada en el departamento de Chuquisaca, es una zona montañosa de topografía
accidentada además de ser una zona rocosa lo cual es apta para una buena fundación del canal pero
la excavación eleva los costos.
Levantamientos topográficos
La topografía representa a la medición de la superficie de la tierra utilizando la geodesia
representando con la cartografía.
En cuanto se refiere a los planos topográficos de la zona del proyecto, estos fueron facilitados por el
docente encargado de la materia.
Topografía de la conducción
Por ser una zona rocosa, se tratara de hacer las excavaciones menos profundas que sea posible, para
esto se alargara el canal y tener una pendiente adecuado para la solera del canal.
Para tener un equilibrio entre la excavación rellenos, si sería necesario, se realizara el diseño del
canal con los datos de demanda y se podrá obtener la pendiente que nos relacione estos resultados.
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CAPÍTULO 2. TRAZADO DE LA CONDUCCIÓN
Alternativas de trazado
Para el trazado en planta del proyecto de conducción abierta, se propuso dos alternativas de trazado
horizontal de los cuales se escogió uno, el más optimo, previamente analizando detalladamente cada
una de las alternativas.
Trazado de la conducción
El trazado de la conducción se la realizo mediante el programa AutoCAD, siguiendo normas de
diseño de canales, como por ejemplo manteniendo una baja pendiente esta se logro siguiendo una
curva de nivel de la misma altura para lograr que el número de Froude sea menor a 1 y así lograr un
flujo subcritico.
Perfil longitudinal de la conducción
El perfil longitudinal de la conducción se la realizo con el programa Civil 3D.
Progresivas
Al igual que el perfil longitudinal las progresivas se las realizo con el software Civil 3D.
Ubicación de las obras de arte
Las obras de arte estarán ubicadas en zonas donde no se puede por ningún motivo lograr las
condiciones de flujo aceptables para conducción abierta como por ejemplo en zonas de depresiones
muy profundas y largas, en cruces de ríos, en paso de quebradas, etc.
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CAPÍTULO 3. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONDUCCIÓN ABIERTA
Emplazamiento de la obra de toma
El emplazamiento se lo realizo en la cota 1590 msnm, la misma que fue un dato facilitado por el
docente de la clase.
Una captación lateral es conveniente cuando la fuente de aprovechamiento tiene un caudal
relativamente grande. En cuanto a la selección del sitio de la obra, se puede recomendar que la
estructura quede a una altura conveniente sobre el fondo, ubicada al final de las curvas y en la
margen exterior y en lugares protegidos de la erosión y socavación.
Para asegurar un nivel mínimo de las aguas se debe proyectar un muro normal o inclinado respecto a
la dirección de la corriente, además de muros laterales para proteger y acondicionar la entrada del
agua al conducto, para colocar los dispositivos necesarios para regular el flujo o impedir la entrada
de materiales indeseables.
Tipo de obra de toma
De acuerdo a las condiciones topográficas de la zona de emplazamiento, se opto por diseñar un azud
tipo perfil Creager.
Diseño de la Obra de Toma
Azud Perfil Creager
Datos:
Tirante de agua sobre la Cresta en crecida H=5.18 m (HEC-RAS)
Velocidad en la sección en crecida v = 4.98 m/s (HEC-RAS)
Longitud de la Cresta L= 11 m
Coeficiente de descarga C=2.20 m
Altura del Vertedor P=0.70m
Talud Aguas Arriba Vertical
Peso especifico del HºAº 2.4 Ton/m3
Tirante aguas abajo (rio) Ynaa=0.20 m
Lecho del rio Arenoso
HIDRÁULICA APLICADA CIV- 232
DISEÑO
Vertical K=2 n=1.850
La ecuación será:
X Y
0.0 0.000
0.2 0.007
0.4 0.026
0.6 0.053
0.8 0.090
1.0 0.134
1.2 0.186
1.4 0.246
1.6 0.313
1.8 0.386
2.0 0.467
2.2 0.554
2.4 0.648
2.6 0.749
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Carga He de Diseño
Capacidad del vertedor de excedencias
Calculo de la longitud del colchón disipador de energía.
Tirante conjugado Y2
Luego:
La profundidad del colchón será:
–
Longitud de recorrido del agua
OK!!!
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CALCULO ESTRUCTURAL DEL AZUD
Empuje del agua
Supresión
Sedimentos
Peso propio
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La estabilidad al vuelco
La estabilidad al deslizamiento
Diseño de obra de toma lateral
Diseño hidráulico
La función de la rejilla será de retener el material grueso que quiere entrar hacia la conducción
generalmente material de diámetro mayor a 1” . Para facilidad de construcción las barras de la reja
se llevaran hasta la parte superior de la cámara de derivación. El vertedero lateral de la bocatoma se
calculará como vertedero frontal de cresta rectangular, teniendo en cuenta algunas consideraciones y
se puede chequear con una de las expresiones utilizadas para vertedor lateral.
Entrada de agua por la rejilla: vertedero cresta rectangular, utilizando la expresión de Francis
tenemos:
Donde:
Q= caudal a captar (m3/seg)
Le=Longitus efectiva del vertedor (m)
H=Carga sobre la cresta del vertedor (m)
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Pérdidas en la rejilla
Diferentes ecuaciones experimentales dan estas pérdidas en función de la velocidad de
aproximación y como esta es prácticamente nula a través de la rejilla, obtendremos una perdidas
muy pequeñas.
De acuerdo a lo anterior, es posible acogerse a la experiencia común de los diseñadores que
recomiendan para el caso una perdida mínima de 6 cm.
Diseño de la rejilla
Espaciamiento
TIPO DE REJILLA ABERTURA (cm)
Rejillas gruesas
Rejillas comunes
Rejillas finas
4 a 10
2 a 4
1 a 2
Perdida de carga
Asumimos: hr = 6 cm
Nivel de agua dentro de la caja
Caudal a flujo libre
Longitud efectiva del vertedor
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El número de espacios
El número de barras
Longitud total de la rejilla
La altura mínima de la regilla
Dimensiones finales de la regilla
(Acero) espesor de barras
Separación de
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Tipo de conducción
El tipo de conducción adoptado fue de una sección rectangular, debido a las muchas facilidades que
presenta este tipo de conducción, como por ejemplo el fácil encofrado de la sección y su facilidad de
conducción, además de sus ventajas de construcción.
Estructuras básicas de conducción
Entre las estructuras básicas de conducción tenemos:
Los canales propiamente dichos
Los vertedores laterales
Los desarenadores
Las transiciones
Estructuras especiales de conducción
Entre las estructuras especiales de conducción tenemos:
Rápidas lisas
DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS BÁSICAS DE CONDUCCIÓN
Diseño hidráulico de los canales propiamente dichos
La pendiente que se da a un determinado tramo de un canal depende del tipo de flujo que uno quiere
generar, este oscila entre los valores mínimos y valores máximos para evitar la sedimentación,
crecimiento de algas y evitar la erosión de solera, paredes laterales respectivamente.
La sección transversal de un canal por lo general en el diseño se aplica secciones rectangulares y en
casos excepcionales como en roca se diseñan secciones irregulares, la sección rectangular favorece
en los siguientes casos:
En caso de proteger el canal mediante tapas o rejillas, ya que disminuye el ancho.
En caso de espacio reducido como por ejemplo: en laderas, canales que pasen por un camino
o casa.
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La capacidad de conducción o transporte (k):
Relación de sección optima (b/y): Para cualquier sección
Control de diseño:
Numero de froude
Dónde:
A= área de la sección transversal (m2)
T= Ancho del espejo de agua (m)
Velocidad critica
Dónde:
Ac= Área hidráulica para flujo critico
Tc= Ancho del espejo a agua para flujo critico
Fuerza tractiva
Dónde:
Τ=Fuerza Tractiva (N/m2)
y= tirante de agua sobre el nivel de la solera (m)
S= pendiente de la solera (m/m)
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El bordo libre: (bordo libre mínimo de 20 cm)
Una vez determinado el tirante máximo, se añade una altura adicional por motivos de seguridad al
bordo determinado, conocido como bordo libre. Esto previene rebalses ocasionados por oleaje de
viento, cambios en el tirante ocasionado por obstáculos o variaciones excepcionales de caudal.
Inclusive puede evitar rebalses originados por mal diseño (rugosidad subestimada) o en la
construcción (replanteo incorrecto de la pendiente). Es recomendable un bordo libre mínimo de 20
cm.
Para canales pequeños
Para canales grandes
Canales en curvas
Cuando un canal pasa por una curva, la fuerza centrífuga puede ocasionar un rebalse en el lado
exterior del canal que podría comprometer la estabilidad del canal, especialmente en laderas por lo
que se deberá tomar previsiones en el bordo libre exterior.
Diseño hidráulico de las transiciones
La longitud de la transición:
Dónde:
Lt= Longitud de transición (m)
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B= Ancho del canal mayor (m)
b= Ancho del canal menor (m)
Diseño hidráulico de los desarenadores
Velocidad de escurrimiento
La altura de la cámara de sedimentación
Verificación:
La velocidad de sedimentación (se obtendrá de tablas)
El tiempo de retención
La longitud de la cámara
La longitud de transición de entrada
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Dónde:
Vd= velocidad de escurrimiento (cm/seg)
D= diámetro de la partícula a decantar (mm)
a=coeficiente que depende del tamaño de la partícula a decantar
ts=tiempo de retención (seg)
Hcam=altura de la cámara (m)
bcam=ancho de la cámara (m)
K= coeficiente de seguridad para desarenadores de baja velocidad
B=ancho del espejo de agua en la cámara (m)
b= ancho del espejo de agua en el canal de entrada (m)
Diseño hidráulico de los vertedores laterales
El diseño hidráulico de un vertedero consiste en determinar la altura de la cresta del vertedero dada
una cierta longitud, o bien calcular la longitud del vertedero lateral para que derive un caudal
determinado.
El tirante antes del vertedor
Verificación del flujo antes del vertedor
El tirante después del vertedor
HIDRÁULICA APLICADA CIV- 232
Verificación del flujo después del vertedor
El tirante abatido al inicio del vertedor
la altura de la cresta (conocida L)
Donde:
QAA=caudal aguas arriba del vertedor (m3/seg)
Qaa=caudal aguas abajo del vertedor (m3/seg)
Qv=caudal de evacuación del vertedor (m3/seg)
Hv= altura de la cresta medida desde el piso del canal (m)
Cd=coeficiente de descarga del vertedor, en función al tipo de cresta
Cd=1.84 para cresta aguda
Cd=1.90 para cresta de borde rectangular (mas común)
Cd=2.00 para perfil Creager
L=longitud de la cresta (m)
DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS ESPECIALES DE CONDUCCIÓN
Rápidas inclinadas
Componentes
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Transición de entrada
Es la estructura que de forma gradual cambia la sección del canal para hacerla coincidir con las
dimensiones de la sección de control, evitando la formación de remolinos y flujo inestable en el
canal.
Sección de control
Es la sección donde la conducción aumenta bruscamente su pendiente. Aquí las condiciones de flujo
son de régimen crítico, y se intenta disminuir las altas velocidades en la entrada a la rápida. Sirve
también para darle al flujo un ingreso adecuado a la rápida.
Canal de la rápida
Es el tramo comprendido entre la sección de control y el colchón disipador. La pendiente de sus
tramos se adecua a las condiciones topográficas del terreno, pero evitando reducciones de la
pendiente. El régimen de flujo es la rápida en supercrítico y la superficie del agua sigue una curva
que se acerca asintóticamente al tirante normal.
Colchón disipador
Se ubica en el extremo inferior del canal de la rápida. Es la estructura que absorbe el exceso de
energía cinética generada en la rápida mediante la reducción de la velocidad del agua en una poza de
disipación. En el colchón, el régimen del flujo pasa de supercrítico a subcrítico mediante un resalto
hidráulico. La salida del colchón debe ser una rampa con una pendiente entre 2:1 o más tendida
para permitir la auto limpieza del colchón. Eso evita la acumulación de arena, grava, ramas y
deshechos.
Transición de salida
Cambia la forma gradual la sección del colchón disipador para hacerla coincidir con las dimensiones
del canal de salida. Conviene incluir la transición en el mismo colchón para incrementar los efectos
de la disipación mediante ensanchamiento y ayudar a conseguir un tirante conjugado de menor
elevación.
Diseño hidráulico de rápidas inclinadas
HIDRÁULICA APLICADA CIV- 232
El tirante y la velocidad al pie de la rápida
Dimensiones del colchón
Los tirantes conjugados
La profundidad del colchón
La profundidad del colchón
El bordo libre de la rápida
La ecuación de la energía a nivel del piso del colchón:
Reemplazando estos valores en la ecuación de la energía (1):
HIDRÁULICA APLICADA CIV- 232
Conclusiones
Se logró un diseño satisfactorio, con estructuras técnicamente viables, tomando en cuenta los
principios de la hidráulica, cuyo diseño está detallado en los planos.
La topografía es bastante accidentada por lo que se optó por el diseño de „rápidas‟ para garantizar un
flujo que no dañe los canales, por lo tanto garantizar la vida útil del proyecto.
Se utilizó un software de apoyo (HEC-RAS) para hacer la simulación del flujo del rio, con el cual
obtuvimos los tirantes tanto en época de estiaje, como en crecidas, la última nos dio un tirante de
5.18 m considerando una obstrucción del azud de 0.70 m de altura sobre el rio. Se diseño el azud
con un tirante de 5.18 m con el cual se obtuvo grandes dimensiones para los elementos del mismo.
Bibliografía consultada y utilizada
MEDINACELLI Sergio, “Diseño final de un sistema de riego para la población de Camblaya”
GARCIA Velez Jose Luis, “Diseño Hidraulico de estructuras”
MSc. Ing. GUZMAN Bedoya Normando, “Hidraulica Aplicada”
Muchas Páginas web relacionadas a la materia
ANEXOS
Planta general del proyecto
Planta y perfiles de la conducción
Planta de la obra de toma
Plano de detalles constructivos
Planillas de cálculo y/o software utilizado
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