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DISEÑO DE CANALES ESTABLES
Departamento de HidrDepartamento de Hidrááulica, FIC.ulica, FIC.Dr. Constantino DomDr. Constantino Domíínguez Snguez Sááncheznchez
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DISEÑO DE CANALES ESTABLES
PROPOSITO.
• APROVECHAMIENTO HIDRAULICO EN ZONAS DE RIEGO, CONTROL DE INUNDACIONES.
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.
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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)
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DISEÑO DE CANALES ESTABLES ELEMENTOS GEOMETRICOS
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DISEÑO DE CANALES ESTABLESPRINCIPIO 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 COHESIVOSFw PesoFB FlotaciónFL SustentaciónFD ArrastreFR ResistenteATERIALES COHESIVOSCohesión
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gDDw
s
−11.0
γγ
ν
( )DSRws
hs
γγγτ−
=*
Donde:
τ* Parámetro de Shields
νhRUR *
* =
DISEÑO DE CANALES ESTABLES
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GRAFICA DE SHIELDS
PARAMETRO DE SHIELDS
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ESFUERZO CORTANTE DIAGRAMA DE ESFURZOS EN LOS CONTORNOS DEL CANAL
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ESFUERZO CORTANTE CRITICO
SUELOS GRANULARES
HENDERSON 1966
MAZA et al 1981
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ESFUERZOCORTANTE CRITICO
SUELOS COHESIVOS
Bureau ofReclamation
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VELOCIDAD MEDIA CRITICA SUELOS GRANULARES:
• Goncharov, Neill y Garde, Maza y García proponen
15.035.02/171.4 hc RDU ∆=
15.035.005.6 hc RDU =
• Si ∆ = 1.65
• PARA 0.1 mm < D < 400 mm, D = Dm
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VELOCIDAD MEDIA PERMISIBLE
SUELOS NO COHESIVOS
Lischtvan-LevedievMaza et al. 1981
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VELOCIDAD MEDIA PERMISIBLE SUELOS COHESIVOS
Lischtvan-Levediev Maza et al. 1981
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TALUD Y ANGULO DE INCLINACION
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ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL
UTILIZAR D50
α < φ
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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
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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.
φαα
φα
ττ
2
2
2
2
tantan1cos1 −=−==
sensenK
CO
CT
PARA SUELOS COHESIVOS K = 1
DONDE:
τCT ESFUERZO CRITICO EN EL TALUD (Kg/m2)
τCO ESFUERZO CRITICO EN EL FONDO (Kg/m2)
α ANGULO DE INCLINACION DEL TALUD
Φ ANGULO DE REPOSO DEL MATERIAL
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ESFUERZO CORTANTE MAXIMO DEL FLUJO
COwOo SdE τγτ ==
DONDE:
τt ESFUERZO MAXIMO EN EL TALUD (Kg/m2)
τO ESFUERZO MAXIMO EN EL FONDO (Kg/m2)
EO, Et COEFICIENTES DE DISTRIBUCION
ctwtt SdE τγτ ==
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COEFICIENTE DE DISTRIBUCION EO
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COEFICIENTE DE DISTRIBUCION Et
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ANCHO DE PLANTILLA Y PROFUNDIDAD DEL FLUJO
Xdb=
mh P
AR =
21
32
SRnAQ h=
DONDE:
n COEFICIENTE DE RUGOSIDAD SEGÚN MANNING
A PARTIR DEL RADIO HIDRAULICO Y DE LA RELACION ANCHO-PROFUNDIDAD DEL FLUJO.
EL CAUDAL QUE TRANSPORTADO
21
61
50Dn =26
61
90Dn =39
61
75Dn =
AxDR
UQ
=
65*
27.12log75.5 SgRU h=*
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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.
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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
8.32 m
1.04 m 2
1
12.48 m
Φ Zc Zp b/d α K
PARAMETRO PARA EL
DIAGRAMA SHIELDS
τ* τco τct PROFUNDIDAD DEL FLUJO
ANCHO PLANTILLA
bAREA PERIMETRO
MOJADO
RADIO HIDRAULICO
Rhn GASTO
ANCHO SUPERFICIE LIBRE AGUA
grad grad LANE kg/m2 kg/m2 Eo Et m m2 m m m3/s m
34 1.48 2.00 8.00 26.57 0.60 11568.66 0.06 2.03 1.22 0.99 0.78 1.04 8.32 10.81 12.97 0.83 0.025 14.93 12.48
COEFICIENTE DE DISTRIBUCION
RESULTADOS
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METODO DE LA VELOCIDAD MEDIA CRITICA
UUC =
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.
=
50* 211.11log75.5
DR
UU hY LA VELOCIDA MEDIA
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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 LAPROFUNDIDAD DEL FLUJO, A PARTIR DEL SISTEMA DE ECUACIONES PARA LA AREA Y PERIMETRO MOJADO.
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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
6.58 m
1.12 m 2
1
11.05 m
RESULTADOS
ANGULO REPOSO
Φ
TALUD CALCULADO
Zc
TALUD SELECCIONADO
Zp
ANGULO INCLINACION
TALUD (α)
RADIO HIDRAULICO
Rh
VELOCIDAD MEDIA
CRITICA
VELOCIDAD MEDIA AREA PERIMETRO
MOJADO n PROFUNDIDAD DEL FLUJO
ANCHO PLANTILLA b
ANCHO SUPERFICIE LIBRE AGUA
grad grad m m/s m/s m2 m m m
34 1.48 2.00 26.57 0.85 1.52 1.52 9.84 11.57 0.025 1.12 6.58 11.05
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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:
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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 LAPROFUNDIDAD DEL FLUJO CON LAS EXPRESIONES DE LA TABLA ANTERIOR.
• LA PROFUNDIDAD DEL FLUJO CALCULADA DEBERA SER APROXIMADAMENTE IGUAL AL VALOR SUPUESTO.
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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
11.18 m
0.89 m 2
1
14.74 m
RESULTADOS
ANGULO REPOSO
Φ
TALUD CALCULADO
Zc
TALUD SELECCIONADO
Zp
ANGULO INCLINACION
TALUD (α)
PROFUNDIDAD DEL FLUJO
VELOCIDAD PERMISIBLE
RADIO HIDRAULICO AREA PERIMETRO
MOJADO n PROFUNDIDAD DEL FLUJO
ANCHO PLANTILLA b
ANCHO SUPERFICIE LIBRE AGUA
grad grad m m/s m m2 m m m m
34 1.48 2.00 26.57 0.90 1.30 0.76 11.54 15.16 0.025 0.89 11.18 14.74
![Page 30: PPT - DISENO DE CANALES ESTABLES.pdf](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022050723/55cf9ce7550346d033ab7c3e/html5/thumbnails/30.jpg)
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.
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PRACTICA