DEFINICIONES DE CANALES ABIERTOS Y FLUJO UNIFORME Por: Ing Luis Sandoval Mendoza

HIDRAULICA DE CANALES 1er Semestre de 2015

CANALES: DEFINICIONES Y

PRINCIPIOS BSICOS

DEFINICION

Los canales son conductos en los que el agua circula debido a la accin

de la gravedad y sin ninguna presin, pues la superficie libre del lquido est

en contacto con la atmsfera.

Los canales pueden ser naturales (ros o arroyos) o artificiales

(construidos por el hombre). Dentro de estos ltimos pueden incluirse aquellos

conductos cerrados que trabajan parcialmente llenos (alcantarillas, tuberas)

SECCIONES TRANSVERSALES MAS FRECUENTES

La seccin transversa de un canal natural es generalmente de forma

muy irregular y vara de un lugar a otro. Los canales artificiales usualmente se

disean con formas geomtricas regulares (prismticos), las ms comunes son

las siguientes:

Secciones abiertas

Seccin trapezoidal. Se usa siempre en canales de tierra y en canales revestidos.

Seccin rectangular. Se emplea para acueductos de madera, para canales excavados en roca y para canales revestidos.

Seccin triangular. Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, tambin en canales de tierra pequeos, fundamentalmente por facilidad de trazo.

Tambin se empelan revestidas, como alcantarillas de las carreteras.

Seccin parablica. Se emplea a veces para canales revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos de

tierra.

La figura 1.1 muestra algunas secciones transversales abiertas ms

frecuentes.

FIGURA 1.1. Secciones transversales abiertas ms frecuentes

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ELEMENTOS GEOMTRICOS DE LA SECCIN DE UN

CANAL

Elementos geomtricos de un canal.

El diseo de un canal implica darle valor numrico a las siguientes especificaciones

tcnicas:

Q= caudal en m3/s

v= velocidad media del agua en m/s

S= Pendiente en m/m

n= Coeficiente de rugosidad

Z= talud

b= ancho de solera en m

y= tirante en m

A= rea hidrulica en m2

B.L.= H-y= bordo libre en m

H= Profundidad total desde la corona al fondo del canal en

CANAL VRS TUBERIA

-Presin:

El canal tiene una

superficie libre que est

en contacto con la

atmsfera, mientras que

en la tubera el lquido

est confinado y ejerce

presin sobre el contorno

de ella

-Area transversal:

En los canales el rea de

la seccin transversal no

est predeterminada, es

una variable que depende

de la profundidad y otros

parmetros hidrulicos,

mientras que en la tubera

es constante.

-Movimiento del agua:

En un canal el agua circula

debido a la accin de la

gravedad, mientras que en

una tubera lo hace debido a

la presin ejercida por una

fuente: una bomba o

diferencia de altura

-Rugosidad:

Las tuberas suelen estar

construidas por materiales

de poca rugosidad, como el

concreto, acero, hierro, pvc,

mientras que los canales

pueden tener superficies

lisas como las indicadas, o

muy rugosas como los

canales en la tierra o de

mampostera

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22.3 DISTRIBUCIN DE VELOCIDADES, EN LOS CANALES

La variacin de la velocidad, en las secciones de los canales, viene siendo investigada desde hace mucho

tiempo. Para el estudio de la distribucin de las velocidades se consideran dos secciones.

a) Seccin transversal La resistencia ofrecida por las paredes y por el fondo, reduce la velocidad. En la superficie libre,

la resistencia ofrecida por la atmosfera y por los vientos tambin influye sobre la velocidad. La

velocidad mxima ser encontrada en la vertical (1) (central), en un punto un poco ms debajo de

la superficie libre.

Pueden ser consideradas las curvas isotacas que constituyen el lugar geomtrico de los puntos de

igual velocidad.

b) Seccin longitudinal La figura 22-4 muestra la variacin de velocidad en las verticales (1), (2) y (3) indicadas arriba.

Considerndose la velocidad media en determinada seccin como igual a 1.0, se puede trazar el

diagrama de velocidad con la profundidad (Fig.22-5)

b) La velocidad da los seis decimos de la profundidad, generalmente es la que ms se aproxima a

la velocidad media.

0.6 c) Con mayor aproximacin que la anterior se tiene

0.2 + 0.8

2

d) La velocidad media tambin puede ser obtenida partindose de

0.2 + 0.8 + 0.6

4

Esta ltima expresin es ms precisa. Sobre el tema debe verse en el prrafo 28.17.

+

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Deduccin de la formula

Esta frmula se obtiene del balance de fuerzas, que ocurren en un elemento fluido no sometido

a acciones de aceleracin.

Considerando un tramo de un canal, de longitud L y cualquier seccin como se ilustra en la figura

2.3.

De la figura 2.3, se tiene:

sin =

Como en la prctica, la pendiente en los canales es pequea (

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Adems haciendo:

= (Constante que depende del fluido y de las condiciones de rugosidad de las

Paredes del canal)

Resulta:

2 =

Extrayendo raz cuadrada, se tiene:

=

Haciendo:

=

Se obtiene finalmente:

=

La cual es la frmula de chezy

ECUACIN DE CHEZY

=

Donde:

=velocidad media del flujo

= coeficiente de chezy (depende del material que cubre el fondo y los lados del canal)

= radio hidrulico de la seccin Rh=rea / (Permetro Mojado)

= gradiente de energa igual a la pendiente del cauce H/L

Para el valor del coeficiente de Chezy, Manning propuso una frmula para determinarlo, la cual

es.

=1

1

6 Donde n es un coeficiente de rugosidad llamado coeficiente de Manning que

depende del material que cubre el canal.

Al sustituir en chezy nos queda: =1

23 0

12

Para encontrar el caudal: = =1

23 0

12

En el sistema ingles el factor de multiplicidad cambia a 1.49 (observe que en el sistema

internacional el valor es 1)

= =1.49

23 0

12

tabla 5.1 valores promedio del factor de rugosidad

de Manning para varios materiales de pared

MATERIAL FACTOR n

Madera cepillada 0.012

Madera sin cepillar 0.013

Concreto acabado 0.012

Concreto sin acabado 0.014

Hierro fundido 0.015

Ladrillo 0.016

Acero remachado 0.018

Metal corrugado 0.022

Cascajo 0.025

Tierra 0.025

Tierra con piedras o hierbas 0.035

Grava 0.029

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continuacin de cuadro 2.2

CONDICIONES DE LAS PAREDES

SUPERFICIE PERFECTAS BUENAS

MEDIANAMENTE

BUENAS MALAS

Acueductos semi circulares metlicos, lisos 0.011 0.012 0.013 0.015

acueductos semi circulares metlicos, corrugados 0.0225 0.025 0.0275 0.03

Canales y zanjas

En tierra, alineado y uniformes 0.017 0.020 0.0225 0,025*

En roca, lisos y uniformes 0.025 0.030 0,33* 0.035

En roca, con salines y sinuosos 0.035 0.040 0.45

Sinuosos y de escurrimiento lento 0.0225 0,025* 0.0275 0.030

Dragados en tierra 0.025 0,0275* 0.03 0.033

Con lecho pedregoso y bordes de tierra enhierbados 0.025 0.030 0,035* 0.040

Plantilla de tierra, taludes speros 0.028 0,030* 0,033* 0.035

Corrientes naturales

(1) Limpios, bordos , rectos, llenos sin hendiduras ni

charcos profundos 0.025 0.0275 0.030 0.033

(2) Igual al (i) pero con algo de hierba y piedra 0.03 0.033 0.035 0.040

(3) Sinuoso, algunos charcos y escollos, limpio 0.033 0.035 0.040 0.045

(4) Igual al (3), de poco tirante con pendiente y seccin

menos eficiente 0.04 0.045 0.050 0.055

(5) Igual al (3), algo de hierba y piedras 0.035 0.040 0.045 0.050

(6) Igual al (4), secciones pedregosas 0.045 0.050 0.055 0.060

(7) Rios con tramos lentos, cauce enhierbado o con

charcos profundos 0.05 0.060 0.07 0.080

(8) Playas muy enhierbadas 0.075 0.100 0.125 0.15

cuadro2,2 valores de n dados por Horton, para ser usados en las frmulas de Kutter y de

Manning (tomado de Trueba coronel, Samuel)

CONDICIONES DE LAS PAREDES

SUPERFICIE Perfectas Buenas

Medianamente

buenas Malas

Tubera hierro forjado negro comercial 0.012 0.013 0.014 0.015

Tubera hierro forjado galvanizado comercial 0.013 0.014 0.015 0.017

Tubera de latn o vidrio 0.009 0.010 0.011 0.013

Tubera acero remachado en espiral 0.013 0,015* 0,017*

Tubera de barro vitrificado 0.010 0,013* 0.015 0.017

Tubos comunes de barro para drenaje 0.011 0,012* 0,014* 0.017

Tabique vidriado 0.011 0.012 0,013* 0.015

Tabique con mortero de cemento;

albalaes de tabique 0.012 0.013 0,015* 0.017

Superficie de cemento pulido 0.010 0.011 0.012 0.013

Superficie aplanadas con mortero de

cemento 0.011 0.012 0,013* 0.015

Tuberas de concreto 0.012 0.013 0,015* 0.016

Tuberas de duela 0.010 0.011 0.012 0.013

Acueductos de tabln

Labrado 0.010 0,012* 0.013 0.014

Sin labrar 0.011 0,013* 0.014 0.015

Con asullas 0.012 0,015* 0.016 0.018

Canales revestidos con concreto 0.012 0,014* 0.016 0.03

Superficie de mampostera con cemento 0.017 0.020 0.025 0.035

Superficie de mampostera en seco 0.025 0.030 0.033

(*) valores de uso comn para proyectos

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Por un canal de concreto sin acabado, que mide 3.5 m de ancho, fluye agua, para una profundidad de 2m calcule el caudal del flujo, la pendiente es de 0.1%

Se draga un ro dndole forma de seccin trapezoidal de ancho de solera 1.5 m, relacin de taludes 1:2 excavado en tierra limpia (n=0.022) el caudal medio es 7 m/s. Para evitar la erosin, la velocidad media del flujo no debe sobrepasar los 2 m/s (segn especificaciones). Determine: a) la pendiente mxima (en m/1000m) con la que se puede trazar sin que se erosione.

En una acequia de 1 pie de ancho de solera, talud z de 1.5, se espera que drene un flujo de 10 p/s, determine el tirante normal que se espera alcance el flujo, la pendiente del cauce es de 1pie/1000pie (use n= 0.025).