UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

Hidráulica de Canales

1er Parcial.

Evidencia #1

Diseño de un canal abierto.

Myriam Fernanda Torres Solano

Matrícula: 160055 Grupo: 003

Catedrático:

M.C. David Clemente López Pérez

Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León.

Jueves 17 de septiembre del 2015.

Índice

Introducción………………………………………..……………………….…1

Descripción del problema……………………………………………….......2

Procedimiento……………………………………..…………………………..3

Formulas…………………………………………………………………..……8

Memoria de Cálculos………………………………….................................9

Registro de Resultados……………………………..………………………..11

Conclusiones……………………………………….……………………….…12

Referencias………………………………………………….…………………13

Introducción

Por definición, un canal abierto es un conducto para flujo el cual tiene una

superficie libre, es decir, una de las fronteras está expuesta a la atmosfera. La

superficie libre es una interface entre dos fluidos de diferente densidad. En el caso

de la atmosfera, la densidad del aire es mucho más baja que la densidad de un

líquido como el agua, además la presión es constante.

En el caso de los fluidos en movimiento, este fenómeno es causado generalmente

por efectos gravitacionales y la distribución de presiones en un flujo es

generalmente hidrostática. Los flujos en los canales abiertos son casi siempre

turbulentos y no son afectados por tensión superficial; sin embargo, en muchos

casos de importancia práctica, algunos flujos son de densidad estratificada. El

interés en la mecánica del flujo de canales abiertos radica en su importancia hacia

la civilización. Sin excepción, uno de los requerimientos primarios para el

desarrollo, mantenimiento y avance de la civilización es el suministro de agua.

Las condiciones de flujo en canales abiertos se complican por el hecho de que la

posición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el espacio, y

también por el hecho de que la profundidad de flujo, el caudal y las pendientes del

fondo del canal y de la superficie libre son interdependientes. En canales abiertos

de la superficie varía desde la correspondiente a metales pulidos utilizados en

canaletas de prueba hasta la correspondiente a lechos rugosos e irregulares en

ríos. Además la rugosidad en un canal abierto varia con la posición de la superficie

libre.

Los canales abiertos pueden se clasificados como artificiales o naturales. La

terminología canal natural se refiere a todos los canales que han sido

desarrollados por procesos naturales y que no han tenidos una mejoría

significativa por parte de los humanos. La categoría de canales artificiales incluye

todos los canales que han sido desarrollados por el esfuerzo humano. El canal

artificial por lo general es un canal largo con pendiente suave, construido sobre el

suelo, que puede ser no revestido o revestido con piedras, concretos, cemento,

madera o materiales bituminosos. Dentro de esta categoría están los canales de

navegación, canales de fuerza e irrigación, cunetas y acequias de drenaje.

Las propiedades hidráulicas de estos canales pueden ser controladas hasta un

nivel deseado o diseñadas para cumplir unos requisitos determinados. La

aplicación de las teorías hidráulicas acanales artificiales producirán, por tanto,

resultados bastante similares a las condiciones reales y, por consiguiente, son

razonablemente exactos para propósitos prácticos de diseño.

Descripción del problema.

- Se quiere realizar el proyecto de un canal artificial de forma geométrica,

ubicado en el municipio de Apodaca, Nuevo León. El objetivo es

rediseñar y recubrir de concreto un canal natural cuya longitud se

extiende sobre un terreno natural entre las colonias Lomas del Pedregal

y Real de Apodaca.

o Características del terreno que se busca modificar:

Longitud de sección: 414.71 m

Pendiente promedio: -1.5%

Apodaca es conocida por ser un área plana, sin mucha pendiente.

El nombre del canal es Camino a Charco Blanco.

Procedimiento

1. Ubicación del canal.

Por medio del programa Google Earth y al descargar la ruta que nos fue

asignada pudimos obtener desde la localización hasta la inclinación promedio

de nuestro terreno natural.

Con la localización que nos generó el programa de Google Earth, se procede a

descargar la carta topográfica dentro de la cual se encuentra nuestro proyecto. Por

medio de un mapa digital en que se buscaba el perfil y su extensión se obtuvo el

código de la carta.

Una vez que se encuentra la carta en el catálogo de la Inegi se procede a

descargarla para poder trabajar con ella en los siguientes pasos.

2. Obtención de curvas de nivel.

En el programa Global Mapper, se ingresan las cartas de la inegi, asi como el

vector de nuestra ruta para juntar nuestras curvas de nivel con la ruta.

Una vez georreferenciado nuestro vector con las cartas, se procede a insertar una

imagen exportada de Google Earth para revisar que esta correcta nuestra

localización de nuestros datos.

Obtenemos las curvas de nivel por medio de Global Mapper y se procede a

convertir nuestro documento en formato .DWG para poder trabajar con él en

AutoCAD más adelante.

3. Trazo del perfil y secciones del canal.

Una vez exportados nuestros datos al programa AutoCAD, por medio de las

funciones de CivilCAD se genera una triangulación basada en las curvas de nivel

que obtuvimos en Global Mapper.

Curvas de nivel. 1

Triangulación 1

Una vez obtenida nuestra triangulación, pasamos a poner estaciones en nuestro

perfil con cadenamientos. Una vez obtenidos los cadenamientos, por medio de

Altimetría en CivilCAD, obtenemos nuestro perfil y trazamos la línea de rasante.

Con la línea rasante y el trazo de nuestro canal con sus dimensiones correctas,

podemos realizar los cortes por secciones de nuestro proyecto, procurando que

siempre que sean muchos más cortes que terraplenes. Esto se puede comprobar

con la curva masa que nos proporciona automáticamente AutoCAD al trazar el

proyecto.

Nota: La rasante debe de tener la inclinación que usamos al calcular nuestras

dimensiones del canal para que nuestro perfil sea útil.

Fórmulas utilizadas en cálculos.

Fórmulas generales.

𝑄 = 𝐴𝑉 𝑄 =

𝐴

𝑛𝑅

23𝑆

12

𝑉 =𝑄

𝐴 𝑅ℎ =

𝐴

𝑃

Canal Trapezoidal.

𝐴 = (𝑏 + 𝑘𝑦)𝑦 𝑃 = 𝑏 + 2𝑦√1 + 𝑘2

Canal Rectangular.

𝐴 = 𝑏 ∙ 𝑦 𝑃 = 𝑏 + 2𝑦

Nomenclatura

Q = gasto del canal, en m3/s. A= área hidráulica del canal, en m2.

P= Perímetro mojado del canal, en m. V= velocidad de la corriente del agua, en m/s.

Rh = Radio hidráulico del canal, en m. n = coeficiente de rugosidad de Manning, ad.

S= pendiente promedio del canal, ad. b= base de la sección del canal, en m.

y= tirante hidráulico del canal, en m. k= pendiente del canal, ad.

Memoria de Cálculos.

Por medio de la formulas vistas en el parcial se pudo dimensionar el canal. Hay

muchos métodos para obtener las dimensiones de un canal, pero en este caso se

optó por el siguiente:

1. Se realizó una hoja de cálculo en Excel donde en base a una Y y una B

propuestas se verificaba si el canal era viable para un gasto lógico para

nuestra sección.

Datos.

Q=12.5 m3/s S= 0.022 k= 1 Y= 0.7 m H=0.84 m n=0.017

2. Se procedió a por medio de iteraciones buscar una B que diera un gasto

aproximado al propuesto y se obtuvo lo siguiente para ambos casos

trapecial y rectangular:

3. Finalmente se realizó una comparación de ambos perfiles y se escogió el

más eficiente para este caso.

- Debido a que abarca un gasto mayor con el mismo tirante y base,

además de una velocidad prácticamente igual, se procedió a escoger el

perfil trapezoidal.

4. Obtuvimos el No de Froude para determinar el tipo de flujo en el canal.

𝐷 =𝐴

𝑏 + 2𝑘𝑦= 0.57435

𝐹𝑟 =𝑉2

√𝑔𝐷ℎ

=5.49642

√(9.81 ∗ 0.57435)= 2.31 > 1 → 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑜

Registro de Resultados

Al finalizar los cálculos para darle dimensiones al canal obtenemos lo siguiente:

Con la sección transversal siguiente:

H Y B T AH PH R V Q Fr

0.84 m 0.7 m 2.5 m 4.16 m 2.24 m2 4.47 m 0.50 m 5.496 m/s 12.31m3/s 2.315

Conclusiones

El trazo de un canal depende de muchos factores que si uno falla el perfil que se

está proponiendo puede volverse inútil. Al realizar las iteraciones para la obtención

de la base correcta para nuestro canal, además de evaluarlo en ambos canales,

trapezoidal y rectangular, nos da una idea de cómo funciona la eficiencia en

canales abiertos y como la figura afecta no solo el aprovechamiento de espacio,

sino que, dependiendo del material, puede generar un canal más erosionable o

una velocidad más o menos favorable.

El uso de un canal de geometría trapezoidal fue el más efectivo para mi caso,

pues la velocidad no era más alta que el límite máximo para el concreto, de

manera que el flujo más veloz no erosiona las paredes de mi canal. El uso de

concreto para revestir las paredes es específicamente porque este es el que

aguanta velocidades mayores y de esta manera el área de nuestro canal no tiene

que ser tan alta como para reducir esta velocidad y no tener que adaptarse a un

material más rugoso.

Al comparar mi canal con el de otros pude ver como mi sección por tener una

inclinación más baja, aunque pusiera las mismas dimensiones que otros, mi gasto

siempre iba a ser menor porque mi flujo no tendría el empuje que genera una

pendiente pronunciada. El trazo de curvas de nivel en mi terreno requirió ser más

cerrado debido a que mi terreno tenia variaciones de altura eran muy pequeñas. Al

estar localizado en Apodaca, una zona “plana”, y no en las faldas de un cerro, mi

gasto se volvía varias veces menor que el de alguien con una inclinación de un

cerro.

Por el hecho de que mi canal pasa por debajo de una vialidad, casi en su punto

más bajo, es recomendable agregar un conducto para que los coches sigan

transitando por encima de este tramo.

El área que me era indicada por Google Earth era muy ancha pero no muy alta,

por lo que el tirante y la base tenían que ser muy diferentes para que mi canal

fuese funcional. Al realizarla curva masa se observó que ya aguas abajo, el canal

se incorporaba al nivel mucho más por lo que hay espacios en que será necesario

hacer terraplén. Además, si al final este canal no se continúa con una inclinación

corre el peligro de desbordarse o erosionarse al choque en la parte de abajo, por

lo que es importante no solo cortar el canal con una pared, para evitar fallas.

.

Referencias.

- Título: Hidraulica de Canales

Autor: Ven Te Chow

Editorial: McGraw Hill ; 3ra Ed.

Paginas Consultadas: 1-3, 9-10

- Título: Hidraulica de Canales Abiertos

Autor: French

Editorial: LIMUSA.

Paginas Consultadas: 1