PROYECTO DE HIDRULICA DE CANALES ABIERTOS

INTRODUCCIN

En el gran nmero de estudios que abarca la Ingenieria es muy comn encontrarse con problemas relacionados al cauce de aguas, debido a esto los ingenieros civiles tenemos la obligacin de aplicar los conocimientos adquiridos en los cursos de pregrado resolviendo este tipo de problemas.

Para el desarrollo de esta practica tendremos como base fundamental los temas vistos durante el curso de hidrulica de canales abiertos para poder llegar a realizar el anlisis de calibracin de caudales de un canal por medio de una curva representativa la cual nos permitir observar fcilmente el comportamiento de este canal a diferentes alturas de lamina de agua si el flujo es uniforme.

Para este proyecto se tom como datos dentro de la Universidad Nacional del Altiplano.Al realizar este proyecto se busca obtener informacin sobre la capacidad de carga o caudal que puede transportar el mismo bajo distintos eventos ambientales segn sea el caso de la altura de nivel de agua.OBJETIVOSOBJETIVO GENERAL

Calcular y conocer aspectos que se aplican durante el diseo de un canal de irrigacion, la curva de calibracin para la seccin del canal; para controlar el caudal que pasa por esa seccin a diferentes alturas de lmina de agua.OBJETIVOS ESPECFICOS

Calcular y dibujar la curva de calibracin, calculada a partir de mediciones efectuadas en el canal.

Representar a escala apropiada la seccin a analizar

Objetar sobre las construcciones hidrulicas presentes en nuestra ciudad.

llevar a la vida prctica los conocimientos adquiridos durante el curso de hidrulica, de igual forma otras materias como topografa. OBTENCIN DE DATOS

Equipo Utilizado.

En la presente prctica se har uso de cuatro instrumentos, stos son el taqumetro o teodolito, el nivel, la mira y la huincha, de los cuales se hace referencia a continuacin.

TEODOLITO (MOM 43777) ZENITAL.- Es un instrumento topogrfico que sirve tanto para medir distancias, como ngulos horizontales y verticales con precisin. Esta previsto para fines de triangulaciones pequeas, las poligonaciones, los levantamientos catastrales, los levantamientos de plano acotados y los replanteos; as como tambin para las mediciones en las obras de construccin y en las minas.

El trpode es un instrumento que tiene la particularidad de soportar un equipo de medicin como un taqumetro o nivel, su manejo es sencillo, pues consta de tres patas que pueden ser de madera o de aluminio, las que son regulables para as poder tener un mejor manejo para subir o bajar las patas que se encuentran fijas en el terreno. El plato consta de un tornillo el cual fija el equipo que se va a utilizar para hacer las mediciones.

El tipo de trpode que se utiliz en esta ocasin tiene las siguientes caractersticas:

La mira se puede describir como una regla de cuatro metros de largo, graduada en centmetros y que se pliega en la mitad para mayor comodidad en el transporte. Adems de esto, la mira consta de una burbuja que se usa para asegurar la verticalidad de sta en los puntos del terreno donde se desea efectuar mediciones, lo que es trascendental para la exactitud en las medidas. Tambin consta de dos manillas, generalmente metlicas, que son de gran utilidad para sostenerla.

La wincha que se utilizar ser de fibra o metlica, de cincuenta metros de largo y graduada en milmetros.

INSTRUMENTAL UTILIZADO

Teodolito (MOM- 43777)TripodeNivel de Ingeniero

Wincha Mira de madera.

JalonesBrujula.PROCEDIMIENTO DE MEDICIN

Metodolgico

1. Utilizar los parmetros de fsica aplicada y manejo del agua.

2. Interpretacin de las magnitudes fsicas obtenidas de ensayos de hidrulicos y de riego.

3. Toma de decisiones y evaluacin de la alternativa adoptada en la resolucin de problemas prcticos.

4. Utilizar fuentes de informacin alternativas (grficos, tablas, bacos) para la estimacin e interpretacin de resultados

Para realizar la toma de datos fue necesario emplear los equipos del laboratorio de topografa correspondientes a una nivelacin simple con abscisados.

Nivel de precisin Cinta mtrica.

Mira.

Trpode

Jalones.

PROCESO:

En el Campo:

a. Se realiz un reconocimiento visual para planear la gradiente. Despus de esto se procedi a ubicar puntos para que el canal tenga un rumbo predefinido, y tomar las respectivas lecturas de nivel necesarias para obtener un perfil lo ms aproximadamente posible.

b. Para calcular la pendiente del canal se realizaron lecturas de nivel, a 20 m, y as con estas obtener una pendiente promedio del canal.

En la Oficina: Mediante las lecturas tomadas con el nivel de precisin, se construye la grafica seccin del canal a escala.

Con las lecturas de nivel de cada punto y su distancia se construye su representacin grafica a escala.

Mediante el anlisis de las fotografas de la seccin, y con la ayuda de tablas se toma un valor para el de Manning correspondiente a cada permetro medido.

Como el canal es asimtrico y sus respectivos taludes son distintos, y para obtener valores de rea perpendicular a la lnea de flujo, permetro mojado, ancho superficial, con una muy buena exactitud a diferentes alturas de lamina de agua; se utiliz el programa Auto CAD 2005. Esto con el fin de obtener resultados lo mas exactos posibles.

Caractersticas hidrulicas de la canalizacin:El flujo en canales abiertos puede clasificarse en muchos tipos y describirse de varias maneras, la siguiente clasificacin se hace de acuerdo con el cambio en la profundidad de flujo con respecto al tiempo y al espacio

Flujo permanente y flujo no permanente: tiempo como criterio. Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad de flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideracin.

En la mayor parte de los problemas de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo slo bajo condiciones permanentes.

Para cualquier flujo, el caudal Q es una seccin del canal se expresa por:

Q= V*A

Donde;V= velocidad media m/s

A= rea de la seccin transversal m2El rgimen de flujo de una corriente se clasifica en funcin al nmero de Froude, el cual es la relacin adimensional entre las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales, esta dada por la ecuacin

(F) es el nmero de fraude

(V) es la velocidad media del flujo en pies/seg

(g) es la aceleracin de la gravedad en pies/s2(L) es la longitud caracterstica en pies (igual a la profundidad D en canales rectangulares

Coeficiente de rugosidad. Es valor que representa la resistencia al flujo por friccin, llamado "n" de Manning. (Ven TE Chow, 1994) menciona una gua para la determinacin correcta del coeficiente de rugosidad de Manning que consiste de cuatro enfoques generales; estos sonEntender los factores que afectan el valor de "n" con el fin de adquirir el conocimiento bsico del problema y disminuir el rango de incertidumbre

Para calcular el coeficiente de rugosidad se puede utilizar el mtodo de medicin de velocidades mediante la ecuacin 4 donde:

CALCULOS QUE SE REALIZAN PARA EL DISEO DE UN CANAL

Determinacin del de Manning:

Con el anlisis de las fotografas y con la ayuda de las tablas presente en el libro ( HIDRULICA DE CANALES ABIERTOS, VEN TE CHOW; P; tabla 5-6, pagina 109 incisos B-2.c.1 y D-2.C.1; los cuales corresponden a:

Concreto terminado con llana metlica = 0.011

Matorrales dispersos mucha maleza = 0.035

Los valores tomados para estos de Manning son los mnimos con el fin de tener, para el canal, los mayores caudales posibles para la curva de calibracin. Debido a que la cantidad de vegetacin, que solo se encuentra en las paredes del canal, no es muy alta y no est distribuida a lo largo de toda la seccin del mismo se tom la decisin de trabajar con un = 0.014.

Determinacin de los elementos geomtricos del canal:

Con las distancias y alturas de cada punto del canal, e introduciendo estos datos en el programa Auto CAD 2007, y tomando alturas de la lmina de agua (cada 15 cm), podemos determinar los valores de los elementos geomtricos, con una excelente precisin, y utilizarlos para el clculo de la ecuacin de calibracin.

Ecuaciones a utilizar:Ecuacin de Manning (S.I.)

Para el radio hidrulico (m.), ya que los otros valores necesarios los conseguimos con la ayuda de Auto CAD 200Clculo de la pendiente del canal:

Tomando os lecturas de nivel en una distancia de 20 m., tenemos que la pendiente del canal tiene un valor de :

Altura Arriba de la seccin del canal = 4.41 m.

Altura Aguas abajo seccin del canal = 4.35 m.

Pendiente = SECCIN DEL CANAL

Determinacin de los elementos geomtricos del canal:

Con las distancias y alturas de cada punto del canal, e introduciendo estos datos en el programa Auto CAD 2005, y tomando alturas de la lmina de agua (cada 15 cm), podemos determinar los valores de los elementos geomtricos, con una excelente precisin, y utilizarlos para el clculo de la ecuacin de calibracin.

Para el radio hidrulico (m.), ya que los otros valores necesarios los conseguimos con la ayuda de Auto CAD 2005.

Clculo del caudal:

Una vez establecida la ecuacin de Manning, la ecuacin del radio hidrulico (R), y la pendiente (S); se efectan los respectivos clculos para determinar el caudal Q (m3/s), que se muestra en la tabla a continuacin:

Y (m)A (m2)P (m)R (m)Q (m3/s)

Clculo de la Curva de Calibracin

Tomando alturas de la lmina de agua cada 15 cm., y con los elementos geomtricos calculados ya por Auto CAD 2005 y tambin con la ayuda de Excel, obtenemos los datos necesarios para la curva de calibracin:

AJUSTE POTENCIAL

ECUACIN DE AJUSTE GENERAL:

Ecuaciones de la curva de calibracin

Para el clculo de las ecuaciones se utiliz la ayuda del programa Excel, se trabaj tomando ajustes de la forma exponencial, potencial, y polinomial de cuarto orden con el fin de verificar cual era el ms conveniente y con menor porcentaje de error. Adems se tom por tramos el ajuste de la curva con el fin de tener una aproximacin lo ms cercana posible a los datos calculados a partir de las mediciones.

A continuacin se mostrarn las grficas de ajuste de la curva con la ecuacin general y las ecuaciones por tramos, determinando el porcentaje de error entre el caudal dado por la ecuacin de Manning y el caudal resultante de las ecuaciones de ajuste (general y por tramos).

ECUACIONES DE AJUSTE POR TRAMOS:

1. Para el primer tramo con valores de "Y" comprendidos entre 0,15 m. y 1,35 m. se encontr la siguiente ecuacin de ajuste:

2. Para el segundo tramo con valores de "Y" comprendidos entre 1,5 m. y 3,55 m. se encontr la siguiente ecuacin de ajuste:

TABLA DE ERRORES ENTRE EL CAUDAL DE MANNING CON EL CAUDAL DADO POR LA ECUACIN DE AJUSTE GENERAL Y LA ECUACIN DE AJUSTE POR TRAMOS, RESPECTIVAMENTE

AlturaCaudalCaudalCaudalPorcentajePorcentaje de

YQQajustadoQajustado por tramosde errorerror por tramos

[m][m3/s][m3/s][m3/s][%][%]

0,150,72570,73730,76371,60455,2423

CONCLUSIONES

Mediante la realizacin de este proyecto, hemos podido afianzar los conocimientos adquiridos en el curso de hidrulica de canales abiertos.

Pudimos tener contacto fsico e interactuamos con una estructura hidrulica (canal); la cual fue estudiada a lo largo de este curso.

Al hacer las distintas mediciones de la seccin del canal, recordamos conocimientos adquiridos en topografa.

Logramos hacer uso de programas de computadora, como herramientas de ayuda para la realizacin de los clculos

Logramos identificar por medio de reconocimiento visual, por fotografas y comparando con tablas; el valor del de Manning para cada perimetro medido.

Realizamos la curva de calibracin, para la seccin adoptada.

Con la realizacin de este trabajo; y contando con las herramientas necesarias para obtener datos lo ms cercanos a los reales, podemos calcular la curva de calibracin en cualquier seccin de un canal determinado y as obtener el valor del caudal que este pasando en ese momento en tal punto, solo con medir la altura de lmina de agua.

Por razones prcticas se determin que la ecuacin que ms se ajustaba a la curva es la potencial; debido a su simplicidad, fcil manejo y a su alto ndice de correlacin el cual nos representa una mayor confiabilidad.

Fue necesario determinar la ecuacin de ajuste por tramos para obtener los resultados ms exactos posibles, para as mismo lograr un mayor nivel de confianza en el clculo del caudal.

RECOMENDACIONES

Utilizar aparatos de precisin, para poder realizar clculos lo ms cercano posible a la realidad en el terreno.

Se recomienda para prximos trabajos, adoptar todo el grupo un canal del cual no se cuente con curvas de calibracin y as dar algo a la comunidad.

Con ayuda de La universidad y los estudiantes de el curso de hidrulica de canales abiertos, hacer un estudio de aforacin del caudal de nuestro ro Pamplonita; para con base en estos datos realizar un estudio especial, de la socavacin de este, que ocurre ms demarcadamente en las bases del puente de San Lus y as evitar un nuevo colapso de la estructura.

BIBLIOGRAFA

Enciclopedia Microsoft Encarta 2006. 1993-2001 Microsoft Corporation.

ROBERT L MOTT. Mecnica de fluidos aplicada. Editorial Prentice Hall

SOTELO AVILA GILBERTO. Hidrulica general

VEN TE CHOW. Hidrulica de canales abiertos. Editorial McGraw-Hill