HIDRAULICA DE CANALES

• Los canales son conductos en los que el agua circula debido a la accion de gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie del líquido está en contacto con la atmósfera.

• Los canales pueden ser naturales (ríos o arroyos) o artificiales. Dentro de estos últimos pueden incluirse aquellos conductos cerrados que trabajan parcialmente llenos (alcantarillas, tuberías)

Clases de Canales

De acuerdo con su origen los canales pueden ser naturales (ríos, arroyos etc.) o artificiales (construidos por el hombre). Dentro de estos últimos pueden incluirse aquellos conductos cerrados que trabajen parcialmente llenos.

Canales Naturales

Los canales naturales incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en la Tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas, hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y grandes y estuarios de mareas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales.

Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas razonablemente consistentes con las observaciones y experiencias reales, de tal modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables mediante el tratamiento analítico de la hidráulica teórica.

Un estudio completo sobre el comportamiento del flujo en canales naturales requiere el conocimiento de otros campos, como hidrología, transporte de sedimentos, etc. Éste constituye un tema de estudio conocido como hidráulica de ríos.

Canales Artificiales

Los canales artificiales son aquéllos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo humano, canales de navegación, canales de centrales hidroeléctricas, canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje, vertederos, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras, etc., así como canales de modelos construidos en el laboratorio con propósitos experimentales.

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 a canales artificiales producirá, por tanto, resultados bastante similares a las condiciones reales y, por consiguiente, son razonablemente exactos para propósitos prácticos de diseño.

Bajo diferentes circunstancias en la práctica de ingeniería, los canales abiertos artificiales reciben diferentes nombres, sin embargo, estos nombres se utilizan de una manera más o menos imprecisa y sólo se definen de un modo muy general.

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, concreto, cemento, madera o materiales bituminosos.

La canaleta es un canal de madera, de metal, de concreto o de mampostería, a menudo soportado en o sobre la superficie del terreno para conducir agua a través de una depresión.

La rápida es un canal que tiene altas pendientes. La caída es similar a una rápida, pero el cambio en elevación se efectúa en una distancia corta. La alcantarilla, que fluye parcialmente llena, es un canal cubierto con una longitud

comparativamente corta instalado para drenar el agua a través de terraplenes de carreteras o de vías férreas.

El túnel con flujo a superficie libre es un canal cubierto comparativamente largo, utilizado para conducir el agua a través de una colina o cualquier obstrucción del terreno.

SECCIONES TRANSVERSALES MAS FRECUENTES

La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy irregular y varía de un lugar a otro. Los canales artificiales, usualmente se diseñan con formas geométricas regulares las más comunes son las siguientes:

SECCIONES ABIERTAS

SECCION TRAPEZOIDAL

Se usa siempre en canales de tierra y canales revestidos

SECCION RECTANGULAR

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

SECCION TRIANGULAR

Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, también en canales de tierra pequeños, fundamentalmente por facilidad de trazo, por ejemplo surcos.

SECCION PARABOLICA

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

SECCIONES CERRADAS

SECCION CIRCULAR Y SECCION DE HERRADOS

Se usan comúnmente para alcantarillas y estructuras hidráulicas importantes.

ELEMENTOS GEOMETRICOS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL

NOMENCLATURA

Los elementos de un canal se muestran en la figura.

Donde:

y = tirante de agua, es la profundidad máxima del agua en el canal

b = ancho de la solera, ancho de la planilla, o planilla, es el ancho de la base de un canal

T = espejo de agua, es el ancho de la superficie libre de agua

C = ancho de la corona

H = profundidad total del canal

H-y = borde libre

Θ = ángulo de inclinación de las paredes laterales son la horizontal

Z = talud, es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal). Es decir Z es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1.

Aplicando relaciones trigonométricas, se tiene: Z =ctg Θ

A = área hidráulica, en la superficie ocupada por el liquido en una sección transversal normal cualquiera.

P = perímetro mojado, es la parte del contorno del conducto que está en contacto con el liquido.

R = radio hidráulica, es la dimisión características de la sección transversal, hace las funciones del diámetro en tuberías, se obtiene de la siguiente relación:

R=A/p

= Profundidad media, es la relación entre el área hidráulica y el espejo de agua es decir:

= A/T

PROBLEMAS

1.- Hallar para el canal de sección transversal que se muestra en la figura, los parámetros hidráulico: A,

p, T, R y

Solución

a. Descomponiendo las sección transversal en dos seciones simples y considerando como x, el tirante de la sección circular, se tiene:

b. Calculo de x:

De la figura se puede extraer el triangulo:

En el cual se cumple la siguiente relación:

Sen30º= (1,2-x)/1,2=1/2

1,2-x=1,2/2

1,2-x=0,6

X=0,6

c. Calculo de los parámetros de la sección circular 1

c1. La relación tirante diámetro es:

x/D = 0,6/2,40 = ¼ = 0,25

c2. Para esta relación de la tabla de área, perímetro mojado y radio hidráulico en conductos circulares parcialmente llenos.

A1/D2 = 0,1535 → A1 = 2,42 * 0,1535

A1 = 0,8842m2

P1/D =1,0472 → P1= 2,4 * 1,0472

P1=2,5133m

c3. De la tabla de relaciones geométricas de las secciones transversales más frecuentes, para el espejo del agua. Se obtiene:

T1=2√X (D−X )

T1=2√0,6(2,4−0,6)T1=2,07851m

d. Calculo de los parámetros de la sección trapezoidal 2:

Z= ctg60º=1/ √3 = √3/3

De la figura y de las ecuaciones para A, p y T, se tiene:

A2= (T1+Z*0,6)0,6

A2= (2,07851+√3/3*0,6)0,6

A2 = 1,4549 m2

p2 = 2*0,6√1+Z2 (no se considera la base, por no ser parte del perímetro de la figura)

p2 = 2*0,6√1+1/3❑

p2 = 1,3856 m

T= T1 + 2Z X0,6

T=2,07851+2 √330,6

T=2,7713 m

Cálculos de los parámetros de la sección compuesta:

A=A1 + A2

A=0,8842 + 1,4549

A=2,3391 m2

p=p1+p2

p=2,5133+1,3856

p=3,8989 m

R= Ap

R=2,3391/3,8989

R=0,5999 m

y= AT

y=2,33912,7713

y=0,8440m

Luego:

A= 2,3391 m2 p=3,8989

T=2,7713 m R= 0,5999 m

y=0,8440m

2.Un túnel se construye con una sección transversal como se muestra en la figura. Sabiendo que r= 1,50 m calcular el radio hidráulico R, para un tirante y =r.

SOLUCION

a. Descomponiendo la sección transversal en dos secciones simple, se tiene la figura siguiente

b. Calculo de X:

De la figura se tiene:

x=1,50√3

x=2,5981m

c. Cálculo de los tirantes en cada sección:c.1 Sección 1

y1=2 r−r √3

y1=r (2−√3)

y1=1,5 (2−√3)

y1=0,4019

c.2 Sección 2

y2=r− y1

y2=r−(2r−r √3)

y2=r √3−r

y2=1,5 (√3−1)

y2=1,0981

d. Cálculo de A1 y p1 :

d.1 La relación tirante diámetro, es:

y1D1

=0,0242

A1=36x 0,0242A1=0,8712m

2

p1D1

=0,5355

p1=6 x 0,5355p1=3,2113m

e. Cálculo de A2 , p2 :

e.1 La relación tirante diámetro, es:

yD

= y2+r2 r

=r (√3−1 )+r

2 r= r √32 r

=0,8660≈0,87

e.2 Cálculo de A’, p’:

Para esta relación, de la tabla 1.1 se tiene:

A'

D2=0,7254

A'=9x 0,7254A'=6,5286m2

p'

D=2,4038

p'=3 x2,4098p'=7,2114m

e.3 Cálculo de A2, p2:

A2=A'−π r

2

2

A2=A'−3,1416

2x1,52

A2=2,9943m2

p2=p'−πr

p2=7,2114−3,1416 x1,5p2=2,990m

e.4 Cálculo de A, p, R:

A=A1+A2A=0,8712+2,9943A=3,8655m2

p=p1+ p2p=3,213+2,4990p=5,7120m

R=3,86555,7120

R=0,6767m