diseÑo de un sistema de conduccion abierta (canales y sus obras de arte)

HIDRÁULICA APLICADA CIV- 232

UNIVERSIDAD MAYOR REAL Y PONTIFICIA DE

SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

“DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONDUCCIÓN ABIERTA”

MATERIA : “HIDRAULICA APLICADA”

SIGLA : CIV-232

INTEGRANTES : CUIZA SANDOVAL CRISTIAN

QUISPE GONZALES MARCO ANTONIO

SANGUINO GARCIA HUBER

FECHA DE PRESENTACIÓN : MIERCOLES, 20 DE JUNIO del 2012

SUCRE-BOLIVIA


DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONDUCCIÓN ABIERTA

GENERALIDADES

A lo largo del tiempo la necesidad del hombre de que llueva en su debida oportunidad para la

realización de sus cultivos, trajo muchas ideas de como poder aprovechar los recursos hídricos de

los ríos, quebrados o manantiales cercanos a la zona de cultivos, una de estas fue el diseño de

sistemas de conducción abierta (canales), quizás muy rústicos para épocas antiguas pero con el pasar

de los años el sistema fue mejorando bastante para la mejor conducción, el mejor aprovechamiento,

etc.

Objetivo general

Diseñar un sistema de conducción abierta que sea técnicamente viable, socialmente aceptable,

económicamente rentable y ecológicamente sostenible.

Objetivos específicos

Analizar los fundamentos teóricos para el diseño de sistemas de riego.

Estudiar la zona de aplicación del proyecto.

Analizar el funcionamiento y los beneficios del sistema de riego a los beneficiarios.

Determinar las soluciones técnicas apropiadas para el funcionamiento óptimo de todas las

estructuras de la conducción.


CAPÍTULO 1. TOPOGRAFÍA

Topografía para el proyecto

El presente proyecto de conducción abierta se realizara en la provincia Tomina, la misma que se

encuentra ubicada en el departamento de Chuquisaca, es una zona montañosa de topografía

accidentada además de ser una zona rocosa lo cual es apta para una buena fundación del canal pero

la excavación eleva los costos.

Levantamientos topográficos

La topografía representa a la medición de la superficie de la tierra utilizando la geodesia

representando con la cartografía.

En cuanto se refiere a los planos topográficos de la zona del proyecto, estos fueron facilitados por el

docente encargado de la materia.

Topografía de la conducción

Por ser una zona rocosa, se tratara de hacer las excavaciones menos profundas que sea posible, para

esto se alargara el canal y tener una pendiente adecuado para la solera del canal.

Para tener un equilibrio entre la excavación rellenos, si sería necesario, se realizara el diseño del

canal con los datos de demanda y se podrá obtener la pendiente que nos relacione estos resultados.


CAPÍTULO 2. TRAZADO DE LA CONDUCCIÓN

Alternativas de trazado

Para el trazado en planta del proyecto de conducción abierta, se propuso dos alternativas de trazado

horizontal de los cuales se escogió uno, el más optimo, previamente analizando detalladamente cada

una de las alternativas.

Trazado de la conducción

El trazado de la conducción se la realizo mediante el programa AutoCAD, siguiendo normas de

diseño de canales, como por ejemplo manteniendo una baja pendiente esta se logro siguiendo una

curva de nivel de la misma altura para lograr que el número de Froude sea menor a 1 y así lograr un

flujo subcritico.

Perfil longitudinal de la conducción

El perfil longitudinal de la conducción se la realizo con el programa Civil 3D.

Progresivas

Al igual que el perfil longitudinal las progresivas se las realizo con el software Civil 3D.

Ubicación de las obras de arte

Las obras de arte estarán ubicadas en zonas donde no se puede por ningún motivo lograr las

condiciones de flujo aceptables para conducción abierta como por ejemplo en zonas de depresiones

muy profundas y largas, en cruces de ríos, en paso de quebradas, etc.


CAPÍTULO 3. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONDUCCIÓN ABIERTA

Emplazamiento de la obra de toma

El emplazamiento se lo realizo en la cota 1590 msnm, la misma que fue un dato facilitado por el

docente de la clase.

Una captación lateral es conveniente cuando la fuente de aprovechamiento tiene un caudal

relativamente grande. En cuanto a la selección del sitio de la obra, se puede recomendar que la

estructura quede a una altura conveniente sobre el fondo, ubicada al final de las curvas y en la

margen exterior y en lugares protegidos de la erosión y socavación.

Para asegurar un nivel mínimo de las aguas se debe proyectar un muro normal o inclinado respecto a

la dirección de la corriente, además de muros laterales para proteger y acondicionar la entrada del

agua al conducto, para colocar los dispositivos necesarios para regular el flujo o impedir la entrada

de materiales indeseables.

Tipo de obra de toma

De acuerdo a las condiciones topográficas de la zona de emplazamiento, se opto por diseñar un azud

tipo perfil Creager.

Diseño de la Obra de Toma

Azud Perfil Creager

Datos:

Tirante de agua sobre la Cresta en crecida H=5.18 m (HEC-RAS)

Velocidad en la sección en crecida v = 4.98 m/s (HEC-RAS)

Longitud de la Cresta L= 11 m

Coeficiente de descarga C=2.20 m

Altura del Vertedor P=0.70m

Talud Aguas Arriba Vertical

Peso especifico del HºAº 2.4 Ton/m3

Tirante aguas abajo (rio) Ynaa=0.20 m

Lecho del rio Arenoso


DISEÑO

Vertical K=2 n=1.850

La ecuación será:

X Y

0.0 0.000

0.2 0.007

0.4 0.026

0.6 0.053

0.8 0.090

1.0 0.134

1.2 0.186

1.4 0.246

1.6 0.313

1.8 0.386

2.0 0.467

2.2 0.554

2.4 0.648

2.6 0.749


Carga He de Diseño

Capacidad del vertedor de excedencias

Calculo de la longitud del colchón disipador de energía.

Tirante conjugado Y2

Luego:

La profundidad del colchón será:

–

Longitud de recorrido del agua

OK!!!


CALCULO ESTRUCTURAL DEL AZUD

Empuje del agua

Supresión

Sedimentos

Peso propio


La estabilidad al vuelco

La estabilidad al deslizamiento

Diseño de obra de toma lateral

Diseño hidráulico

La función de la rejilla será de retener el material grueso que quiere entrar hacia la conducción

generalmente material de diámetro mayor a 1” . Para facilidad de construcción las barras de la reja

se llevaran hasta la parte superior de la cámara de derivación. El vertedero lateral de la bocatoma se

calculará como vertedero frontal de cresta rectangular, teniendo en cuenta algunas consideraciones y

se puede chequear con una de las expresiones utilizadas para vertedor lateral.

Entrada de agua por la rejilla: vertedero cresta rectangular, utilizando la expresión de Francis

tenemos:

Donde:

Q= caudal a captar (m3/seg)

Le=Longitus efectiva del vertedor (m)

H=Carga sobre la cresta del vertedor (m)


Pérdidas en la rejilla

Diferentes ecuaciones experimentales dan estas pérdidas en función de la velocidad de

aproximación y como esta es prácticamente nula a través de la rejilla, obtendremos una perdidas

muy pequeñas.

De acuerdo a lo anterior, es posible acogerse a la experiencia común de los diseñadores que

recomiendan para el caso una perdida mínima de 6 cm.

Diseño de la rejilla

Espaciamiento

TIPO DE REJILLA ABERTURA (cm)

Rejillas gruesas

Rejillas comunes

Rejillas finas

4 a 10

2 a 4

1 a 2

Perdida de carga

Asumimos: hr = 6 cm

Nivel de agua dentro de la caja

Caudal a flujo libre

Longitud efectiva del vertedor


El número de espacios

El número de barras

Longitud total de la rejilla

La altura mínima de la regilla

Dimensiones finales de la regilla

(Acero) espesor de barras

Separación de


Tipo de conducción

El tipo de conducción adoptado fue de una sección rectangular, debido a las muchas facilidades que

presenta este tipo de conducción, como por ejemplo el fácil encofrado de la sección y su facilidad de

conducción, además de sus ventajas de construcción.

Estructuras básicas de conducción

Entre las estructuras básicas de conducción tenemos:

Los canales propiamente dichos

Los vertedores laterales

Los desarenadores

Las transiciones

Estructuras especiales de conducción

Entre las estructuras especiales de conducción tenemos:

Rápidas lisas

DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS BÁSICAS DE CONDUCCIÓN

Diseño hidráulico de los canales propiamente dichos

La pendiente que se da a un determinado tramo de un canal depende del tipo de flujo que uno quiere

generar, este oscila entre los valores mínimos y valores máximos para evitar la sedimentación,

crecimiento de algas y evitar la erosión de solera, paredes laterales respectivamente.

La sección transversal de un canal por lo general en el diseño se aplica secciones rectangulares y en

casos excepcionales como en roca se diseñan secciones irregulares, la sección rectangular favorece

en los siguientes casos:

En caso de proteger el canal mediante tapas o rejillas, ya que disminuye el ancho.

En caso de espacio reducido como por ejemplo: en laderas, canales que pasen por un camino

o casa.


La capacidad de conducción o transporte (k):

Relación de sección optima (b/y): Para cualquier sección

Control de diseño:

Numero de froude

Dónde:

A= área de la sección transversal (m2)

T= Ancho del espejo de agua (m)

Velocidad critica

Dónde:

Ac= Área hidráulica para flujo critico

Tc= Ancho del espejo a agua para flujo critico

Fuerza tractiva

Dónde:

Τ=Fuerza Tractiva (N/m2)

y= tirante de agua sobre el nivel de la solera (m)

S= pendiente de la solera (m/m)


El bordo libre: (bordo libre mínimo de 20 cm)

Una vez determinado el tirante máximo, se añade una altura adicional por motivos de seguridad al

bordo determinado, conocido como bordo libre. Esto previene rebalses ocasionados por oleaje de

viento, cambios en el tirante ocasionado por obstáculos o variaciones excepcionales de caudal.

Inclusive puede evitar rebalses originados por mal diseño (rugosidad subestimada) o en la

construcción (replanteo incorrecto de la pendiente). Es recomendable un bordo libre mínimo de 20

cm.

Para canales pequeños

Para canales grandes

Canales en curvas

Cuando un canal pasa por una curva, la fuerza centrífuga puede ocasionar un rebalse en el lado

exterior del canal que podría comprometer la estabilidad del canal, especialmente en laderas por lo

que se deberá tomar previsiones en el bordo libre exterior.

Diseño hidráulico de las transiciones

La longitud de la transición:

Dónde:

Lt= Longitud de transición (m)


B= Ancho del canal mayor (m)

b= Ancho del canal menor (m)

Diseño hidráulico de los desarenadores

Velocidad de escurrimiento

La altura de la cámara de sedimentación

Verificación:

La velocidad de sedimentación (se obtendrá de tablas)

El tiempo de retención

La longitud de la cámara

La longitud de transición de entrada


Dónde:

Vd= velocidad de escurrimiento (cm/seg)

D= diámetro de la partícula a decantar (mm)

a=coeficiente que depende del tamaño de la partícula a decantar

ts=tiempo de retención (seg)

Hcam=altura de la cámara (m)

bcam=ancho de la cámara (m)

K= coeficiente de seguridad para desarenadores de baja velocidad

B=ancho del espejo de agua en la cámara (m)

b= ancho del espejo de agua en el canal de entrada (m)

Diseño hidráulico de los vertedores laterales

El diseño hidráulico de un vertedero consiste en determinar la altura de la cresta del vertedero dada

una cierta longitud, o bien calcular la longitud del vertedero lateral para que derive un caudal

determinado.

El tirante antes del vertedor

Verificación del flujo antes del vertedor

El tirante después del vertedor


Verificación del flujo después del vertedor

El tirante abatido al inicio del vertedor

la altura de la cresta (conocida L)

Donde:

QAA=caudal aguas arriba del vertedor (m3/seg)

Qaa=caudal aguas abajo del vertedor (m3/seg)

Qv=caudal de evacuación del vertedor (m3/seg)

Hv= altura de la cresta medida desde el piso del canal (m)

Cd=coeficiente de descarga del vertedor, en función al tipo de cresta

Cd=1.84 para cresta aguda

Cd=1.90 para cresta de borde rectangular (mas común)

Cd=2.00 para perfil Creager

L=longitud de la cresta (m)

DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS ESPECIALES DE CONDUCCIÓN

Rápidas inclinadas

Componentes


Transición de entrada

Es la estructura que de forma gradual cambia la sección del canal para hacerla coincidir con las

dimensiones de la sección de control, evitando la formación de remolinos y flujo inestable en el

canal.

Sección de control

Es la sección donde la conducción aumenta bruscamente su pendiente. Aquí las condiciones de flujo

son de régimen crítico, y se intenta disminuir las altas velocidades en la entrada a la rápida. Sirve

también para darle al flujo un ingreso adecuado a la rápida.

Canal de la rápida

Es el tramo comprendido entre la sección de control y el colchón disipador. La pendiente de sus

tramos se adecua a las condiciones topográficas del terreno, pero evitando reducciones de la

pendiente. El régimen de flujo es la rápida en supercrítico y la superficie del agua sigue una curva

que se acerca asintóticamente al tirante normal.

Colchón disipador

Se ubica en el extremo inferior del canal de la rápida. Es la estructura que absorbe el exceso de

energía cinética generada en la rápida mediante la reducción de la velocidad del agua en una poza de

disipación. En el colchón, el régimen del flujo pasa de supercrítico a subcrítico mediante un resalto

hidráulico. La salida del colchón debe ser una rampa con una pendiente entre 2:1 o más tendida

para permitir la auto limpieza del colchón. Eso evita la acumulación de arena, grava, ramas y

deshechos.

Transición de salida

Cambia la forma gradual la sección del colchón disipador para hacerla coincidir con las dimensiones

del canal de salida. Conviene incluir la transición en el mismo colchón para incrementar los efectos

de la disipación mediante ensanchamiento y ayudar a conseguir un tirante conjugado de menor

elevación.

Diseño hidráulico de rápidas inclinadas


El tirante y la velocidad al pie de la rápida

Dimensiones del colchón

Los tirantes conjugados

La profundidad del colchón

La profundidad del colchón

El bordo libre de la rápida

La ecuación de la energía a nivel del piso del colchón:

Reemplazando estos valores en la ecuación de la energía (1):


Conclusiones

Se logró un diseño satisfactorio, con estructuras técnicamente viables, tomando en cuenta los

principios de la hidráulica, cuyo diseño está detallado en los planos.

La topografía es bastante accidentada por lo que se optó por el diseño de „rápidas‟ para garantizar un

flujo que no dañe los canales, por lo tanto garantizar la vida útil del proyecto.

Se utilizó un software de apoyo (HEC-RAS) para hacer la simulación del flujo del rio, con el cual

obtuvimos los tirantes tanto en época de estiaje, como en crecidas, la última nos dio un tirante de

5.18 m considerando una obstrucción del azud de 0.70 m de altura sobre el rio. Se diseño el azud

con un tirante de 5.18 m con el cual se obtuvo grandes dimensiones para los elementos del mismo.

Bibliografía consultada y utilizada

MEDINACELLI Sergio, “Diseño final de un sistema de riego para la población de Camblaya”

GARCIA Velez Jose Luis, “Diseño Hidraulico de estructuras”

MSc. Ing. GUZMAN Bedoya Normando, “Hidraulica Aplicada”

Muchas Páginas web relacionadas a la materia

ANEXOS

Planta general del proyecto

Planta y perfiles de la conducción

Planta de la obra de toma

Plano de detalles constructivos

Planillas de cálculo y/o software utilizado

diseÑo de un sistema de conduccion abierta (canales y sus obras de arte)

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