Canales Abiertos

MATERIA: HIDRÁULICA DE CANALES

CATEDRATICO: ING. LUIS BERNARDO VELASCO GONZALEZ

OMETEPEC GRO. A 17 DE FEBRERO DEL 2014.

CAPITULO 2

CANALES ABIERTOS Y SUS PROPIEDADES

2-1. Clases de canales abiertos. Un canal abierto es un conducto en el cual el agua fluye con una superficie libre. De acuerdo con su origen un canal puede ser natural o artificial.

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 quelas 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, geomorfología, transporte de sedimentos, etc. Este constituye, de hecho, un tema de estudio por sí mismo, conocido como hidráulica fluvial.

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, como "canal artificial", "canaleta", "rápida", "caída", "alcantarilla", "túnel con flujo a superficie libre", etc. 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 el 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.

2-2. Geometría de canal. Un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no prismático; un ejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo. A menos que se indique específicamente, los canales descritos en este libro son prismáticos.

El término sección de canal utilizado en este Libro se refiere a la sección transversal de un canal tomado en forma perpendicular a la dirección del flujo. Una sección vertical de canal, sin embargo, es la sección vertical que pasa a través del punto más bajo de la sección de canal. Para canales horizontales, por consiguiente, la sección del canal es siempre una sección vertical de canal.

Las secciones de canales naturales son, por lo general, muy irregulares, y a menudo varían desde aproximadamente una parábola hasta aproximadamente un trapecio. Para corrientes sujetas a crecientes frecuentes, el canal puede constar de una sección principal del canal que conduce los caudales normales y una o más secciones laterales de canal para acomodar los caudales de desborde.

Los canales artificiales a menudo se diseñan con secciones de figuras geométricas regulares. La tabla 2-1 relaciona 7 formas geométricas utilizadas comúnmente. El trapecio es la forma más común para canales con bancas en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad. El rectángulo y el triángulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos con materiales estables, como mampostería, roca, metal o madera. La sección triangular sólo se utiliza para pequeñas acequias, cunetas a lo largo de carreteras y trabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas (culverts) de tamaños pequeño y mediano.

Sección Área

A Perímetro mojado

p Radio hidráulico

R Ancho superficial

T Profundidad hidráulica

D Factor de sección Z

BY B+2y by/(b+2y) B y 〖by〗^1.6

(b+zy)y b+2y√(1+z^2 ) (b+zy)y/(b+2y √(1+z^2 )) B +2 zy (b+2y )y/(b+2zy) ([(b+2y)y]^1.5)/√(b+2zy)

〖zy〗^2 2y√(1+z^2 ) zy/(2√(1+z^2 )) 2zy 1/2y √2/2 z y^2.6

1/8 (θ – sen θ )d0^2 ½ θdo ¼ (1 - (sen θ)/( θ) ) d˳ (SEN ½ θ )do

2 or/√(y (do-y )) 1/8 ((θ-senθ)/(sen 1/2 θ)) do √2/32 ((θ-sen θ)^1.5)/(sen 1/2 θ )0.5 〖do〗^2.5

2/3 Ty T+8/3 y^2/T

(2 T^2 y)/(3 T^2+8 y^2 ) 3/2 A/y 2/3y 2/9 √6 T y^1.5

(π/2 – 2) r^2+ (b+32r)y (π – 2) r + b + 2y ((π/2-2) r^2+(b+2 r)y )/((π-2)r+b+2y) b + 2r ((π/2-2) r^2)/(b+2r )+y ([ (π/2-2r^2+2r) 〖y]〗^1.5)/√(b+2r)

T^2/4z- π^2/z (1-z 〖cot〗^(-1) z) T/z √(1+z^2 ) - 2r/z (1-z 〖cot〗^(-1) z) (A´)/P 2[2(y –r) + r √(1+z^2 ) ] A/T A √(A/T)

Tabla 2.1 elementos geométricos de secciones de canal

La parábola se utiliza como una aproximación a secciones de canales naturales de tamaños pequeño y mediano. El rectángulo con esquinas redondeadas es una modificación del rectángulo. El triángulo con fondo redondeado es una aproximación de la parábola; ésta es la forma creada a menudo con la utilización de excavadoras.

Secciones geométricas cerradas diferentes del círculo se utilizan con frecuencia en alcantarillados de aguas negras, de manera particular para alcantarillas suficientemente grandes que permiten la entrada de un hombre. Estas secciones reciben diferentes nombres de acuerdo con su forma; pueden ser en forma de huevo, ovoides, semi elípticas, en forma de U, catenaria, herradura, manija de canasto, etc. Los rectángulos y cuadrados completos, también son comunes en alcantarillados grandes. Las dimensiones y propiedades de secciones de alcantarillas se encuentran en textos sobre alcantarillados.

Una sección geométrica especial, conocida como catenaria hidrostática ollientaria [4,5], es la forma de la sección transversal de un canal compuesto por hojas flexibles que se suponen de peso insignificante, lleno con agua hasta la parte superior de la sección y firmemente soportado en los extremos superiores de los lados pero sin efectos de fijación. La catenaria hidrostática ha sido utilizada para el diseño de algunas canaletas elevadas de irrigación. Estas canaletas se construyen utilizando láminas metálicas tan delgadas, que su peso es insignificante, las cuales se unen firmemente a vigas en los extremos superiores.

2-3. Elementos geométricos de una sección de canal. Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que pueden ser definidos por completo por la geometría de la sección y la profundidad de flujo. Estos elementosson muy importantes y se utilizan con amplitud en el cálculo de flujo.

Para secciones de canal regulares y simples, los elementos geométricos pueden expresarse matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y de otras dimensiones de la sección. Para secciones complicadas y secciones de corrientes naturales, sin embargo, no se puede escribir una ecuación simple para expresar estos elementos, pero pueden prepararse curvas que representen la relación entre estos elementos y la profundidad de flujo para uso en cálculos hidráulicos.

A continuación se dan las definiciones de varios elementos geométricos de importancia básica. Otros elementos geométricos utilizados en este libro se definirán cada vez que aparezcan por primera vez.

La profundidad de flujo, y, es la distancia vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie libre. A menudo este término se intercambia con la profundidad de flujo de la sección, d. En efecto, la profundidad de flujo de la sección es la profundidad de flujo perpendicular a la dirección de éste, o la altura de la sección del canal que contiene el agua. Para un canal con

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