Trabajo Final G4 UPC HIDRAULICA DE CANALES PDF

Preview

Summary

FACULTAD DE INGENIERÍACARRERA DE INGENIERÍA CIVILTRABAJO FINALHIDRÁULICA DECANALESGrupo: 4 Sección: CX Fecha: 25 /11/2021 Profesor: Jose Donaldo BarrientosINTEGRANTES2021 – 02Orden Apellidos y Nombres Códigos 1 Adrianzen Medina Diego U20181 20592 Pérez Guerrero Carlos U3 Cespedes Miranda Gabriel Ale...

Description

FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

TRABAJO FINAL HIDRÁULICA DE CANALES Grupo:

4

Sección:

Fecha:

25/11/2021

Profesor:

CX71 Jose Donaldo Barrientos

INTEGRANTES

1

Orden

Apellidos y Nombres Adrianzen Medina Diego

Códigos U201812059

2

Pérez Guerrero Carlos

U201415487

3

U201624347

4

Cespedes Miranda Gabriel Alexander Coria Rios Carlo Fabrizio

5

Juarez Aylas Patrick Thomas

U201513315

6

Christopher Comeca Quispe

U20181d476

2021 – 02

U201425200

1. 2. 3. 4. 5.

Índice Resumen Introducción Objetivos Marco Teórico (No se repetirá la teoría impartida en clase, buscar bibliografía adicional) 6. Consideraciones para el Diseño del Canal 7. Resultados 7.1 Modelación hidrodinámica en condiciones naturales (Hec Ras 2D) 7.2 Diseño de canal de conducción, formulaciones empíricas 7.2.1 Diseño del Canal Trapezoidal 7.3 Diseño de estructuras Hidráulicas 7.3.1 Diseño de Caídas 7.3.2 Diseño de Compuerta 7.3.3 Diseño de Rápidas 8. Análisis 9. Conclusiones y Recomendaciones 10. Anexos: Planos y hojas de calculo 11. Bibliografía

2. Resumen El trabajo final permite aplicar los conocimientos aprendidos en clase sobre hidráulica de canales y empleando herramientas computaciones de modelación numérica donde se nos pide representar el flujo de corrientes que ingresa a la represa, la elevación del nivel de agua y su profundidad. Debido al incremento de la demanda poblacional y de riego, se necesita diseñar un nuevo sistema de canal desde el límite de la represa hacia el punto E y un canal indicando sus características geométricas, trazo subrasante, régimen, rugosidad, velocidades, SME, SMI, entre otros. Por último, un diseño de estructuras estableciendo el trazo de la subrasante del canal a proyectarse sobre un terreno de pendiente variada que permita ubicar como mínimo las siguientes estructuras hidráulicas: compuerta, vertedero, caída (2,5 a 6%) y rápida (7% a más).

3. Introducción Uno de los recursos naturales más importantes para el bienestar humano es el agua, por lo que durante miles de años el hombre ha estado tratando de resolver diversos problemas que la sociedad requiere, entre ellos el transporte de este tipo de material con capacidad de almacenamiento y la tecnología de distribución antes de la llegada. Advenimiento de aglomeraciones urbanas cada vez mayores. Es decisivo. Muchas actividades cada día requieren más agua. Los usos domésticos e industriales, así como la agricultura y la ganadería, requieren agua. Por ello, los primeros ingenieros tuvieron que buscar la forma de conducir el líquido para lograr su propósito, principalmente para proyectos de riego que facilitaran el transporte de agua de un lugar a otro. En vista de esto, ha surgido una solución alternativa para conducir líquido a través de un canal conductor, que alivia enormemente el enorme problema del riego de cultivos. En este sentido, la oferta para atender esta demanda se ha vuelto sumamente compleja, involucrando factores técnicos, sociales, económicos, legales, administrativos y políticos. La responsabilidad del control y la distribución del agua generalmente recae en el gobierno y la comunidad, pero los aspectos técnicos de estas actividades caen dentro del alcance de las responsabilidades del ingeniero civil. El propósito del proyecto es realizar el diseño geométrico e hidráulico de los canales de derivación con fines de riego en el río Jequetepeque en la provincia de Contumaza, región de Cajamarca; así como la construcción hidráulica necesaria para optimizar los recursos hídricos y la vía económicamente viable para el proyecto.

4. Objetivos 4.1 Objetivos generales El diseño y trazado del canal incluyendo la estructura hidráulica se realizará con base en la teoría aprendida en el curso de hidráulica del canal para analizar los puntos en el río Jequetepeque, en el cual se evalúan los siguientes temas:

• • •

Hidrodinámica Diseño de canal de conducción Diseño de estructuras

4.2 Objetivos específicos •

Trazo y diseño de un canal mediante la teoría aprendida en clase sobre hidráulica de canales.

•

Plantear soluciones sostenibles ante las obras de conducción, regulación, protección y medición tales como compuerta, vertedero, caída y rápida para el diseño del canal.

•

Aplicar los diferentes softwares conocidos para la comparación y comprobación de los resultados primeros obtenidos.

5. Marco Teórico 5.1 Definición de Canal Los canales son conductos, ya sea abiertos o cerrados, en la que el agua circula valiéndose únicamente de la acción de la fuerza de gravedad. Se caracteriza por una superficie libre del líquido expuesta a la atmósfera (Villón, 1995). 5.2. Geometría del Canal Es importante considerar la geometría del canal de diseño; si consideramos una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante, el canal se denominará prismático. Las figuras geométricas más comunes de diseño son el trapecio porque proporcionan las pendientes necesarias para la estabilidad. En cambio, los canales rectangulares tienen lados verticales y generalmente se usan para canales construidos con materiales estables tales como mampostería, roca, metal o madera; además, los canales con sección triangular solo en caso de acequias y cunetas a lo largo de una carretera y trabajos de laboratorio (Chow, 1994). 5.3 Elementos Geométricos de un Canal 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 nuestro presente proyecto se diseñará con una geometría trapezoidal.

• • • • •

Tirante de agua: Es la distancia vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie libre. Espejo de agua “T”: Es el ancho de la superficie libre del agua, en m Talud: Relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral. Es decir “m” es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1 Coeficiente de rugosidad (n): depende del tipo de material del canal Pendiente (S): Es la pendiente longitudinal de la rasante del canal. Área hidráulica (A): Es la superficie ocupada por el agua en una sección transversal normal

• • • •

Radio hidráulico (R): Es el cociente del área hidráulica y el perímetro mojado. R=A/P Perímetro mojado (P): Es la longitud de la línea de contorno del área mojada entre el agua y las paredes del canal. Velocidad media (V): Es con la que el agua fluye en el canal, expresado en m/s. Caudal (Q): es el volumen de agua que pasa en la sección transversal del canal en la unidad de tiempo (m3/s).

5.4 Clasificación de canales Canales naturales: Se llaman depresiones naturales en la corteza terrestre, algunos tienen poca profundidad y otros son más profundos. Las propiedades hidráulicas del canal natural son muy irregulares. Canales de Riego: Se construyen vigas para dirigir el agua hacia zonas que necesiten complementar el agua precipitada naturalmente sobre el terreno Canales de Navegación: Es una vía hecha por el hombre que normalmente conecta lagos y ríos. 5.5 Diseño de canales Se consideran los diferentes parámetros • Trabajo preliminar: Para el trazo de canal o un sistema de canales es necesario recolectar información como: fotografías aéreas, ubicación, caseríos, áreas de cultivo, topografía, etc. Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazo preliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios, obteniéndose finalmente el trazo definitivo. • Reconocimiento del terreno: Se recorre la zona, anotando todos los detalles que inciden en la determinación del posible eje de trazo, determinando un punto inicial y final • Trazo preliminar: La zona fue levantada por una brigada topográfica, con la colocación de estacas de la poligonal preliminar y se procede al levantamiento con estación total • Trazo definitivo: Con la data anterior, pasamos al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, que depende básicamente de la topografíaa de la zona

5.6 Caídas Son conocidas como saltos de agua, obras proyectadas en canales para salvar desniveles bruscos en la rasante de fondo, llamadas caídas cuando los desniveles son iguales o menores a 1.00 m., y estas a su vez pueden ser verticales o inclinadas.

Características Generales de Caída Vertical 5.7 Rápidas: Son utilizadas para conducir agua desde una elevación mayor a una más baja, con una pendiente de 6% a más. Las rápidas son similares a las caídas, la diferencia consta en que las rápidas transportan el agua a lo largo de distancias largas, con pendientes más bajas.

5.8 Compuertas: Son equipos mecánicos utilizados para el control del flujo del agua y a su vez para poder realizar un adecuado mantenimiento en los diferentes proyectos hidráulicos, por ejemplo, presas, canales e incluso proyectos de irrigación. Además. existen diferentes tipos y pueden tener diferentes clasificaciones según su forma función y movimiento. Las formas de las compuertas dependen de su aplicación, mientras que el tipo de compuerta a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma del orificio, de la cabeza estática, del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones de operación.

Compuertas Hidráulicas 5.9 Sistema HEC-RAS El sistema HECRAS "Centro de Ingeniería Hidrológica y Sistema de Análisis Fluvial" es un programa informático para simular y reflejar la hidráulica de flujo de aguas de ríos naturales y otros. Como se usa ampliamente y se actualiza continuamente la mejora del sistema ha ayudado a más de un ingeniero hidráulico a diseñar, calcular y diseñar canales hidráulicos, permitiendo la simulación de flujos en cauces naturales canales artificiales para determinar el nivel del agua y sustentando un caso de inundabilidad

6. Consideraciones para el diseño del Canal Durante el diseño del caudal se debe tomar las siguientes consideraciones: Caudal: El caudal utilizado para el diseño fue dado por el docente, el cual es de 4.5 m3/s Talud: El talud que se utilizó fue de 1:1 debido a que el material a usar para el canal será de concreto y de canal de poca profundidad, la se obtuvo de la siguiente tabla:

Material para el diseño del Canal: Se utilizó el concreto como material para el revestimiento del canal, el cual tiene un coeficiente de rugosidad de Manning de 0.014. Material para el diseño de la rapida: Se utilizó el concreto como material para el revestimiento del canal, el cual tiene un coeficiente de rugosidad de Manning de 0.014. Borde Libre: Se tomará un borde libre en función al caudal, como se tiene un caudal 4.5 m2/s y es mayor a 1 m3/s, por lo tanto, se tomará un valor para el borde libre de 30cm 0.3m, como se muestra en la siguiente tabla.

7. Resultados 7.1 Modelación hidrodinámica en condiciones naturales (Hec Ras 2D) Para realizar la modelación hidrodinámica, haremos uso del programa QGIS3.16, Lo primero que debemos de hacer es, darle click en la herramienta ¨layer¨ para agregar una nueva capa al programa.

Una vez que le dimos click a ¨add ráster layer´´ el programa nos pedirá que escojamos el archivo a trabajar.

Al exportar el raster, debemos de modificar las coordenadas en las cuales se encuentra dicha ubicación, para nuestro caso escogemos las coordenadas WGS84/UTM zone 17S (EPSG:32717), finalmente le damos aplicar.

Ahora debemos de exportar el ráster dándole click al archivo ¨S08W080¨, al realizar esta acción nuevamente debemos de modificar las coordenadas que le aplicamos en un primer momento WFS84/UTM zone 17s y le asignamos un nombre para que el archivo se guarde en nuestra carpeta de preferencia.

Una vez hecho todas las modificaciones en el programa QGIZ, procedemos al HECRAS 2D, lo primero que debemos de realizar es la modificación de las unidades a trabajar.

En la herramienta ¨File¨ procedemos a la creación de un nuevo proyecto y asignación del nombre

Posterior, vamos a la herramienta GIS Tools (RAS mapper) para importar el ráster que creamos en el programa QGIZ.

Una vez insertado el archivo correcto, le damos click al botón ¨+¨, para agregar la capa al RAS Mapper y finalmente clickeamos en ¨CREATE¨

El programa después que procese la información nos confirmará que el terreno fue creado correctamente y lo podemos visualizar.

Luego, realizamos la creación de la geometría, el área de terreno ya está importado de manera simultánea, como se puede mostrar en la imagen.

Procederemos a definir la grilla en la opción ¨2D FLOW AREA¨, de esta manera delimitaremos el área a estudiar.

Luego procedemos a definir las condiciones de frontera con la herramienta SA/2D Área BC Línea

Una vez creada la malla y las condiciones de borde, procedemos a guardar la geometría.

Acto seguido, como ya tenemos las condiciones de borde creada, se empieza a definir aguas arriba y aguas abajo. Para ello iremos a la ¨EDIT¨ y posterior a la opción ¨UNSTEADY FLOW DATA¨

Para las aguas arriba, consideramos asignarle un hidrograma, el cual se mostrará a continuación. Para la asignación del Caudal, se escogió de los datos que nos brinda el SENAHMI.

Para las aguas abajo, se consideró una pendiente de energía igual a 0.003

Finalmente guardamos las definiciones dadas para las condiciones de borde.

Al tener la geometría y Unsteady Flow, procedemos a la configuración de la simulación, para ello tenemos que ir a la herramienta Unsteady Flow Analysis y terminamos con darle click a COMPUTE

El programa nos avisará cuando ya se haya completado los cálculos

Ahora podemos verificar cuanto de profundidad de agua tenemos

La velocidad del flujo con la línea de corriente

7.2 Diseño de canal de conducción, formulaciones empíricas RUTA SELECCIONADA

PERFIL LONGITUDINAL DE LA RUTA

PENDIENTES DE LA RUTA POR TRAMO

Tramo 1:

Tramo 2:

Tramo 3:

Tramo 4:

Tramo 5:

Tramo 6:

Tramo 7:

Tramo 8:

Tramo 9:

TRAMOS DEL CANAL: Tabla 1.Tabla Resumen de las pendientes Fuente: Elaboración Propia tramo 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Pendiente 1.11% 9.44% 2.82% 0.43% 1.69% 0.37% 3.86% 8.76% 0.55%

Longitud (m) 172.73 277.85 387.50 475.50 550.00 684.08 762.50 856.00 934.58

Tipo de ruta canal rápida caída canal canal canal caída rápida canal

7.2.1 Diseño de Canal Trapezoidal TRAMO 1 (CANAL): Se tienen los siguientes datos para el diseño del primer tramo. Datos: • Q =4.5 m3/s • n = 0.014 • S = 0.0031 • Z= 1 Para hallar el ancho de la solera se calculará por el método de sección de máxima eficiencia hidráulica ya que los valores de las pendientes para los canales son pequeños. 𝑏 = 2(√1 + 𝑧 2 − 𝑧) 𝑦 𝑦 𝑅= 2 Para obtener la relación entre la solera y el tirante, se usó las ecuaciones de SME. 𝑏 = 2 (√1 + 12 − 1) 𝑦 𝑏 = 0.8284𝑦 Se halla el área hidráulica en función de “y”. Área Hidráulica: Ecuaciones de SME:

𝐴 = (𝑏 + 𝑧𝑦)𝑦 𝐴 = (0.8284𝑦 + 1𝑦)𝑦 = 1.8284𝑦 2 Para hallar el valor de la tirante se usa la ecuación de Manning. 2

𝐴𝑅3 √𝑠 𝑛 2 𝑦 2 1.8284𝑦 × 23 × √0.0031 4.5 = 0.014 𝑦 = 0.9933 1.0 𝑚. Para hallar el ancho de solera, se usó la ecuación del SME en función de “y”. 𝑏 = 0.8284𝑦 𝑏 = 0.8284(0.9933) 𝑏 = 0.8229 𝑚. 0.82m. Luego se halla los parámetros geométricos restantes: Área Hidráulica: 𝐴 = 1.8284𝑦 2 𝐴 = 1.8284(0.9933)2 𝐴 = 1.8042 1.81 𝑚2 . Perímetro Mojado: 𝑄=

𝑃 = 𝑏 + 2𝑦√1 + 𝑧 2

Espejo de Agua

Radio Hidráulico:

Velocidad Media:

𝑃 = 0.8228 + 2(0.9933)√1 + 12 𝑃 = 3.6325 𝑚. 𝑇 = 𝑏 + 2𝑧𝑦 𝑇 = 0.8228 + 2(1)(0.9933) 𝑇 = 2.8096 𝑚. 𝑦 2 0.9933 𝑅= 2 𝑅 = 0.4967 𝑚. 𝑅=

𝑄 =𝐴×𝑉 𝑄 4.5 𝑉= = = 2.4942 𝑚/𝑠 𝐴 1.8042 Borde Libre se halló en función del caudal según la tabla anteriormente indicada, obteniendo un valor de borde libre de 0.3 m. BL = 0.3m Altura del canal: 𝐻 = 𝑦 + 𝐵𝐿 𝐻 = 0.9933 + 0.3 𝐻 = 1.2933 1.30𝑚.

Número de Froude:

𝐹= 𝐹=

𝑣

𝐴) √𝑔 × (𝑇

2.4942

√9.81 × (1.9039 ) 2.8096 𝐹 = 0.9938

TRAMO 3 (CANAL): Se tienen los siguientes datos para el diseño del primer tramo. Datos: Q =4.5 m3/s n = 0.014 S = 0.0017 Z= 1 Para hallar el ancho de la solera se calculará por el método de sección de máxima eficiencia hidráulica ya que los valores de las pendientes para los canales son pequeños. 𝑏 = 2(√1 + 𝑧 2 − 𝑧) 𝑦 𝑦 𝑅= 2 Para obtener la relación entre la solera y el tirante, se usó las ecuaciones de SME. 𝑏 = 2 (√1 + 12 − 1) 𝑦 𝑏 = 0.8284𝑦 Se halla el área hidráulica en función de “y”. Área Hidráulica: 𝐴 = (𝑏 + 𝑧𝑦)𝑦 𝐴 = (0.8284𝑦 + 1𝑦)𝑦 = 1.8284𝑦 2 Para hallar el valor de la tirante se usa la ecuación de Manning. Ecuaciones de SME:

2

𝐴𝑅3 √𝑠 𝑄= 𝑛 2 𝑦 1.8284𝑦 2 × 23 × √0.0017 4.5 = 0.014 𝑦 = 1.1118 1.12 𝑚. Para hallar el ancho de solera, se usó la ecuación del SME en función de “y”. 𝑏 = 0.8284𝑦 𝑏 = 0.8284(1.1118)

𝑏 = 0.921 𝑚. 0.93 m. Luego se halla los parámetros geométricos restantes: Área Hidráulica: 𝐴 = 1.8284𝑦 2 𝐴 = 1.8284(1.1118)2 𝐴 = 2.2601 2.26 𝑚2 . Perímetro Mojado: 𝑃 = 𝑏 + 2𝑦√1 + 𝑧 2

Espejo de Agua

Radio Hidráulico:

𝑃 = 0.9210 + 2(1.1118)√1 + 12 𝑃 = 4.0656 𝑚. 𝑇 = 𝑏 + 2𝑧𝑦 𝑇 = 0.9210 + 2(1)(1.1118) 𝑇 = 3.1446 𝑚. 𝑦 2 1.1171 𝑅= 2 𝑅 = 0.5559 𝑚. 𝑅=

Velocidad Media:

𝑄 =𝐴×𝑉 𝑄 4.5 𝑉= = = 1.9911 𝑚/𝑠 𝐴 2.2601 Borde Libre se halló en función del caudal según la tabla anteriormente indicada, obteniendo un valor de borde libre de 0.3 m. BL = 0.3m Altura del canal: 𝐻 = 𝑦 + 𝐵𝐿 𝐻 = 1.1171 + 0.3 𝐻 = 1.4118 1.42𝑚. Número de Froude: 𝑣 𝐹= √𝑔 × (𝐴) 𝑇 𝐹=

1.991

√9.81 × (2.2601 ) 3.1459 𝐹 = 0.7499

TRAMO 5 (CANAL): Se tienen los siguientes datos para el diseño del primer tramo. Datos: • Q =4.5 m3/s • n = 0.014 • S = 0.0035 • Z= 1 Para hallar el ancho de la solera se calculará por el método de sección de máxima eficiencia hidráulica ya que los valores de las pendientes para los canales son pequeños. 𝑏 = 2(√1 + 𝑧 2 − 𝑧) 𝑦 𝑦 𝑅= 2 Para obtener la relación entre la solera y el tirante, se usó las ecuaciones de SME. 𝑏 = 2 (√1 + 12 − 1) 𝑦 𝑏 = 0.8284𝑦 Se halla el área hidráulica en función de “y”. Área Hidráulica: 𝐴 = (𝑏 + 𝑧𝑦)𝑦 𝐴 = (0.8284𝑦 + 1𝑦)𝑦 = 1.8284𝑦 2 Para hallar el valor de la tirante se usa la ecuación de Manning. Ecuaciones de SME:

2

𝐴𝑅3 √𝑠 𝑄= 𝑛 2 𝑦 1.8284𝑦 2 × 23 × √0.0035 4.5 = 0.014 𝑦 = 0.9710 0.98 𝑚. Para hallar el ancho de solera, se usó la ecuación del SME en función de “y”. 𝑏 = 0.8284𝑦 𝑏 = 0.8284(0.9710) 𝑏 = 0.8043 𝑚. 0.81 m. Luego se halla los parámetros geométricos restantes: Área Hidráulica: 𝐴 = 1.8284𝑦 2 𝐴 = 1.8284(0.9710)2 𝐴 = 1.7239 1.73 𝑚2 . Perímetro Mojado: 𝑃 = 𝑏 + 2𝑦√1 + 𝑧 2

Espejo de Agua

Radio Hidráulico:

𝑃 = 0.8043 + 2(0.9710)√1 + 12 𝑃 = 3.5508 𝑚. 𝑇 = 𝑏 + 2𝑧𝑦 𝑇 = 0.8043 + 2(1)(0.9710) 𝑇 = 2.7464 𝑚. 𝑦 2 0.9710 𝑅= 2 𝑅 = 0.4855 𝑚. 𝑅=

Velocidad Media:

𝑄 =𝐴×𝑉 𝑄 4.5 = 2.6103 𝑚/𝑠 𝑉= = 𝐴 1.7239 Borde Libre se halló en función del caudal según la tabla anteriormente indicada, obteniendo un valor de borde libre de 0.3 m. BL = 0.3m Altura del canal: 𝐻 = 𝑦 + 𝐵𝐿 𝐻 = 0.9710 + 0.3 𝐻 = 1.271 1.28𝑚. Número de Froude: 𝑣 𝐹= √𝑔 × (𝐴) 𝑇 𝐹=

2.6103

√9.81 × (1.7239 ) 2.7464 𝐹 = 1.0519

TRAMO 7 (CANAL): Se tienen los siguientes datos para el diseño del primer tramo. Datos: • Q =4.5 m3/s • n = 0.014 • S = 0.0037 • Z= 1 Para hallar el ancho de la solera se calculará por e...