Trabajo Final FLUVIAL

8/16/2019 Trabajo Final FLUVIAL

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TRABAJO FINALDISEÑO DE CANALES Y MODELACIÓN EN HEC RAS

Elaborado por:JOHANNA RAMIREZ VELASQEZ

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

"ro#$%ora: NATALIA "AREJA OSORIO

HIDR&LICA DE CANALES

"OLITECNICO COLOMBIANO JAIME ISAZA CADAVIDFACLTAD DE IN'ENIERIAS

IN'ENIERIA CIVILMEDELLIN

()*+,*

1



TABLA DE CONTENIDO

2



INTRODCCION

Las estructuras hidráulicas son obras civiles que nos permiten controlar las condiciones de

un flujo en estado natural, estas estructuras permiten en primera instancia conducir los

caudales de escorrentía superficial y controlar los daños por inundaciones.

La metodología existente para el diseño de canales cubre principalmente la selección

adecuada de la sección hidráulica por donde fluye el agua, en condiciones de flujo uniforme

y caudal máximo.

lgunos de los aspectos que influyen en el diseño de un canal son! aspectos del tra"o,

construcción y economía. #studios cuidadosos en campo pueden llevar grandes costos,

sobre todo cuando el canal es muy largo o cuando se locali"a en terrenos muy accidentados.

$in embargo, cualquiera que sea el canal por diseñar el ingeniero debe conocer las

propiedades del material que se utili"ará y taludes despu%s de efectuar la excavación& 'icho

material hará parte del canal cuando no se recubra o servirá para soportar el recubrimiento

cuando se utilice. (ambi%n se hace importante conocer las propiedades de los sedimentos

que el agua va transportando con el tiempo.

)on el tiempo los ríos varían su forma y posición, debido a procesos fluviales complejos que

se deben a la interacción de numerosas variables, como son! los caudales, la pendiente del

cauce, las características de los sedimentos, la geología, la geomorfología, el transporte desedimentos, la resistencia al flujo del material del lecho, la vegetación y las obras construidas

por el hombre.

*ara el diseño del canal se tomará en cuenta diferentes aspectos tales como& condiciones

del terreno, topografía, parámetros geot%cnicos, capacidad ante el periodo de retorno de

diseño, tipo de revestimientos y su funcionalidad, esto con el fin de determinar una sección

geom%trica adecuada para el canal, de forma que garantice un buen comportamiento en el

flujo.

*rimeramente para este trabajo, se interviene el área del cauce a modelar con el tra"o de

diferentes secciones, que permitan obtener coordenadas y cotas del terreno, para luego

proceder a reali"ar la modelación en +#)-$, esto con el propósito de estudiar el

comportamiento del flujo en condiciones naturales de la sección del cauce.

Los canales son el principal medio físico para el manejo de las aguas desde su fuente de origen

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hacia las áreas de riego. #n algunas "onas, por ra"ones climáticas, topográficas, de accesibili

dad o de costos de mantenimiento se usan otros medios como las tuberías o tneles. $in

embargo, por ra"ones económicas, en prácticamente la totalidad de los proyectos el canal está

siempre presente, ya sea en el manejo o en la distribución de las aguas.

#l buen diseño de un canal es por lo tanto muy importante para ahorrar costos de construcción,

operación, mantenimiento y de p%rdidas de agua. #ste diseño queda condicionado por variados

factores, como anteriormente se mencionó.

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OBJETIVOS

OBJETIVO 'ENERAL

#studiar, modelar y diseñar un cauce superficial, teniendo en cuenta ciertas condiciones, que

influyen de forma importante en el comportamiento de este.

OBJEVOS ES"ECIFICOS

• 'eterminar las dimensiones del cauce a estudiar.

• #studiar mediante la modelación el comportamiento del flujo en condiciones naturales

• )alcular las propiedades hidráulicas del canal.

• 'efinir el diseño bajo ciertas especificaciones a considerar.

DATOS DADOS

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Llamaremos / al promedio de los dos ltimos dígitos de las c%dulas de los integrantes del

grupo, dividido entre 011. #s decir, si las c%dulas de los integrantes son& 0.123.415.204,

0.143.405.673 y 62.458.753, se tiene /9 :04;73;53<=:2>011<91.4?.

@n sistema de canales rectangulares transporta agua desde un lago hasta un río con el

propósito de mejorar la calidad del agua :Aigura 0<.

F-./ra * 0 S-%1$2a d$ 3a4al$%5

*ara cada tramo se tiene :(abla 0<!

Tabla * 0 I4#or2a3-64 d$ lo% 3a4al$%(ramo B :m2=s< / :adim< C :m< $o :D<

0 7>:0;/< 1.108>:0;/=7< 7>:0;7/< 2>:0;/<7 7>:0;/< 1.108>:0;/< 7>:0;7/< 1.8>:0/<

2 7>:0;/< 1.108>:0;7/< 7>:0;7/< 1.4>:0;/<

)onsidere una condición frontera en la entrada igual a la profundidad crítica y una condición

frontera a la salida que remata en un salto hidráulico. La cota de fondo al inicio del canal 0 es

igual a 811 msnm. partir de esta cota es posible calcular las cotas de fondo del resto del

canal.

$e solicita!

• )alcular las profundidades normales y críticas de cada tramo.

• )alcular las pendientes críticas de cada tramo y clasificarlos en tipos de canales.

• Eerificar si estas secciones son las secciones óptimas para esos canales y de no ser

así indicar cuál sería el valor de base y altura de las secciones óptimas.

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• -eali"ar la modelación del canal en el programa +#) -$. )ompare resultados

utili"ando la sección óptima y utili"ando la sección dada inicialmente. :Eelocidades,

alturas, nmeros de AroudeF<

• G#n qu% material podría excavarse el canal para que no exista la necesidad de

revestirloH, Investigue y proponga un valor coherente para la rugosidad del material.Justifique su elección.

DISEÑO DEL CANAL

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*ara el cálculo de la sección de un canal la teoría ofrece diferentes metodologías, para elegir

cual utili"ar nos basamos en la que mejor se acomode a los datos en la guia. *ara este

trabajo se va a implementar el m%todo de la velocidad permisible y la ecuación de Kanning

que permiten calcular una sección teniendo en cuenta el diámetro de las partículas presentes

en el río, el caudal, el área, la velocidad máxima y mínima, la rugosidad de acuerdo al

material, entre otras.

M7TODO DE LA VELOCIDAD M&!IMA "ERMISIBLE:

*ara el siguiente diseño, se procede a utili"ar el m%todo de la velocidad máxima permisible.

Inicialmente para su desarrollo se tendrá en cuenta las condiciones naturales del cauce, para

posteriormente darle condiciones que garanticen la igualdad en el flujo máximo, para este

caso el del periodo de retorno de 011 años como lo muestra la (abla 0. y teniendo en cuenta

las condiciones del terreno que muestra la (abla 7. para la obtención del ngulo de fricción

del terreno por donde pasa el flujo.

*ara el desarrollo de este m%todo se hacen necesarios los siguientes datos y variables.

DATOS: Q8 SO8 48 98 V2a8 V2-48 do8 5ɸ

Q=4,86m3 /s

S 0=7,25=0,0725

n=0,025(Tabla .8)

Vmin=0,76m/s

ɸ=22,9°

d o=está contenidoen el rango de25 – 30mmasumimosdo=25mm

*rimeramente hallamos un rango para la velocidad de diseño.

Vmax=3,14 √ 15d o+0,006

8



Vmax=3,14 √ 15∗(0,025)+0,006

Vmax=1,94m / s

0,76m /s ≤ Vdiseño≤ 1,94m /s

*ara este diseño decidimos darle una sección trape"oidal al canal, asi que hallamos

la pendiente de la sección de la siguiente manera!

Z≥cot ɸ=1/ tanɸ=1 / tan(22,9)

Z ≥2,37

*rocedemos hallar las propiedades hidráulicas del canal )ap. ? libro de Een (e

)ho.

A= Q

Vmax=

4,86

1,94

A=2,51m2

RH =(Vmax .n

√ So)3 /2

RH =(1,94∗0,025

√ 0,0725)3/2

RH =0,054m

= A / RH

=2,51/0,054

=46,4815m

*ara la sección de canal trape"oidal tenemos las siguientes ecuaciones!

A=b!+ "! 2ecuaci#n1

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=b+2 ! √ 1+ "2

ecuaci#n 2

$ela ecuaci#n2

b= % – 2 ! √ 1+ "2

A= !∗( % – 2 ! √ 1+ "2)+ "!2

46,48 ! – 2 ! √ 1+ "2+2,37 ! 2 – 2,51=0

46,48 ! – 2,77 ! 2 – 2,51=0

*ara la diferentes valores de la M obtenidos en la ecuación anterior, procedemoshallar el ancho de fondo en la sección del canal

&on !=16,72mtenemosunb=−39,54m

&on !=0,0541m tenemosun b=46,2017 m

b/ !=46,20m /0,0541m

b/ !=853,97m

$egn lo anterior si diseñamos el canal en condiciones naturales obtenemos valores

no coherentes, que por consiguiente no cumplen para un diseño.

'ebido a esto, se procede a reali"ar una variación de la pendiente, que de valores

más pertinentes en el diseño. Inicialmente se tenía una pendiente de fondo de ;8(<=

y se reduce drásticamente a un )8;=

La pendiente influye en las propiedades hidráulicas del canal, así!

RH =(Vmax .n

√ So)3 /2

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RH =(1,94∗0,025

√ 0,07/100)3/2

RH =0,294m

= A / RH

=2,51/0,294

=8,54 m

*ara la sección de canal trape"oidal tenemos las siguientes ecuaciones!

A=b!+ "! 2ecuaci#n1

=b+2 ! √ 1+ "2

ecuaci#n 2

$ela ecuaci#n2

b= % – 2 ! √ 1+ "2

A= !∗( % – 2 ! √ 1+ "2)+ "!2

8,54 ! – 2 ! √ 1+ "2+2,37 ! 2 – 2,51=0

8,54 ! – 2,77 ! 2 – 2,51=0

*ara la diferentes valores de la M obtenidos en la ecuación anterior, procedemos

hallar el ancho de fondo en la sección del canal

&on !=7,62mtenemosunb=−30,67m

&on !=0,91mtenemosunb=3,84m

b/ !=3,84m/0,91m

b/ !=4,22m

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)on los respectivos valores anteriores se obtienen mejores valores de diseño más

aceptables y coherentes, esto despu%s de haber reducido la pendiente de fondo

longitudinal.

M7TODO DEL M&!IMO RADIO HIDR&LICO

*ara el siguiente diseño, se procede a utili"ar el m%todo del máximo radio hidráulico 5

Inicialmente para su desarrollo se tendrá en cuenta las condiciones naturales del

cauce, para posteriormente darle condiciones que garanticen la igualdad en el flujo

máximo, además proceder a revestirlo con un material ingenieril que le de mejor

condición al flujo del cauce& para este caso el periodo de retorno es de 011 años

como lo muestra la (abla 0. M teniendo en cuenta las condiciones del terreno que

muestra la (abla 7. *ara la obtención del ngulo de fricción del terreno por donde

pasa el flujo, pero tambi%n hay que tener en cuenta que este cambia cuando se

proceda hacer el respectivo recubrimiento que para nuestro caso se hara de

concreto.

$e elige una sección trape"oidal.

'(N$! B, $N, n, ", do, .ɸ

Q=4,86m3 /s

S 0=0,7

n=0,020(tabla 'umero5−5(alores %ara elcálculo delarugosidad)

ɸ=22,9°(ángulode )ricci#n delterreno natural* sincontar con elre(estimiento sale dela tabla1.)

d o=está contenido enel rango de25 – 30mm asumimosd o=25mm

ɸ≥60°− '+

*ara este diseño decidimos darle una sección trape"oidal al canal, así que hallamos


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Z≥cot ɸ=1/ tanɸ=1 / tan(22,9)

Z ≥2,37,2,5

b/ !=2√ 1+ "2

– 2 "

b/ !=2√ 1+(2,5)2 – 2∗(2,5)

b/ !=0,38

RH = ! /2

A . RH 2 /3=Q. n

√ So ecuaci#n3

A=b!+ "! 2

A=0,38 ! 2+2,5 ! 2

A=2,88 ! 2

-empla"ando el radio hidráulico en función de la profundidad en la ecuación 2.

2,88 ! 2( ! /2)2/3=Q . n

√ So

2,88 ! 2( ! /2)2/3=1,16

'e la ecuación anterior despejamos el valor de y

!=0,85m

b=0,323m

A=2,07m2

V =Q / A=4,86m 3/s /2,07m2

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V =2,35m /s

Q=1

n A . RH 2/3 S o1/2

Q= 1

0,020(2,07).(0,85/2)2/3(0,7 /100)1/2

Q=4,89m3/ s ,=4,86m3 /s

'e los datos anteriores se verifica que este diseño cumple con las condiciones

asumidas.

*ara el revestimiento con concreto, lan"ado con sección buena procedemos acambiar el coeficiente de rugosidad de maning n 9 1,172 :tabla 86 valores del

coeficiente de rugosidad< y el ángulo de fricción del material por donde pasa el flujo.

9 48Oɸ

'(N$! B, $N, n, ", do, .ɸ

Q=4,86m3 /s

S 0=0,7

n=0,023(Tabla9.)

ɸ=45 °(ángulo de )ricci#ndel concreto* material de re(estimiento)

d o=está contenidoen el rango de25 – 30mmasumimosdo=25mm

ɸ≥60°− '+

*ara este diseño decidimos darle una sección trape"oidal al canal, así que hallamos


Z≥cot ɸ=1/ tanɸ=1 / tan(45)

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Z ≥1,1

b/ !=2√ 1+ "2 – 2 "

b/ !=2√ 1+(1)2

– 2∗(1)

b/ !=0,83

RH = ! /2

A . RH 2 /3=Q. n

√ Soecuaci#n3

A=b!+ "! 2

A=0,83 ! 2+1 ! 2

A=1,83 ! 2

-empla"ando el radio hidráulico en función de la profundidad en la ecuación 2.

1,83 ! 2( ! /2)2 /3=Q . n

√ So

1,83 ! 2( ! /2)2 /3=1,34

'e la ecuación anterior despejamos el valor de y

!=1,05m

b=0,87m

A=2,016m2

V =Q / A=4,86m 3/s /2,016m2

V =2,41m /s

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Q=1

n A . RH 2/3 S o1/2

Q= 1

0,023(2,016).(1,05 /2)2/3(0,7 /100)1/2

Q=4,78m3/ s ,=4,86m3 /s

*ara el borde de línea se cuenta con el rango de 08Dy ≤ CL ≤ 21Dy

-.=20/!

-=0,20∗1,05m

-.=0,20m

'espu%s de tener condiciones de revestimiento de concreto podemos observar que

en comparación de caudales tenemos valores aceptables, por consiguiente el diseño

es coherente.

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ANALISIS DE RESLTADOS

• Los resultados del modelo se presentan tanto en forma gráfica como tabular.

)abe mencionar que el modelo trabaja nicamente en lenguaje ingl%s, por lo

que los parámetros incluidos en los resultados obedecen a abreviaturas en

dicho idioma y que hacen más difícil en análisis teórico.

• La modeli"ación con el modelo +#)-$ permitió calcular para los diferentes

caudales :(abla 0<, para las secciones transversales a lo largo del tramo

estudiado del cauce de la Buebrada Carbosa valores simulados de los niveles

de agua, las profundidades de flujo y las velocidades, entre otras variables.

•

La (abla 01 nos muestra como es el comportamiento del Aroude debido alorganal presente en la topografía del terreno, es decir, existe una

reconfiguración de la energía y este es inversamente proporcional al área de

la sección del flujo dentro del canal.

• #s necesario el conocimiento geomorfológico e hidrológico de la manera más

coherente y exacta posible, ya que de esta manera garanti"amos una

aproximación más real a la del flujo real.

• #n la F-.5>), "$r#-l ?HEC,RAS@ se puede observar donde estan ubicados los

organales de la "ona de intervencion, asi como tambien los caudales con

periodo de rotorno de 011 años., a partir de esto se puede decir el tipo de flujo

y sus velocidades,

• 'urante el paso de iteración en la modelación, cuando la superficie del agua

se supone igual a la profundidad crítica, la superficie del agua calculada

regresó por la baja profundidad crítica, esto indica que no hay una respuestaválida para el r%gimen subcritica, es así entonces que e programa por defecto

asocia una profundidad crítica.

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CONCLSIONES

• )on el diseño del canal se pudo, anali"ar las variables necesarias para

dimensionar un canal con las especificaciones t%cnicas consideradas segn el

conocimiento y criterio adquirido a trav%s del curso de +idráulica de )anales.

• *ara este diseño se tuvo en cuenta un caudal de 4,36 m2=s con un periodo de

retorno de 011 años, que aunque rigi%ndonos en las ecuaciones

probabilísticas que rigen dicho caudal, se puede acercar al comportamiento

real del flujo, permiti%ndonos anali"ar y diseñar de manera coherente con la

máxima disminución de riesgos.

• *or el m%todo para el diseño del canal elegido se definió una sección

trape"oidal y así cumplir con las condiciones necesarias de velocidades

mínimas y máximas para evitar la sedimentación, crecimiento de plantas en el

lecho y de erosionamiento.

• (anto los cálculos como el modelo y los resultados de +#)-$ nos prueban

la existencia de un resalto hidráulico, que conlleva a una reconfiguración

energ%tica necesaria para superar la sección anali"ada :perfil ?8<

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BIBLIO'RAFIA

• +I'-@LI) '# )/L#$ CI#-(N$, Een (e )ho, #ditorial Kc Pra+ill

0554

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