RESUMEN DE LAS CONSIDERACIONES NECESARIAS PARA EL DISENO DE CANALES ABIERTOS.

1. Por:
Ing. Néstor Méndez V.
Febrero, 2015
SISTEMAS DE DRENAJE SUPERFICIAL:
CONCEPTOS BÁSICOS EN HIDRAULICA DE
CANALES

2. ECUACIONES PRINCIPALES
ECUACIÓN DE CONTINUIDAD:
ECUACIÓN DINÁMICA:
ECUACIÓN DE CANTIDAD DE
MOVIMIENTO:
1
2 V
Q
V
Q
F 





 

From a mathematical point o
transport can be described for
of the cross section by the follo
- Continuity equation for wa
0
=
x
Q
+
t
A




- Dynamic equation for wate
=
t
V
g
1
+
x
V
g
V
+
x
z
+
R
C
V
+
x
h
2
2








- Friction factor predictor w
)
S
h,
V,
,
d
(
f
=
C 0
50
From a mathematical point of v
transport can be described for a o
of the cross section by the followin
- Continuity equation for water
0
=
x
Q
+
t
A




- Dynamic equation for water m
0
=
t
V
g
1
+
x
V
g
V
+
x
z
+
R
C
V
+
x
h
2
2








- Friction factor predictor whic
)
S
h,
V,
,
d
(
f
=
C 0
50
- Continuity equation for sedim
Q
z 


3. ECUACIONES PRINCIPALES EN FLUJO PERMANENTE
ECUACIÓN DE CONTINUIDAD: ...
3
3
2
2
1
1 A
V
A
V
A
V 




ECUACIÓN DINÁMICA:
g
V
P
Z
h
g
V
P
Z f
2
2
2
2
2
2
2
1
1
1 







ECUACIÓN DE CANTIDAD DE
MOVIMIENTO: 1
2 V
Q
V
Q
F 





 


4. TIPOS DE FLUJO
• FLUJO PERMANENTE:
No existen variaciones de
las características del flujo
con respecto al tiempo
• FLUJO NO PERMANENTE:
Existen variaciones de las
características del flujo con
respecto al tiempo
0



dt
dQ
dt
dv
dt
dH
0



dt
dQ
dt
dv
dt
dH
• FLUJO UNIFORME:
No existen variaciones de
las características del flujo
con respecto a la distancia
0



dx
dQ
dx
dv
dx
dH
• FLUJO NO UNIFORME:
Existen variaciones de las
características del flujo con
respecto a la distancia.
Puede ser gradual o rápido
0



dx
dQ
dx
dv
dx
dH

5. ESTUDIO EN CANALES ABIERTOS
datum
x
V1
2/2g
So
Sf
Y1
V2
2/2g
z2
Y2
hf
Δz
z1
Z: Energía de posición
Y: Energía de presión
V2/2g: Energía de velocidad
hf: Pérdidas por fricción
So: Pendiente del fondo del canal
Sf: Pendiente de la línea de energía
X
Z
So


X
h
Sf f


6. TIPOS DE CANALES ABIERTOS
CANALES PRISMÁTICOS CANALES NO PRISMATICOS
•Rectangulares
•Trapezoidales
•Circulares
•Secciones del cauce
de un río
m
B
1
y
2
y
m
y
B
A 



2
1
2 m
y
B
P 





7. TIPOS DE CANALES ABIERTOS
CANALES PRISMÁTICOS

8. ENERGÍA ESPECÍFICA (ES):
Se define como la altura de energía cuando se utiliza el fondo del canal como plano de
referencia
2
2
2
2
2 A
g
Q
y
E
g
V
y
E s
s








2
2
2 y
g
q
y
Es



 Aplicable solo a canales rectangulares
q const = 1 m3/s/m
y Es
0.
1
5.20
0.2 1.4
7
0.3 0.8
6
0.4 0.7
2
0.5 0.7
0
DIAGRAMA DE
ENERGIA ESPECÍFICA
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
Es
Y
yc Vc
2/2g
y1 V1
2/2g
y2 V2
2/2g
EJEMPLO: Por un canal rectangular circula un caudal unitario de 1 m3/s/m. Dibuje el
diagrama de energía específica

9. TIPOS DE FLUJO
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
Es
Y
FLUJO
SUBCRITICO
FLUJO
SUPERCRITICO
FLUJO CRITICO
FLUJO SUBCRITICO
Zona superior de la curva,
flujo caracterizado por
profundidades altas y
velocidades bajas.
Y > YC
V < VC
F < 1
FLUJO SUPERCRITICO
Zona inferior de la curva,
flujo caracterizado por
profundidades bajas y
velocidades altas.
Y < YC
V > VC
F > 1
FLUJO CRITICO
Punto crítico de la curva.
Y = YC
V = VC
F = 1

10. PROFUNDIDAD CRÍTICA EN CANALES NO RECTANGULARES
2
2
2 A
g
Q
y
Es



 Derivando…
T
A
Q 3
2
g

EJEMPLO: Por un canal triangular (m=2) circulan 5 m3/s. Calcule la
profundidad crítica del canal
Solución… m
Yc 05
.
1


11. RESALTO HIDRÁULICO
Es una discontinuidad notable en la superficie del agua caracterizada por una
pendiente pronunciada ascendente del perfil al que se superpone una
turbulencia violenta.
RELACIONES DE PROFUNDIDAD GENERAL
y1
y2
 
1
2
2
2
1
1
V
V
Q
A
Y
A
Y cent
cent 







 


2
2
2
2
1
1
1
2
A
Y
g
A
Q
A
Y
g
A
Q
cent
cent 






Ycent: Y centroidal de la sección transversal medida desde la superficie del agua
A: Área de la sección transversal

12. satoduo

13. satoduo

14. satoduo

15. CASO PARTICULAR: SECCIÓN RECTANGULAR













 3
1
2
1
2
8
1
1
2 y
g
q
y
y













 3
2
2
2
1
8
1
1
2 y
g
q
y
y
 
2
1
1
2 8
1
1
2
F
y
y 




 
2
2
2
1 8
1
1
2
F
y
y 




PERDIDA DE ENERGÍA EN UN RESALTO
2
1 E
E
E 

 Si la sección es rectangular:
 
2
1
3
1
2
4 y
y
y
y
E





LONGITUD DEL RESALTO
2
5 y
LR 


16. FLUJO UNIFORME
Para que un flujo se considere uniforme debe tener las siguientes
características:
•La profundidad, el área transversal, la velocidad y el caudal deben ser
constantes en cualquier sección del canal.
•La línea de energía, la línea del nivel superficial y el fondo del canal deben ser
paralelos.
La profundidad para la cual el flujo es uniforme se denomina profundidad
normal (Yn)
ECUACION DE MANNING ECUACION DE CHEZY
2
1
3
2
1
o
S
R
A
n
Q 


 o
S
R
A
C
Q 










 


s
K
R
C
12
log
18
n: Coeficiente de Rugosidad de Manning
C: Coeficiente de Rugosidad de Chezy
Ks: Rugosidad relativa del material

17. Coeficiente de Rugosidad de Manning
Mata n
Vdo 0.008
Mada 0.01
1
Contoso 0.013
Conto
ugoso
0.015
-
0.016
Ta
Pfada
0.020
Taon
Pdas
0.025
Taon
gtan
0.030
EJEMPLO: Por un canal triangular
(n=0.013) (m=2) (So=0.001) circulan
5 m3/s. Calcule la profundidad normal del
canal
m
Yn 235
.
1


18. ¿ Cómo diseñar un canal ?
1. Determinar el caudal de diseño.
2. Dimensionar el canal.
B
Y
Depende de varios factores:
• Costos del terreno.
• Velocidades máximas y mínimas.
• Condiciones del suelo.
m Depende del ángulo de reposo del suelo
So Depende de la pendiente natural del terreno.
n Depende del material con el que se construirá el canal.

19. FujoGaduamnt
Vaado
 Fujo Pmannt.
Fujo No Unfom.
Las Vaaons n a Uan d
a Supf L d Agua
oun n tamos agos.
S podu po Ataons n a
Gomta d Cana o po a
nstaan d stutuas d onto
d as magntuds d fujo.

20. PantamntoGna
datum
z
y
V2/2g
 h
So
Sf
3
2
1
A
g
T
Q
S
S
dx
dy f
o





Euan
gna
dFujo
Gaduam
nt
Vaado

21. duad
aantaas

22. duad
aantaas

23. duad
aantaas:Conton
asada

24. duad
aantaas