trabjo obras hidraulicas

8/19/2019 Trabjo Obras Hidraulicas

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TRABAJO Nº 2

REDISEÑO DE UN CANAL EXISTENTE

PRESENTADO POR:

MARÍA FERNANDA OSPINAPAULA ANDREA CUBILLOS

JUAN CAMILO GONZALEZ MARINDANNY ESTRADA CARDENAS

DOCENTE:JUAN FELIPE OCHOA

MATERIA:OBRAS HIDRÁULICAS

POLITÉCNICO COLOMBIANO JAIME ISAZA CADAVID

FACULTAD DE INGENIERIAS

MEDELLÍN

2015


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OBJETIVOS.

OBJETIVO GENERAL.

Rediseñar un canal existente con el programa HecRas realizando así un análisis dealternativas de la mejor opción del canal a proyectar.

OBJETIVOS ESPECIFICOS.

Comparar las condiciones naturales de un canal existente con el canal encondiciones de diseño.

Obtener la curva costo/beneficio para comprobar que tan económico y viable es elcanal proyectado.

Establecer los parámetros técnicos para el canal de diseño y con estos cumplir conlos caudales iniciales establecidos.


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INTRODUCCION.

Todos los canales deben diseñarse de manera que tengan la capacidad necesaria para la

conducción del agua en forma segura, estética y a un bajo costo.En canales abiertos, la velocidad del agua varía de acuerdo con la profundidad y con ladistancia de las paredes del canal. En las proximidades del fondo y de los márgenes, el aguacorre con menor rapidez. En el diseño de canales, lo que interesa normalmente es lavelocidad medía del agua en toda la sección trasversal del canal.

Por lo anterior se deduce que el coeficiente de rugosidad expresa la resistencia a lacorriente de agua creada por los lados y el fondo del canal. Cuanto mayor es el valor de n,mayor es la rugosidad de las paredes del canal y mayor es la dificultad encontrada por elagua para deslizarse por el canal.

Continuando con el diseño de un canal se debe conocer que este además incorpora lasmedidas necesarias para evitar la sobresaturación de los taludes aledaños por efecto de precipitación pluvial, entre otras se puede mencionar el sistema de drenaje conformado porcanales recolectores y alcantarillas, que se encargará de conducir las aguas pluviales haciacursos de agua cercanos. En la medida de lo posible, se complementa con medidas que permitan la protección de los suelos en los sectores contiguos al canal por medio demedidas biológicas (cobertura vegetal), combinadas con aplicaciones artificiales de protección adicional como por ejemplo malla alveolar de geo textil.

DATOS INGRESADOS AL PROGRAMA.

Para este caso se utiliza un coeficiente de rugosidad en canal natural de 0,035 y de 0,013 para la estructura de concreto dato con que se modela en el canal de diseño.

El caudal (Q) manifiesta la capacidad de conducción de un canal aterrizando este dato aeste proyecto se tiene la siguiente información:

Tr Q(m³/s)50 46,59100 52,37


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Según V.T. Chow, el coeficiente de Manning se puede determinar en las siguientes tablas presentes en su obra clásica “Hidráulica en Canales Abiertos”


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RESULTADOS OBTENIDOS. Canal natural con todas sus secciones

Figura 1. Perfil en el k0+46.5 en el canal natural.

En esta figura se observa el perfil del canal natural en el k0 + 46,5 con sus respectivasvelocidades presentadas por el flujo.

Figura 2. Perfil en el k0+56.5


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Figura 3. Perfil del canal en la abscisa k0+66.5

En esta imagen se ve la distribución del flujo en forma horizontal en el canal natural en elk0+66.5 donde la parte sombreada de color azul presenta una velocidad de 2m/s mientras elflujo representado de color verde y como se observa es una muy pequeña parte de toda lasección tiene una velocidad de 0,5m/s.

Figura 4. Perfil del canal natural en el k0+76.5


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Figura 5. Perfil en la abscisa k0+83.5

Este es el perfil de la sección 3 en forma horizontal en el modelo hidráulico modelado en elHecRAS perteneciente al k0+83.5 en el canal natural, se ven claramente las orillas y lasuperficie del agua en una cota aproximada de 1538.

Figura 6. Perfil de la sección 2.


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Se aprecia la línea de energía crítica en el flujo obtenida después de modelar el canal en elHecRas.

EN EL COULVERT.

Figura 7. Perfil del coulvert

Tiene un maning de 0.035 la altura del agua tiene una cota de 1538, se aprecian las orillasdel perfil (puntos rojos) y la línea de energía critica.

Figura 7.1. Perfil del coulvert


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Figura 8. Distribución del flujo en forma vertical con sus respectivas orillas y unavelocidad de 4m/s.

Figura 9. Perfil de todo el rio.

Al tener como condición de frontera los caudales y al ser estos tan grande el agua está porencima del coulvert según el perfil mostrado en esta gráfica, indicando que se debe


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modificar la geometría y algunas condiciones iniciales de esta estructura para lograr queesta cumpla con su real función conducir el agua.

Tabla 1. Parámetros en el canal natural.

En condiciones naturales hay flujo en régimen subcrítico y supercrítico esto se deduce delnúmero de Froude, por tanto se decide trabajar con un régimen supercrítico siendo esta lamejor condición para el canal de diseño dado que permite obtener velocidades altas y es lomás probable que ocurra por la presencia de los grandes caudales de diseño.

Canal en condiciones de diseño.

MODELOS.

Circular

Figura 10 Figura 11


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Figura 12

Figura 14

Figura 13

Figura 15

En todas las imágenes anteriores están indicando tener un nivel de agua que permite que elflujo circule tranquilamente por el canal. Aquí el flujo va con una velocidad de 4m/s.

Coulvert en forma circular con diámetro de 3,20m

Figura 16. Figura 17


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Se decide implementar un coulvert de forma circular en lugar de un coulvert en forma dearco por la sencilla razón de que este se modela mucho mejor y presenta mejorescondiciones de diseño pues se debe tener en cuenta como criterio de diseño la vía que estáencima del coulvert, evitando quedar tan superficial.

Figura 18.

Figura 19.

En este perfil se tiene un flujo supercrítico en el coulvert y el agua está circulando pordebajo como es la idea con este proyecto.


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Tabal 2 parametros de diseño en el coulvert circular

Se mantiene el régimen supercrítico en esta geometría también y debe ser así ser este

régimen con el que se modelo.

Box coulvert de forma rectangular Medidas 4m*3m

Figura 20. Figura 21.

Figura 21.En estas 3 figuras hay un comportamientoaceptable del agua en un coulvert deforma rectangular, además el programa lomodela perfectamente y se da régimensupercrítico. Permitiendo dejar la vía sinnecesidad de alguna modificación.


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Tabla 3 parámetros de diseño del coulvert en forma rectangular

Se tienen los dos caudales de diseño inamovibles 46.59m3/s y 52.37m3/s para los dos periodos de diseño de 50 y 100 respectivamente, además de todas las secciones modeladasen el HecRas con sus respectivos números de Froude indicando un flujo supercrítico.

Además las velocidades con la que va el flujo en cada sección considerando la magnitud delos caudales de diseño y que hay condición de flujo supercrítico estas velocidades obtenidasrepresentan condiciones de seguridad, porque son velocidades que representan elcomportamiento real del flujo.

Coulvert en forma de elipse

Figura 22. Figura 23

Esta es la tercera alternativa de diseño para el coulvert se selecciona pues se ve que elmodelo hidráulico no presenta error y se elige hacerlo en concreto


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Tabla 4. Resultados de parámetros en el coulvert en forma de elipse

En esta tabla se encuentra los numero de froude reiterando una vez más el régimen de flujo(supercrítico), por tanto se aprecian velocidades considerables en cada de las secciones.

Tabla 5. Volumen de la sección transversal por metro lineal de las tres alternativas propuestas

volumen (m3)

Rectangular 12 Elipse (8.8) Circular (8)

$3,759,792.00 $2,757,180.80 $2,506,528.00

Tabla 6. Precio comercial m3 de concreto

precio m3 concreto

$ 313,316.00


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Curva 1. Curva costo vs beneficio

La anterior curva indica en su punto de mínima cual es la geometría más económica yfavorable para realizar el coulvert que tanto nos interesa. En este caso está indicando unvolumen de 8m3 obtenidos de la sección transversal por el metro lineal como el volumenque corresponde a la forma óptima (circular) este valor representa el costo mínimo para larealización de la estructura y la más favorable de las tres alternativas propuestas.

6, $3,759,792.00

8, $2,757,180.80

10,

$2,506,528.00

$2,000,000.00

$2,200,000.00

$2,400,000.00

$2,600,000.00

$2,800,000.00

$3,000,000.00

$3,200,000.00

$3,400,000.00

$3,600,000.00$3,800,000.00

$4,000,000.00

6 8 10

costo vs beneficio

Series1


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CONCLUSIONES.

Al modelar las condiciones iniciales en el programa HecRas se observa claramente como elagua refleja una condición de flujo favorable en las secciones donde no se encuentra el

terraplén es decir en el canal natural debido que con la presencia del box-coulvert elcomportamiento del fluido es totalmente diferente pues el agua está por fuera de laestructura, es decir su nivel freático está por encima de la estructura.

Se ingresan las secciones como se encuentran en el terreno natural y a partir de allí se varíala geometría, altura y hasta cotas todo con el propósito de obtener un canal proyectadocumpliendo al 100% con todos los parámetros técnicos.

Se debe ingresar al programa el terraplén y la estructura del box-coulvert paralelamente pues este este es uno de sus usos.

Las superficies de inundación se pueden corregir por medio de la construcción de muros

(leves), tanto al costado derecho como al izquierdo.

A medida que el flujo se acerca al coulvert se hace necesario aumentar las secciones próximasa éste, debido al represamiento y/o embotellamiento que se genera a la entrada del mismo.Es necesario a su vez, construir obras de mayor altura o elementos que nos ayuden a irreduciendo las secciones antes de que el flujo se encuentre con un elemento como lo es elcoulvert donde se reduce en gran medida el ancho de la sección.

Es necesario tener criterio a la hora de realizar un cómputo en el programa Hec-Ras por loque en ocasiones los mensajes de alerta que en este salen en su mayoría es porque no setienen una bases para resolverlos como lo son por ejemplo llenar datos o realizar ediciones para que los costados de las secciones no queden recortadas.

Aunque el canal presenta una velocidad elevada y un régimen de flujo supercrítico según elnúmero de Froude, se recomienda la construcción de estructuras de disipación especialmentea la salida del coulvert, con el fin de no utilizar en éste grandes velocidades, pues se sabe queésta genera socavación en las estructuras siendo un efecto adverso para su vida útil.

Comparando el Coulvert de sección circular de diámetro 3.2 m y el Box-Coulvert de 3mX4mse pueden generar las siguientes conclusiones:

En ambos coulvert el régimen es supercrítico tal como lo demuestra el número deFroude, sin embargo en la sección circular la velocidad es mayor, esto puededeberse a las paredes redondeadas que disipan las pérdidas en mayor proporciónque las aristas del canal rectangular.


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Ambos coulvert se diseñaron para soportar un régimen supercrítico con el fin dereducir la altura de la lámina de agua, y evitar tener estructuras de gran volumen.

La cota de la lámina de agua aguas arriba de la sección circular es mayor que lacota de la lámina de agua en la sección rectangular de los culvert, con 47.27m

para la circular y 47.22m para la rectangular.

Las pérdidas de energía a la salida del coulvert fueron mayores en la seccióncircular con 0.40m VS 0.37m de la sección rectangular, y de igual forma a laentrada del coulvert con 0.28 y 0.26 respectivamente.

El Área efectiva de la sección transversal del flujo que fluye por encima de laestructura como vertedero fue mayor para el coulvert circular con 83.12m² y parael rectangular con 80.70². esto se puede explicar por la sección en arco Romanoque genera la sección circular en su parte superior.

Como conclusión final respecto al diseño de un Coulvert en nuestro concepto es mejorrealizar uno de sección rectangular puesto que es más fácil su diseño y montaje y lacapacidad de que el caudal que requerimos fluya a través de este será mucho mayor a lade una sección circular; además como se tienen velocidad elevadas para el tipo de caudalque por éste está pasando, las aristas angulares sirven como elementos de disipación deenergía.

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