Hidráulica básica. Manual de prácticas

Transcripción

1 7o semestre Hidráulica básica Manual de prácticas Autores: Benjamín Lara Ledesma Jesús Martín Caballero Ulaje Jorge Leonel Angel Hurtado José Manuel Díaz Barriga Juan Pablo Molina Aguilar María del Mar Navarro Farfán Miguel Ángel Rodríguez Velázquez Victor Manuel Melgarejo Méndez

2 Hidrograma de lluvia Observación de un fenómeno Deducción de principios Introducción. Las lluvias son, por lo general, el elemento que define las obras civiles que se encuentran expuestas a ellas o a los fenómenos producidos por las mismas. Por lo anterior, es fundamental conocer su comportamiento y establecer la forma de registrarlas y medir su comportamiento. Un hidrograma es una herramienta gráfica para tal fin. Objetivo. Comprender la forma en que se mide la precipitación y algunos aspectos básicos para su análisis, así como la forma de asociarla al escurrimiento producido por la acción de la misma, mediante la generación de un hidrograma. Definiciones Pluviógrama. Es el registro que se obtiene de un pluviógrafo. Curva masa de precipitación. Es la representación de la altura de precipitación acumulada a través del tiempo, desde el inicio de la tormenta hasta su terminación, esta curva no es decreciente, la pendiente en cualquier tiempo, es igual a la intensidad de la lluvia (altura de precipitación por unidad de tiempo) en ese instante. 1

3 hp (mm) Donde: Intensidad de la lluvia en mm/h Incremento de lluvia en el intervalo en mm Incremento del tiempo en h t p t (hrs) Curva masa de precipitación Hietograma. Representación discreta de la curva masa de precipitación a intervalos de tiempo predefinidos. Hidrograma. Es un gráfico que muestra la variación en el tiempo de alguna información hidrológica tal como: nivel de agua, caudal, carga de sedimentos, etc. para un río, arroyo o canal. Q (m³/s) t p B C Rama ascendente Curva de recesión A Escurrimiento directo Escurrimiento base Q b D t 0 t b t (hrs) Elementos de un hidrograma 2

4 Punto de levantamiento (A) Pico (B) Punto de inflexión (C) Tiempo de pico (tp) Tiempo base (tb) Escurrimiento directo Final del escurrimiento directo (D) Escurrimiento base. Es el gasto existente en la cuenca producto del escurrimiento permanente y el escurrimiento subterráneo, que de manera más lenta llega hasta la salida de la cuenca (puede tardar años en llegar). El análisis de hidrogramas se realiza fundamentalmente para encontrar su relación con la tormenta que lo produce, esto implica separar el caudal directo y el caudal base para su consideración en el análisis del hidrograma unitario. Algunos métodos para la separación del flujo base son: a) El método de la línea recta, el cual consiste en dibujar una línea horizontal desde el punto en el cual inicia el escurrimiento directo superficial hasta la intersección con el segmento de recesión. Este método es aplicable a las corrientes efímeras. b) El método del flujo base fijo, que supone que el escurrimiento superficial termina en tiempo fijo N (fórmula siguiente) después del pico del hidrograma. El flujo base antes de que inicie el escurrimiento se proyecta hacia adelante hasta el momento del pico, luego se utiliza una línea recta para conectar está proyección con el momento del pico con el punto en el segmento de recesión en el tiempo N después del pico. Dónde: N A. N = Tiempo de vaciado de la cuenca en días A = Área de cuenca hidrológica en km² c) El método de la pendiente variable, en el cual la curva de flujo base antes del escurrimiento se extrapola hacia adelante hasta alcanzar el tiempo pico del caudal, y la curva del flujo base después de que ha terminado el escurrimiento se extrapola hacia atrás hasta el momento del punto de inflexión en el segmento de recesión. Luego se utiliza una línea recta para conectar los extremos de las líneas que se extrapolan. 3

5 Q (m³/s) Punto de Inflexión N c) b) a) t (hrs) Metodologías para la separación del flujo base Materiales y equipo. Pluviógrafo, mesa de lluvia, cronómetro, flexómetro y probeta. Proceso de cálculo Procedimiento (primera parte) Previo a la realización de la actividad verificar que el pluviógrafo contenga los elementos necesarios para su uso adecuado, esto es que el cilindro contenga la gráfica y la plumilla contenga tinta. 1. Activar el pluviógrafo mediante el tornillo de reloj ubicado en la parte superior del cilindro. 2. Agregar agua con la probeta de manera gradual en la parte superior del pluviógrafo. 3. Si el agua de la probeta no es suficiente agregar más, hasta lograr visualizar el movimineto de la plumilla sobre el registro. Actividades (primera parte) 1. Del registro generado por el pluviógrafo obtener la curva masa de precipitación. 2. A partir de la curva masa de precipitación y para un intervalo de tiempo Δt = 2 min. Obtener el hietograma de precipitación con al ayuda de la tabla siguiente. 4

6 Hietograma de precipitación Hora Altura de lluvia hp Variación de hp Hietograma de precipitación ( t=2 min) hp (mm) min mm Δt= 2 min t (min) Procedimiento (segunda parte) 1. Verificar que el depósito de equipo hidrológico contenga una capa de arena de 20 cm de espesor y se encuentre con un desnivel del 4 cm aproximadamente, y que en los extremos no estén colocadas las placas vertedoras. 2. Asegurarse que los tubos de drenaje de los depósitos extremos estén al mismo nivel, es dicir al nivel de la capa de arena aproximadamente. 3. Conectar el equipo y arrancar la bomba para flujo subterráneo (ground water pump) y abrir las vávulas de suministro, procurando que el caudal que circulará por el estrato de arena no se convierta en escurrimiento superficial. 4. Al observar que se está produciendo la descarga a través del vertedor derecho, registrar la carga manométrica sobre él en la tabla siguiente. 5. Encender la bomba para la generación de lluvia (rain water pump), y abrir las válvulas de los aspersores con un minuto de separación entre cada serie, iniciando por la serie de aspersores más lejanos, simultáneamente iniciar el registro de la carga sobre el vertedro a cada minuto aproximadamente, el cual se anotará en la tabla siguiente. 6. Al tener un flujo continuo a través del vertedor, apagar la bomba para generación de lluvia y continuar con el registro de la altura manométrica en el vertedor hasta que se tenga una carga constante o se llegue a la carga inicial. 7. Si ya no se observan cambios en la descarga, apagar la bomba de flujo subterráneo. 8. Determinar el gasto desalojado por el vertedor mediante la siguiente ecuación: 5

7 En donde: Q = Gasto (L/min) h = Carga sobre el vertedor (mm) Actividades (segunda parte) 1. Elaborar el hidrograma de la lluvia, al graficar el gasto como función del tiempo (t vs. Q). 2. Con alguno de los métodos anteriores obtener el gasto base y el volumen de escurrimiento directo y la precipitación en exceso con la siguientes expresiones: Donde: Volumen del escurrimiento directo (L) Caudal de escurrimiento directo (L/min) Intervalo de tiempo seleccionado (minutos) 1 min Lamina de lluvia en exceso (mm) Área de la cuenca (m²), ( 1.28 m²) 3. Físicamente, qué representa el área bajo la curva del hidrograma?, es decir igual manera,?? de 6

8 Tiempo h vertedor Q Escurrimiento total Escurrimiento base Escurrimiento directo min mm L/min L/min L/min L/min Σ = Conclusiones. Deberán ser aportadas por parte del alumno durante la práctica. 7