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R.HydroTools

Gradación y rugosidad de diseño en canales

Keywords: hydraulics manning-roughness soil-bed-gradation

Tamaño característico del material que compone el lecho o la zona de corte en canales realineados y valores de rugosidad a utilizar en el diseño hidráulico de la sección compuesta para la aplicación de diferentes métodos de diseño (Shields, Lane) usando HEC-RAS o el libro de diseño r.cfdtools. El análisis de gradación para determinar los valores d16, d50, d65, d75, d84 y d90, utiliza como referencia la metodología Norma INV-E213-13 - Colombia - Suramérica.

Requerimientos

Ecuaciones empíricas para estimar el valor característico de la rugosidad de Manning

Basados en d50

Autor Ecuación empírica Descripción o referencia
Strikler, 1923 𝑛=0.0152(𝐷50)1⁄6 Ríos con lecho de grava en Suiza
Posada, 1998 𝑛=0.0487(𝐷50)1⁄6 Ríos de montaña con lecho de grava, Antioquia y Risaralda. Estudio en canales naturales
Keulegan, 1938 y 1949 𝑛=0.0260(𝐷50)1⁄6 Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Ramiro Marbello Pérez
Administración de carreteras federales de Estados unidos de América, 1975 𝑛=0.0395(𝐷50)1⁄6 Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Ramiro Marbello Pérez
Simons y Senturk, 1976 𝑛=0.0389(𝐷50)1⁄6 Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Ramiro Marbello Pérez
Garde y Raju, 1978 𝑛=0.039(𝐷50)1⁄6 Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Ramiro Marbello Pérez. Granulometría gruesa y libre de ondulaciones. 50% del material por peso tiene un diámetro menor.
Bray, 1979 𝑛=0.0593(𝐷50)0.179 Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Ramiro Marbello Pérez
Subramanya, 1982 𝑛=0.047(𝐷50)1⁄6 Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Ramiro Marbello Pérez

Basados en d65

Autor Ecuación empírica Descripción o referencia
Keulegan, 1938 y 1949 𝑛=0.0416(𝐷65)1⁄6 Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Ramiro Marbello Pérez
Chow, 1959 𝑛=0.0417(𝐷65)1⁄6 Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Ramiro Marbello Pérez
Raudkivi, 1975 𝑛=0.013(𝐷65)1⁄6 Continuación del trabajo de Stickler. Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín
Bray, 1979 𝑛=0.0561(𝐷65)0.179 Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Ramiro Marbello Pérez

Basados en d75

Autor Ecuación empírica Descripción o referencia
Lane y Carlson 𝑛=0.038(𝐷75)1⁄6 Obtenida a través de experimentos de campo, en canales empedrados con guijarros.

Basados en d90

Autor Ecuación empírica Descripción o referencia
Meyer - Peter y Muller, 1948 𝑛=0.038(𝐷90)1⁄6 Mezclas de materiales de fondo con una significativa muestra de materiales granulométricos d90, tiene en cuenta el acorazamiento
Keulegan, 1938 y 1949 𝑛=0.0249(𝐷90)1⁄6 Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Ramiro Marbello Pérez
Bray, 1979 𝑛=0.0495(𝐷90)0.16 Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Ramiro Marbello Pérez
Yen, 1992 𝑛=0.0384(𝐷90)0.16 Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Ramiro Marbello Pérez

Valores de referencia para las rugosidades n de Manning1

La selección de un valor apropiado de la Rugosidad n de Manning es muy significativo al momento de calcular la elevación de la lámina de agua en un canal. El n de Manning es altamente variable y depende de múltiples factores, tales como:

  • Rugosidad de la superficie o lecho
  • Vegetación acuática, en los taludes y en llanura
  • Irregularidades en el canal
  • Tipo de alineamiento (recto, sinuoso, meandriforme, trenzado...)
  • Arrastre y depositación de sedimentos
  • Obstrucciones
  • Tamaño y forma geométrica del canal
  • Almacenamiento y descarga
  • Cambios debidos a los ciclos estacionales
  • Temperatura
  • Material en suspensión y tipo de lecho.

En general, el coeficiente n de Manning debería ser calibrado a partir de observaciones realizadas respecto a la elevación de la lámina de agua en el canal (estaciones de medición limnimétricas y/o limnigráficas, marcas de agua) cuando estos datos están disponibles. Cuando no existen datos de medición de altura de lámina en el canal, se pueden utilizar valores de n obtenidos de cauces con similares condiciones o a partir de valores obtenidos experimentalmente.

Existen múltiples referencias de valores típicos de rugosidades n de Manning para canales, p. ej. en el libro de Hidráulica de canales a superficie libre de Ven Te Chow, 1959 se encuentra una compilación detallada de estos valores para los tipos de canales más usuales. En el Manual de referencia técnico del Cuerpo de Ingenieros Militares de Estados Unidos de América, se encuentra una tabla resumen de los valores típicos presentados por Chow.

Manning's n Values from www.hec.usace.army.mil

Type of Channel and Description Minimum Normal Maximum
A. Natural Streams
A1. Main Channels
a. Clean, straight, full, no rifts or deep pools 0.025 0.03 0.033
b. Same as above, but more stones and weeds 0.03 0.035 0.04
c. Clean, winding, some pools and shoals 0.033 0.04 0.045
d. Same as above, but some weeds and stones 0.035 0.045 0.05
e. Same as above, lower stages, more ineffective slopes and sections 0.04 0.048 0.055
f. Same as "d" but more stones 0.045 0.05 0.06
g. Sluggish reaches, weedy. deep pools 0.05 0.07 0.08
h. Very weedy reaches, deep pools, or floodways with heavy stands of timber and brush 0.07 0.1 0.15
A2. Flood Plains
a. Pasture no brush
1. Short grass 0.025 0.03 0.035
2. High grass 0.03 0.035 0.05
b. Cultivated areas
1. No crop 0.02 0.03 0.04
2. Mature row crops 0.025 0.035 0.045
3. Mature field crops 0.03 0.04 0.05
c. Brush
1. Scattered brush, heavy weeds 0.035 0.05 0.07
2. Light brush and trees, in winter 0.035 0.05 0.06
3. Light brush and trees, in summer 0.04 0.06 0.08
4. Medium to dense brush, in winter 0.045 0.07 0.11
5. Medium to dense brush, in summer 0.07 0.1 0.16
d. Trees
1. Cleared land with tree stumps, no sprouts 0.03 0.04 0.05
2. Same as above, but heavy sprouts 0.05 0.06 0.08
3. Heavy stand of timber, few down trees, little undergrowth, flow below branches 0.08 0.1 0.12
4. Same as above, but with flow into branches 0.1 0.12 0.16
5. Dense willows, summer, straight** 0.11 0.15 0.2
A3.Mountain Streams, no vegetation in channel, banks usually steep, with trees and brush on banks submerged
a. Bottom: gravels, cobbles, and few boulders 0.03 0.04 0.05
b. Bottom: cobbles with large boulders 0.04 0.05 0.07
B. Lined or Built-Up Channels
B1. Concrete
a. Trowel finish 0.011 0.013 0.015
b. Float Finish 0.013 0.015 0.016
c. Finished, with gravel bottom 0.015 0.017 0.02
d. Unfinished 0.014 0.017 0.02
e. Gunite, good section 0.016 0.019 0.023
f. Gunite, wavy section 0.018 0.022 0.025
g. On good excavated rock 0.017 0.02
h. On irregular excavated rock 0.022 0.027
B2. Concrete bottom float finished with sides of:
a. Dressed stone in mortar 0.015 0.017 0.02
b. Random stone in mortar 0.017 0.02 0.024
c. Cement rubble masonry, plastered 0.016 0.02 0.024
d. Cement rubble masonry 0.02 0.025 0.03
e. Dry rubble on riprap 0.02 0.03 0.035
B3. Gravel bottom with sides of:
a. Formed concrete 0.017 0.02 0.025
b. Random stone in mortar 0.02 0.023 0.026
c. Dry rubble or riprap 0.023 0.033 0.036
B4. Brick
a. Glazed 0.011 0.013 0.015
b. In cement mortar 0.012 0.015 0.018
B5. Metal
a. Smooth steel surfaces 0.011 0.012 0.014
b. Corrugated metal 0.021 0.025 0.03
B6. Asphalt
a. Smooth 0.013 0.013
b. Rough 0.016 0.016
7.Vegetal lining 0.03 0.5
C. Excavated or Dredged Channels
C1. Earth, straight and uniform
a. Clean, recently completed 0.016 0.018 0.02
b. Clean, after weathering 0.018 0.022 0.025
c. Gravel, uniform section, clean 0.022 0.025 0.03
d. With short grass, few weeds 0.022 0.027 0.033
C2. Earth, winding and sluggish
a. No vegetation 0.023 0.025 0.03
b. Grass, some weeds 0.025 0.03 0.033
c. Dense weeds or aquatic plants in deep channels 0.03 0.035 0.04
d. Earth bottom and rubble side 0.028 0.03 0.035
e. Stony bottom and weedy banks 0.025 0.035 0.04
f. Cobble bottom and clean sides 0.03 0.04 0.05
C3.Dragline-excavated or dredged
a. No vegetation** 0.025 0.028 0.033
b. Light brush on banks 0.035 0.05 0.06
C4. Rock cuts
a. Smooth and uniform 0.025 0.035 0.04
b. Jagged and irregular 0.035 0.04 0.05
C5. Channels not maintained, weeds and brush
a. Clean bottom, brush on sides 0.04 0.05 0.08
b. Same as above, highest stage of flow 0.045 0.07 0.11
c. Dense weeds, high as flow depth 0.05 0.08 0.12
d. Dense brush, high stage 0.08 0.1 0.14

Ilustraciones

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Referencias

Control de versiones

Versión Descripción Autor Horas
2022.07.25 Actualización general de documentación. rcfdtools 0.5
2021.10.19 Actualización general de análisis, gráficas y formato. rcfdtools 2
2014.09.06 Versión inicial. rcfdtools 12

Licencia, cláusulas y condiciones de uso

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Footnotes

  1. https://www.hec.usace.army.mil/confluence/rasdocs/ras1dtechref/latest/basic-data-requirements/geometric-data/energy-loss-coefficients ↩