Redes de Flujo en Presas

UNIVER UNIV ERSIDAD SIDAD NA NACI CIONAL ONAL AUTÓNOM A UTÓNOMA A DE CHOTA CHOT A ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

CURSO

: MECÁNICA DE SUELOS II

DOCENTE : ING. CALDERÓN VÁSQUEZ, Carlos Octavio.

TEMA

: REDES DE FLUJO EN EL PROGRAMA GEOESTUDIO.

ALUMNO

: BUSTAMANTE DELGADO Wilson J.

CICLO

: VI

CHOTA PERÚ PERÚ 2016 –

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE CHOTA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

I. INTRODUCCIÓN. Dentro de la asignatura de Mecánica de Suelos II se intenta poner en contacto al alumnado con programas de uso habitual en la práctica de la Ingeniería del Terreno. La elección del programa SEEP/W se debe fundamentalmente a: Posee una licencia para uso de estudiantes sin coste, con algunas limitaciones de uso, pero suficiente para el aprendizaje. Es fácil de aprender y muy intuitivo Dentro de los programas del paquete Geoestudio de la empresa Geoslope, nos introduciremos en el uso del programa SEEP/W , para la modelización y estudio de las redes de flujo en medios permeables. Esperando que este texto de introducción al programa Seep/W 2012 sea útil a estudiantes de la asignatura, así como a profesionales de la geotecnia que quieren usar este tipo de herramientas de cálculo en la toma de decisiones dentro de los procedimientos de análisis de redes de flujo. En la página web de la empresa propietaria del paquete es posible bajarse la versión para estudiantes comentada anteriormente con algunas limitaciones de uso, éste manual se adecua a dicha versión limitada pero suficiente para introducirse en el uso del programa. Se intenta con este trabajo realizado, que el alumno una vez termine de poner en práctica los pasos descritos esté capacitado para al menos en un estado inicial poder enfrentarse a problemas de redes de flujo en las modalidades que normalmente aparecen en actividad del ingeniero, pantallas, presas de materiales sueltos etc. Este texto está basado en el tutorial de la versión 5.11, que se usó adaptándolo a la versión 2007.

Mecánica de suelos II


II. OBJETIVOS. 1.1. Objetivo General. Aprender a utilizar el programa Geoestudio para desarrollar redes de flujo en presas.

1.2. Objetivos Específicos. Confeccionar la red de flujo para una presa impermeable en forma gráfica, determinando las líneas de flujo y las equipotenciales que la determinan, cumpliendo la condición de ortogonalidad entre éstas y formar cuadrados curvilíneos. Por medio de la red de flujo confeccionada determinar el caudal que se infiltra en la presa, conocida la permeabilidad K del suelo.



III. MARCO TEÓRICO. 3.1.FILTRACIÓN EN PRESAS. En toda obra se debe analizar las condiciones que posee el suelo, una de estas debe ser la filtración del agua; páralo cual se debe establecer como se encuentra el nivel freático.

El nivel freático nos ayuda establecer si el agua se encuentra en reposo o en movimiento. En el agua en reposo los poros del suelo juegan una gran importancia porque aquí es cuando se produce una ascensión capilar. El agua en movimiento produce filtraciones de agua promedio de los poros del suelo, en este caso se emplea el termino de potencial hidráulico. La permeabilidad del suelo también interviene en el agua en movimiento; dicha permeabilidad es la relación que existe entre la velocidad de filtración y el gradiente hidráulico. Debido a que el flujo del agua en el suelo es variable se realiza una idealización de acuerdo a la ley de DARCY El flujo de agua en un medio saturado se puede representar mediante líneas de flujo, esta es la dirección que toman las partículas de agua en movimiento. A partir de esto podemos establecer una red de flujo de agua, esta es la combinación de las líneas de flujo y las líneas equipotenciales.

3.2.REDES DE FLUJO La red de flujo es una representación gráfica de la solución de la ecuación de Laplace para f y y con las condiciones de frontera existentes en el flujo.

a) Propiedades de las redes de flujo. El caudal que fluye entre dos líneas consecutivas es el mismo por unidad de ancho. Mecánica de suelos II


Ni las líneas equipotenciales pueden cortarse entre sí, dentro del medio fluido, ni las líneas de corriente pueden cortarse entre sí dentro del medio fluido

Se trata entonces de definir en cada caso las condiciones de frontera específicas del problema y trazar, cumpliendo con estas, las dos familias de curvas ortogonales, obteniendo así una verdadera imagen gráfica del problema, que si a sido realizada con cuidado podrá ser lo suficientemente buena para los fines ingenieriles.

b) Para el trazo de una red de flujo se tienen los siguientes pasos: Dibujar los límites del dominio Fijar tentativamente 3 ó 4 líneas de corriente. Trazar tentativamente equipotenciales, ortogonales a las líneas de corriente. Comprobar la bondad del ajuste si al trazar las líneas diagonales de los cuadros se obtienen también curvas suaves, formando una nueva red.



c) Red de flujo en un medio homogéneo e isotrópico en estado estacionario. La red de flujo es el conjunto de l as líneas de corriente (ψ) y equipotenciales (Φ). Las curvas de equipotenciales son constantes (Φ=cte.), de igual forma las líneas de corriente son las curvas ψ=cte. y entre ellas forman una

red ortogonal, si estas curvas son dibujadas a intervalos constantes, el flujo entre dos líneas de corriente contiguas es el mismo, lo cual permite determinar el caudal circulante en una sección, conocida la permeabilidad del medio. La regla común de construcción de redes de flujo se basa en formar cuadrados curvilíneo s, donde Δn/Δs=1, las cuales fueron establecidas por Prasil y más tarde por Forchheimer, para la construcción del trazado de una red de flujo se debe: Dibujar límites del dominio de flujo a escala (la misma en horizontales y verticales), para que todas las líneas equipotenciales y de corriente que se dibujen puedan acabar sobre los límites. Trazar tres a cuatro líneas de corriente tentativamente. Trazar tentativamente las líneas equipotenciales, las cuales deben cortar a todas las líneas de corriente, incluidas las limitantes, formando ángulos rectos, y cuadrados, excepto en los puntos singulares. Ajustar líneas de corriente y equipotenciales hasta lograr la ortogonalidad y la formación de cuadrados curvilíneos. El caudal circulante se determina mediante la ecuación: Q  kH 

N t N cp

Una vez dibujada la red de flujo, si se desea saber el flujo que pasa por un punto P, se determina:



Velocidad de flujo (caudal por unidad de sección): V p



V p



 1 s





  1

2



s

También:  1 n





2

  1



n

3.3.PERMEABILIDAD. La permeabilidad de los suelos depende de varios factores: Viscosidad del flujo, distribución del tamaño de los poros, distribución granulométrica, relación de vacíos, rugosidad de las partículas minerales y graos de saturación del suelo. En los suelos arcillosos, la estructura juega un papel importante en la permeabilidad. Otros factores mayores que afectan la permeabilidad de las arcillas son la concentración iónica y el espesor de las capas de agua adherida a las partículas de arcilla. Valores típicos de permeabilidad para suelos saturados.

El valor del coeficiente de permeabilidad “k” varía ampliamente para diferentes suelos. En la tabla se dan algunos valores típicos para suelos saturados. La permeabilidad de los suelos no saturados es menor y crese rápidamente con el grado de saturación. La permeabilidad también está relacionada con las propiedades de los fluidos que pasa a través del suelo por la siguiente ecuación:



=

 

̅ 

Donde:

γw = Peso específico del agua.  = Viscosidad del agua. ̅ = Permeabilidad absoluta.  ̅, se expresa en unidades de longitud al La permeabilidad absoluta, 

cuadro, es decir, en cm 2)

IV. CALCULO MEDIANTE EL PROGRAMA. Iniciando el programa GEOESTUDIO – SEEP/W

Configuramos la pestaña donde se realizaran los cálculos respectivos posteriormente y luego CLOSE.



Ahora configuramos la ventana de trabajo en PAGE

Colocamos en (mm) y las siguientes dimensiones que se muestran en la imagen y finalmente ACEPTAR.

Configuramos la página en escalas y establecer las dimensiones tal cual lo indican las figuras adjuntas y finalmente pulsar ACEPTAR.



Ahora configuramos la localización del modelo.

Introducimos los números que se muestran en la figura y cerrar.

Se muestra la siguiente figura con las coordenadas ya configuradas.



Introducimos los puntos de la presa.

Unimos los puntos con línea para obtener la figura.



Configuramos el tipo de material que conforma el cuerpo de la Presa obtenidos del estudio.

Introducimos el material con su respectiva permeabilidad.

Bien ahora signemos las características de la configuración de los materiales para nuestra presa.



Configuremos las condiciones de contorno. Primero aguas arriba a una altura de 13m.

Segundo aguas abajo a una altura de 8m.

Tercero el contorno impermeable en caudal total.



Ahora dibujamos los límites de contorno.

Añadimos las secciones de flujo entre el cuerpo de la presa.



RESULTADOS ESPERADOS Visualicemos los resultados a través del siguiente icono.



V. INFORME QUE NOS BOTA EL PROGRAMA.

PRACTICA N° 1 SEEP/W Reporte generado utilizando GeoStudio 2012. Copyright © 1991-2015 GEO-SLOPE International Ltd.

File Information File Version: 8.15 Revision Number: 2 Date: 03/08/2016 Time: 01:59:26 a.m. Tool Version: 8.15.1.11236 File Name: JHAN 10.gsz Directory: D:\UNACH\VI CICLO\Mecanica de suelos\ Last Solved Date: 03/08/2016 Last Solved Time: 01:59:32 a.m. Project Settings Length(L) Units: Metros Time(t) Units: Segundos Force(F) Units: Kilonewtons Pressure(p) Units: KPA Mass(M) Units: Gramos Mass Flux Units: g/seg Unit Weight of Water: 9.807 kN/m³ View: 2D Element Thickness: 1 Analysis Settings Practica N° 1 SEEP/W Description: FLUJO ATRAVES DE UNA PRESA Kind: SEEP/W Method: Estado Estacionario Settings Include Air Flow: No Control Apply Runoff: Sí Convergence Maximum Number of Iterations: 500 Minimum Pressure Head Difference: 0.005 Significant Digits: 2 Max # of Reviews: 10 Hydraulic Under-Relaxation Criteria Under-Relaxation Initial Rate: 1 Under-Relaxation Min. Rate: 0.1 Under-Relaxation Reduction Rate: 0.65 Under-Relaxation Iterations: 10 Mecánica de suelos II


Equation Solver: Directo Paralelo Time Starting Time: 0 seg Duration: 1 seg Ending Time: 1 seg

Materials Arcilla Limosa Model: Saturado Solamente Hydraulic Sat Kx: 3.546e-006 m/seg Ky'/Kx' Ratio: 1 Rotation: 0 ° Volumetric Water Content: 0 m³/m³ Mv: 0 /KPA Boundary Conditions Aguas Arriba Type: Head (H) 13 Review: No Aguas Abajo Type: Head (H) 8 Review: No Impermeable Type: Total Flux (Q) 0 Review: No Flux Sections Flux Section 1 Coordinates Coordinate: (12, 0) m Coordinate: (12, 9) m Points Point 1 Point 2 Point 3 Point 4 Point 5 Point 6

X (m) Y (m) 0 0 0 7 0 13 7 6 7 7 7 13



Point 7 Point 8 Point 9 Point 10 Point 11 Point 12 Point 13 Point 14 Point 15 Point 16

7 10 17 17 17 24 24 17 7 17

14 14 6 8 9 0 7 7 0 0

Lines

Line 1 Line 2 Line 3 Line 4 Line 5 Line 6 Line 7 Line 8 Line 9 Line 10 Line 11 Line 12

Start Point 2 1 5 15 4 15 16 9 14

End Point 1 15 2 4 5 16 9 4 9

Hydraulic Boundary Impermeable Impermeable Aguas Arriba

16

12

Impermeable

7

0

12

13

Impermeable

7

90

13

14

Aguas Abajo

7

0

Impermeable Impermeable Impermeable Impermeable

Regions Material Points Region 1 Arcilla Limosa 2,1,15,4,5 Region 2 Arcilla Limosa 4,15,16,9 Region 3 Arcilla Limosa 14,9,16,12,13


Area (m²) 49 60 49

Length (m) 7 7 7 6 1 10 6 10 1

Angle (°) 90 0 0 90 90 0 90 0 90


VI. BIBLIOGRAFÍA. Braja_M._Das_-_Fundamentos_de_Ingenieria_Geotecnica. “Mecánica de suelos ” Peter L. Berry – David Reíd. “Geotecnia y cimientos I” J. A. Jiménez Salas – J. L. de Justo a.

http://hidrologia.usal.es/practicas/redes_flujo/Solucion_flujo_presa.pdf http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/03_clases_catedra/clases_catedra_ms2/agu a_en_los_suelos_2.pdf.


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