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  • 1. “UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil “AÑO DEL CENTENARIO DE MACHU PICCHU PARA EL MUNDO”CATEDRA : CHAVEZ LOPEZ, Mabel AliciaINTEGRANTES : ALANYA HUAMAN, David Erick ARÍZAPANA ESPEZA, Frank Leo CAMPOS MALLMA, Erick MALDONADO SANDOVAL, Efraín QUISPE QUISPE, Florentino Eduardo ROMERO VELIZ, Eduardo VARILLAS OLIVERA José MiguelCICLO : “I”AULA : A-5 HUANCAYO - PERÚ 2011: ICARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 2. “UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil INTRODUCCIÓNEntre todos los recursos naturales, el más importante para el bienestar de la humanidades el agua. Durante milenios constituyo un patrimonio enteramente disponible del que loshabitantes de la Tierra se servían despreocupadamente.Con el progreso surgieron los agrupamientos urbanos, cuyas múltiples actividades cada díaexigen mayor cantidad de agua. El abastecimiento para suplir esta necesidad, se vuelve enextremo complejo e implica factores técnicos, sociales, económicos, legales y políticosadministrativos.En muchas ocasiones, el problema no se limita solamente al aprovisionamiento del aguapara uso doméstico e industrial, sino que se extiende a la agricultura y a la ganadería, lasque dependen de la cantidad y distribución de las lluvias.El agua necesaria para satisfacer todas las exigencias del mundo moderno proviene demanantiales superficiales o subterráneos. Como el hombre se ha comportado generalmentecomo un elemento contra el orden del sistema natural, las aguas superficiales están casitotalmente contaminadas.El agua no se distribuye uniformemente en el tiempo y el espacio. A veces se encuentrangrandes volúmenes lejos de los centros de población o cuando están próximas, puedenresultar impropias para el consumo. A veces pequeños ríos tienen agua en condicionessatisfactorias, pero no son aprovechables porque en ciertas épocas del año, su flujo es nulo.La responsabilidad del control y distribución de las aguas normalmente compete a losgobiernos y las comunidades, pero los aspectos técnicos de estas actividades encajan dentrode las responsabilidades del ingeniero civil. Le corresponde entre otras cosas,proyectar, diseñar, construir y administrar las obras relacionadas con ríos, canales,presas, sistemas de irrigación y drenaje, redes de abastecimiento de agua, alcantarilladopluvial y sanitario; en realidad, él es el ingeniero por excelencia del ambiente.La responsabilidad del ingeniero civil es inmensa porque los conocimientos de laHidráulica se basan en cientos de años de empirismo, muchos años de estudios teóricos yde análisis científicos, y pocos años de experiencia con las técnicas modernas deinstrumentación y computación aplicada a los problemas relacionados con los recursoshidráulicos.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 3. “UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería CivilEl flujo con superficie libre probablemente es el fenómeno de flujo que con más frecuenciase produce en la superficie de la tierra. Las corrientes de los ríos y las corrientes de aguade lluvia son ejemplos que suceden en la naturaleza. Las situaciones inducidas por los sereshumanos incluyen flujos en canales y alcantarillas, escurrimientos sobre materialesimpermeables, tales como lechos y movimientos de las olas en puertos. En todasestas situaciones, el flujo se caracteriza por una interfaz entre el aire y la capa superiordel agua, la cual se llama Superficie Libre. En esta superficie libre, la Presión es constante,y en casi todas las situaciones, ésta es la presión Atmosférica. En la práctica de laingeniería, el fluido que la mayoría de los canales abiertos transportan es agua.Cuando comprobamos que dos tercios de la población mundial viven en condicionesprecarias y que una de las primeras medidas para mejorar su patrón de vida es elaprovechamiento racional de los recursos hidráulicos y que compete principalmente alingeniero civil, al estudio de estas medidas, faltan las palabras para describir la importanciade esta profesión.ANTECEDENTES. Después del aire que respiramos, el agua es el elemento más esencial para el hombre. Sin el agua, la vida animal o vegetal seria imposible. También es un medioCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 4. “UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil eficiente de transferencia de calor y energía y es el solvente más universal que se conoce. Desde hace por lo menos 5000 años el hombre ha inventado y construido obras para el aprovechamiento del agua; entre las más antiguas están los CANALES, usados para llevar el agua de un lugar a otro.DEFINICIÓN: Los canales son conductos abiertos o cerrados en los cuales el agua circula debido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del líquido está en contacto con la atmósfera; esto quiere decir que el agua fluye impulsada por la presión atmosférica y de su propio peso. (Figura 1.1). Figura 1.1. Flujo en conductos.CLASIFICACIÓN DE LOS CANALES: De acuerdo con su origen los canales se clasifican en: a) Canales naturales: Incluyen todos los cursos de agua que existen de manera natural en la tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños arroyuelos en zonas montañosas, hasta quebradas, ríos pequeños y grandes, arroyos, lagos y lagunas. Las corrientes subterráneas que transportan agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos naturales. La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy irregular y variable durante su recorrido (Fig.1.2a, b y c), lo mismo que su alineación y las características y aspereza de los lechos.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 5. “UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil Figura 1.2a Sección transversal irregular. Figura 1.2b. Sección transversal irregular. Figura 1.2c. Sección transversal irregular río “Matamba”, Cuicatlan. b) Canales artificiales: Los canales artificiales son todos aquellos construidos o desarrollados mediante el esfuerzo de la mano del hombre, tales como: canales de riego, de navegación, control de inundaciones, canales de centrales hidroeléctricas, alcantarillado pluvial, sanitario, canales de desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras, cunetas de drenaje agrícola y canales de modelos construidos en el laboratorio. Los canales artificiales usualmente se diseñan con forma geométricas regulares (prismáticos), un canal construido con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. El término sección de canal se refiere a la sección transversal tomado en forma perpendicular a la dirección del flujo. (Fig.1.3). Las secciones transversales más comunes son las siguientes: Sección trapezoidal: Se usa en canales de tierra debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad, y en canales revestidos. Sección rectangular: Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos con materiales estables, acueductos de madera, para canales excavados en roca y para canales revestidos.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 6. “UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil Sección triangular: Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, también en canales de tierra pequeños, fundamentalmente por facilidad de trazo. También se emplean revestidas, como alcantarillas de las carreteras. Sección parabólica: Se emplea en algunas ocasiones para canales revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos de tierra. (Fig.1.3, 1.4 y 1.4.a).SECCIONES CERRADAS Sección circular: El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaños pequeño y mediano. Sección parabólica: Se usan comúnmente para alcantarillas y estructuras hidráulicas importantes. Fig. 1.3. Canal prismático. Sección transversal.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 7. “UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil Rectangular Trapecial Compuesta Semi circular Circular uraCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 8. “UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil Canales de riego por sufunción. Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones: Canal de primer orden.- Llamado también canal principal o de derivación y se le traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos (cerros). Canal de segundo orden.- Llamados también laterales, son aquellos que salen del canal principal y el gasto que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego. Canal de tercer orden.- Llamados también sub-laterales y nacen de los canales laterales, el gasto que ingresa a ellos es repartido hacia las parcelas individuales a través de las tomas granjas. Elementos geométricos de los canales: Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que pueden ser definidos por completo por la geometría de la sección y la profundidad del flujo. Estos elementos son muy importantes y se utilizan con amplitud en el cálculo de flujo. Para secciones de canal regulares y simples, los elementos geométricos pueden expresarse matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y de otras dimensiones de la sección. La forma mas conocida de la sección transversal de un canal es la trapecial, como se muestra en la fig.1.5. T L B 1  A d t x b Fig. 1.5. Elementos geométricos más importantes. Tirante de agua o profundidad de flujo “d”: Es la distancia vertical desde el punto más bajo de una sección del canal hasta la superficie libre, es decir la profundidad máxima del agua en el canal.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 9. “UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil Ancho superficial o espejo de agua “T”: Es el ancho de la superficie libre del agua, en m. Talud “m”: Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la pared lateral (se llama también talud de las paredes laterales del canal). Es decir “m” es el valor de la proyección horizontal cuando la vertical es 1, aplicando relaciones trigonométricas. Es la cotangente del ángulo de reposo del material ( ) , es m  y depende del tipo x decir d de material en que se construya el canal, a fin de evitar derrumbes (ver Tabla 1). Por ejemplo, cuando se dice que un canal tiene talud 1.5:1, quiere decir que la proyección horizontal de la pared lateral es 1.5 veces mayor que la proyección vertical que es 1, por lo tanto el talud m = 1.5, esto resulta de dividir la proyección horizontal que vale 1.5 entre la vertical que vale 1. Coeficiente de rugosidad (n) : depende del tipo de material en que se aloje el canal (verTabla 2). Pendiente (S ) : es la pendiente longitudinal de la rasante del canal. Área hidráulica ( A) : es la superficie ocupada por el agua en una sección 2 transversal normal cualquiera (Fig. 6), se expresada en m . Perímetro mojado (P) : es la longitud de la línea de contorno del área mojada entre el agua y las paredes del canal, (línea resaltada Fig. 6), expresado en m. Radio hidráulico (R) : es el cociente del área hidráulica y el perímetro A R  , en mojado. m. P Ancho de la superficial o espejo del agua (T ) : es el ancho de la superficie libre del agua, expresado en m. Tirante medio (dm) : es el área hidráulica dividida por el ancho de la superficie libre del A agua (T ) . dm  T , se expresa m. ( Lb) : es la distancia que hay desde la superficie libre del agua hasta la Libre bordo corona del bordo, se expresa en m. Gasto (Q) : es el volumen de agua que pasa en la sección transversal del canal 3 en la unidad de tiempo, y se expresa en m /s.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 10. “UNIVERSIDAD PERUANA LOS ANDES” Introducción a la ingeniería Civil Velocidad media (V ) : es con la que el agua fluye en el canal, expresado en m/s. Factor de sección para el cálculo de flujo crítico: Es el producto del área mojada y la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica. Factor de sección Z= =A Tabla 1. Taludes apropiados para distinto tipos de materiales en el diseño de canales. Material Talud Valor de  Roca ligeramente alterada 0.25:1 75º 58’ Mampostería 0.4:1 y 0.75:1 68º 12’ Roca sana y tepetate duro 1:1 45º Concreto 1:1 ó 1.25:1 45º y 38º 40’ Tierra arcillosa, arenisca, tepetate blando 1.5:1 33º Material poco estable, arena, tierra arenisca. 2:1 26º Tabla 2. Valores del coeficiente de rugosidad de (n) para ser aplicado en su Manning ecuación.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 11. Valores Tipo de Material Mínimo Normal Máximo Roca (con saliente y sinuosa) 0.035 0.040 0.050 Tepetate (liso y uniforme) 0.025 0.035 0.040 Tierra 0.017 0.020 0.025 Mampostería seca 0.025 0.030 0.033 concreto 0.013 0.017 0.020 Polietileno (PVC) 0.007 0.008 0.009 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL FLUJO A SUPERFICIE LIBRE. Comparación entre flujo en tuberías y flujo en canales abiertos. El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en tubería. Estas dos clases de flujo son similares en muchos aspectos pero se diferencian en un aspecto importante. El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo en tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar completamente el conducto. Una superficie libre está sometida a la presión atmosférica. El flujo en tubería, al estar confinado en un conducto cerrado, no está sometido a la presión atmosférica de manera directa sino sólo a la presión hidráulica. El flujo de un fluido en un canal se caracteriza por la exposición de una superficie libre a la presión atmosférica. El agua que fluye en un canal se ve afectada por todas las fuerzas que intervienen en el flujo dentro de un tubo, con la adición de las fuerzas de gravedad y de tensión superficial que son la consecuencia directa de la superficie libre. Las dos clases de flujo se comparan en la Figura 1.6. A la izquierda de ésta se muestra el flujo en tubería. Dos piezómetros se encuentran instalados en las secciones (1) y (2) de la tubería. Los niveles de agua en estos tubos se mantienen por acción de la presión en la tubería en elevaciones representadas por la línea conocida como línea de gradiente hidráulico. La presión ejercida por el agua en cada sección del tubo se indica en el tubo piezométrica correspondiente, mediante la altura d de la columna de agua por encima del eje central de la tubería. La energía total del flujo en la sección con referencia a una línea base es la suma de la elevación Z del eje central de la tubería, la altura piezométrica (d) y la altura de velocidad V²/2g, donde V es la velocidad media del flujo (aquí se supone que la velocidad del canal está uniformemente distribuida a través de la sección del conducto. En la figura la energía está representada por la línea conocida como línea de energía. La pérdida de energía que resulta cuando el agua fluye desde la sección (1) hasta la sección (2) está representada por hf. Un diagrama similar para el flujo en canal abierto se muestra en la parte derecha de la Figura 2-1. Se supone que el flujo es paralelo y que tiene unaCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 12. distribución de velocidades uniforme y que la pendiente del canal es pequeña. En este caso, la superficie de agua es la línea de gradiente hidráulico, y la profundidad del agua corresponde a la altura piezométrica. Figura 1.6 comparación entre flujo en tubería y flujo en canales abiertos. Se considera que el flujo uniforme tiene las siguientes características principales: Ø La profundidad, el área mojada, la velocidad y el caudal en la sección del canal son constantes. Ø La línea de energía, la superficie del agua y el fondo del canal son paralelos; es decir, sus pendientes son todas iguales, o Sf = Sw = Sc = S Se considera que el flujo uniforme es sólo permanente, debido a que el flujo uniforme no permanente prácticamente no existe. En corrientes naturales, aún el flujo uniforme permanente es raro, debido a que en ríos y corrientes en estado natural casi nunca se experimenta una condición estricta de flujo uniforme. A pesar de esto, a menudo se supone una condición de flujo uniforme para el cálculo de flujo en corrientes naturales. El flujo uniforme no puede ocurrir a velocidades muy altas, ya que atrapa aire y se vuelve muy inestable.CLASIFICACIÓN DEL FLUJO EN CANALESABIERTOS. El flujo en canales abiertos puede clasificarse en muchos tipos y describirse de varias maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio de los parámetros profundidad, velocidad, área etc. del flujo con respecto al tiempo y al espacio.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 13. La clasificación del flujo en canales abiertos se resume de la siguiente manera: A. Flujo permanente 1 Flujo uniforme 2. Flujo variado a. Flujo gradualmente variado b. Flujo rápidamente variado b. Flujo no permanente 1. Flujo uniforme no permanente (raro) 2. Flujo variado no permanente a. Flujo gradualmente variado no permanente b. Flujo rápidamente variado no permanente En la Figura 1-20 se muestra un canal largo con tres pendientes diferentes: subcrítica, crítica y supercrítica. En la pendiente subcrítica el agua en la zona de transición aparece ondulante. El flujo es uniforme en el tramo medio del canal pero variado en los dos extremos. En la pendiente crítica la superficie del agua del flujo crítico es inestable. En el tramo intermedio pueden ocurrir ondulaciones, pero en promedio la profundidad es constante y el flujo puede considerarse uniforme. En la pendiente supercrítica la superficie de agua transitoria pasa del nivel subcrítico al nivel supercrítico a través de una caída hidráulica gradual. Después de la zona de transición el flujo se aproxima al uniforme. La profundidad del flujo uniforme se conoce como profundidad normal. En todas las figuras la línea de trazos cortos representa la línea de profundidad normal, abreviada como L.P.N., y la línea punteada representa la línea de profundidad crítica o L.P.C.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 14. Figura 1.21. Presencia de flujo figura 1.21a flujouniforme en canales revestidos,uniforme, canal principal “unidad secciónrectangular.riego Ixtepec”. Oax.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 15. Figura 1.21b Flujo uniforme en canales prismáticos, unidad de riego rural“Matamba”,Cuicatlan.Ecuación de Manning para determinar la velocidad en el sistema inglés.Tabla 6. Valores del coeficiente “n” de Manning. Valores Material Mínimo Normal Máximo Arroyo de montaña con 0.035 0.040 0.050 muchas piedras. Tepetate (liso y uniforme). 0.025 0.035 0.040 Tierra en buenas condiciones. 0.017 0.020 0.025 Tierra libre de vegetación. 0.020 0.025 0.033 Mampostería seca. 0.025 0.030 0.033 Mampostería con cemento. 0.017 0.020 0.025CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 16. Concreto. 0.013 0.017 0.020 Asbesto cemento. 0.09 0.010 0.011 Polietileno y PVC. 0.007 0.008 0.009 Fierro fundido (Fo. Fo). 0.011 0.014 0.016 Acero. 0.013 0.015 0.017 Vidrio, cobre. 0.009 0.010 0.010ELEMENTOS BASICOS DEL DISEÑO DE CANALESSe consideran algunos elementos topográficos, secciones, velocidades permisibles, entreotros: • Trazo de canales.- Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información básica: • Fotografías aéreas, para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación, etc. • Planos topográficos y catastrales. • Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que pueda conjugarse en el trazo de canales.Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazopreliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios,obteniéndose finalmente el trazo definitivo.En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relievedel canal, procediendo con los siguientes pasos: a. Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona, anotándose todos los detalles que influyen en la determinación de un eje probable de trazo, determinándose el punto inicial y el punto final. b. Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es máximo a cada 20 m. c. Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea: • ○ Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500. ○ Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000. • Radios mínimos en canales.- En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con radios mayores al mínimo no significa ningún ahorro de energía, es decirCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 17. la curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo.Las siguientes tablas indican radios mínimos según el autor o la fuente:Tabla DC01. Radio mínimo en canales abiertos para Q > 10 m3/s Capacidad del canal Radio mínimo Hasta 10 m3/s 3 * ancho de la base De 10 a 14 m3/s 4 * ancho de la base De 14 a 17 m3/s 5 * ancho de la base De 17 a 20 m3/s 6 * ancho de la base De 20 m3/s a mayor 7 * ancho de la base Los radios mínimos deben ser redondeados hasta el próximo metro superiorFuente: "International Institute For Land Reclamation And Improvement" ILRI,Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands 1978.Tabla DC02. Radio mínimo en canales abiertos en función del espejo de agua CANALES DE RIEGO CANALES DE DRENAJE Tipo Radio Tipo Radio Sub – canal 4T Colector principal 5T Lateral 3T Colector 5T Sub – lateral 3T Sub – colector 5T Siendo T el ancho superior del espejo de aguaFuente: Salzgitter Consult GMBH "Planificación de Canales, Zona Piloto Ferreñafe"Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones – Chiclayo 1984.Tabla DC03. Radio mínimo en canales abiertos para Q < 20 m3/s Capacidad del canal Radio mínimo 20 m3/s 100 m 15 m3/s 80 m 10 m3/s 60 m 5 m3/s 20 m 1 m3/s 10 mCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 18. 0,5 m3/s 5mFuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7"Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales" Lima 1978.Sobre la base de estas tablas se puede seleccionar el radio mínimo que más se ajuste anuestro criterio. • Elementos de una curva.-A = Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20 mC = Cuerda larga, es la cuerda que sub – tiende la curva desde PC hasta PT.ß = Angulo de deflexión, formado en el PI.E = External, es la distancia de PI a la curva medida en la bisectriz.F = Flecha, es la longitud de la perpendicular bajada del punto medio de la curva a la cuerda larga.G = Grado, es el ángulo central.LC = Longitud de curva que une PC con PT.PC = Principio de una curva.PI = Punto de inflexión.PT = Punto de tangente.PSC = Punto sobre curva.PST = Punto sobre tangente.R = Radio de la curva.ST = Sub tangente, distancia del PC al PI. • Rasante de un canal.- Una vez definido el trazo del canal, se proceden a dibujar el perfil longitudinal de dicho trazo, las escalas más usuales son de 1:1000 oCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 19. 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 o 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relación entre la escala horizontal y vertical es de 1 a 10, el dibujo del perfil es recomendable hacerlo sobre papel milimetrado transparente color verde por ser más práctico que el cánson y además el color verde permite que se noten las líneas milimétricas en las copias ozalid.Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta: • La rasante se debe efectuar sobre la base de una copia ozalid del perfil longitudinal del trazo, no se debe trabajar sobre un borrador de él hecho a lápiz y nunca sobre el original. • Tener en cuenta los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren. • La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno, cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua. • Para definir la rasante del fondo se prueba con diferentes cajas hidráulicas, chequeando siempre si la velocidad obtenida es soportada por el tipo de material donde se construirá el canal. • El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información. • Kilometraje • Cota de terreno • Cota de rasante • Pendiente • Indicación de las deflexiones del trazo con los elementos de curva • Ubicación de las obras de arte • Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje • Tipo de sueloPara ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superiorSección típica de un canalPara ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superiorDonde:T = Ancho superior del canalb = Plantillaz = Valor horizontal de la inclinación del taludC = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m., según el canal seade tercer, segundo o primer orden respectivamente.V = Ancho del camino de vigilancia, puede ser: 3; 4 y 6 m., según elcanal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente.H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal.En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos márgenes, según lasnecesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no seránecesaria, dependiendo de la intensidad del trafico.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 20. 1. Determinación de Máxima Eficiencia Hidráulica. Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal, ésta condición está referida a un perímetro húmedo mínimo, la ecuación que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es: siendo q el ángulo que forma el talud con la horizontal, arctan (1/z) Determinación de Mínima Infiltración. Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración es: La siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda. Tabla DC04. Relación plantilla vs. tirante para, máxima eficiencia, mínima infiltración y el promedio de ambas. Talud Angulo Máxima Mínima Promedio Eficiencia Infiltración Vertical 90°00´ 2.0000 4.0000 3.0000 1/4:1 75°58´ 1.5616 3.1231 2.3423 1/2:1 63°26´ 1.2361 2.4721 1.8541 4/7:1 60°15´ 1.1606 2.3213 1.7410 3/4:1 53°08´ 1.0000 2.0000 1.5000 1:1 45°00´ 0.8284 1.6569 1.2426 1¼:1 38°40´ 0.7016 1.4031 1.0523 1½:1 33°41´ 0.6056 1.2111 0.9083 2:1 26°34´ 0.4721 0.9443 0.7082 3:1 18°26´ 0.3246 0.6491 0.4868 De todas las secciones trapezoidales, la más eficiente es aquella donde el ángulo a que forma el talud con la horizontal es 60°, además para cualquier sección de máxima eficiencia debe cumplirse: R = y/2 donde: R = Radio hidráulico y = Tirante del canalCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 21. No siempre se puede diseñar de acuerdo a las condiciones mencionadas, al final se imponen una serie de circunstancias locales que imponen un diseño propio para cada situación. 2. Sección Hidráulica Optima 3. Diseño de secciones hidráulicas.-Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo delcanal, coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente delcanal, taludes, etc.La ecuación más utilizada es la de Manning o Strickler, y su expresión es:donde:Q = Caudal (m3/s)n = RugosidadA = Area (m2)R = Radio hidráulico = Area de la sección húmeda / Perímetro húmedoEn la tabla DC06, se muestran las secciones más utilizadas. • Criterios de diseño.- Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de canales, aunque el diseño final se hará considerando las diferentes posibilidades y el resultado será siempre una solución de compromiso, porque nunca se podrán eliminar todos los riesgos y desventajas, únicamente se asegurarán que la influencia negativa sea la mayor posible y que la solución técnica propuesta no sea inconveniente debido a los altos costos. a. Tabla DC05. Valores de rugosidad "n" de Manning n Superficie 0.010 Muy lisa, vidrio, plástico, cobre. 0.011 Concreto muy liso. 0.013 Madera suave, metal, concreto frotachado. 0.017 Canales de tierra en buenas condiciones. 0.020 Canales naturales de tierra, libres de vegetación. 0.025 Canales naturales con alguna vegetación y piedras esparcidas en el fondo 0.035 Canales naturales con abundante vegetación. 0.040 Arroyos de montaña con muchas piedras. b. Tabla DC06. Relaciones geométricas de las secciones transversales más frecuentes.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 22. c. d. Rugosidad.- Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supone que el canal está recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservará con el tiempo, lo que quiere decir que en al práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad. La siguiente tabla nos da valores de "n" estimados, estos valores pueden ser refutados con investigaciones y manuales, sin embargo no dejan de ser una referencia para el diseño: Tabla DC07. Taludes apropiados para distintos tipos de material MATERIAL TALUD (horizontal : vertical) Roca Prácticamente vertical Suelos de turba y detritos 0.25 : 1 Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de 0.5 : 1 hasta 1:1 concreto Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en 1:1 grandes canalesCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 23. Arcilla firma o tierra en canales pequeños 1.5 : 1 Tierra arenosa suelta 2:1 Greda arenosa o arcilla porosa 3:1 Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974 Tabla DC08. Pendientes laterales en canales según tipo de suelo MATERIAL CANALES POCO CANALES PROFUNDOS PROFUNDOS Roca en buenas condiciones Vertical 0.25 : 1 Arcillas compactas o 0.5 : 1 1:1 conglomerados Limos arcillosos 1:1 1.5 : 1 Limos arenosos 1.5 : 1 2:1 Arenas sueltas 2:1 3:1 Concreto 1:1 1.5 : 1 Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974 e. Talud apropiado según el tipo de material.- La inclinación de las paredes laterales de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde están alojados, la U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda un talud único de 1,5:1 para sus canales, a continuación se presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de material: La velocidad máxima permisible, algo bastante complejo y generalmente se estima empleando la experiencia local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos dan valores sugeridos. Tabla DC09. Máxima velocidad permitida en canales no recubiertos de vegetación MATERIAL DE LA "n" Velocidad (m/s) CAJA DEL CANAL Manning Agua Agua con Agua transportando limpia partículas arena, grava o coloidales fragmentos Arena fina coloidal 0.020 1.45 0.75 0.45 Franco arenoso no 0.020 0.53 0.75 0.60 coloidal Franco limoso no 0.020 0.60 0.90 0.60CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 24. coloidal Limos aluviales no 0.020 0.60 1.05 0.60 coloidales Franco consistente 0.020 0.75 1.05 0.68 normal Ceniza volcánica 0.020 0.75 1.05 0.60 Arcilla consistente 0.025 1.13 1.50 0.90 muy coloidal Limo aluvial coloidal 0.025 1.13 1.50 0.90 Pizarra y capas duras 0.025 1.80 1.80 1.50 Grava fina 0.020 0.75 1.50 1.13 Suelo franco 0.030 1.13 1.50 0.90 clasificado no coloidal Suelo franco 0.030 1.20 1.65 1.50 clasificado coloidal Grava gruesa no 0.025 1.20 1.80 1.95 coloidal Gravas y guijarros 0.035 1.80 1.80 1.50 Fuente: Krochin Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, Moscú, 1978 Para velocidades máximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; además un canal profundo conducirá el agua a mayores velocidades sin erosión, que otros menos profundos. Tabla DC10. Velocidades máximas en hormigón en función de su resistencia. RESISTENCIA, PROFUNDIDAD DEL TIRANTE EN en kg/cm2 METROS 0.5 1 3 5 10 50 9.6 10.6 12.3 13.0 14.1 75 11.2 12.4 14.3 15.2 16.4 100 12.7 13.8 16.0 17.0 18.3 150 14.0 15.6 18.0 19.1 20.6 200 15.6 17.3 20.0 21.2 22.9CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 25. Fuente: Krochin Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, Moscú, 1978 Esta tabla DC10, da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormigón no armado, las velocidades no deben exceder de 2.5 m/seg. Para evitar la posibilidad de que el revestimiento se levante. f. Velocidades máxima y mínima permisible.- La velocidad mínima permisible es aquella velocidad que no permite sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas, en canales de tierra, da el valor de 0.762 m/seg. Como la velocidad apropiada que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal. g. Borde libre.- Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el calculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables.La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con lasiguiente formula:donde: Borde libre: en pies.C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden delos 3000 pies3/seg.Y = Tirante del canal en piesLa secretaría de Recursos Hidráulicos de México, recomienda los siguientes valores enfunción del caudal:Tabla DC11. Borde libre en función del caudal Caudal m3/seg Revestido (cm) Sin revestir (cm) £ 0.05 7.5 10.0 0.05 – 0.25 10.00 20.0 0.25 – 0.50 20.0 40.0 0.50 – 1.00 25.0 50.0 > 1.00 30.0 60.0Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7"Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales" Lima 1978Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal:Tabla DC12. Borde libre en función de la plantilla del canal Ancho de la plantilla Borde libre (m) (m)CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 26. Hasta 0.8 0.4 0.8 – 1.5 0.5 1.5 – 3.0 0.6 3.0 – 20.0 1.0ELEMENTOS BASICOS DEL DISEÑO DE CANALESSe consideran algunos elementos topográficos, secciones, velocidades permisibles, entreotros: • Trazo de canales.- Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información básica: • Fotografías aéreas, para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación, etc. • Planos topográficos y catastrales. • Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que pueda conjugarse en el trazo de canales.Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazopreliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios,obteniéndose finalmente el trazo definitivo.En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relievedel canal, procediendo con los siguientes pasos: a. Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona, anotándose todos los detalles que influyen en la determinación de un eje probable de trazo, determinándose el punto inicial y el punto final. b. Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es máximo a cada 20 m. c. Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea: • ○ Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500. ○ Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000. • Radios mínimos en canales.- En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con radios mayores al mínimo no significa ningún ahorro de energía, es decir la curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 27. Las siguientes tablas indican radios mínimos según el autor o la fuente:Tabla DC01. Radio mínimo en canales abiertos para Q > 10 m3/s Capacidad del canal Radio mínimo Hasta 10 m3/s 3 * ancho de la base De 10 a 14 m3/s 4 * ancho de la base De 14 a 17 m3/s 5 * ancho de la base De 17 a 20 m3/s 6 * ancho de la base De 20 m3/s a mayor 7 * ancho de la base Los radios mínimos deben ser redondeados hasta el próximo metro superiorFuente: "International Institute For Land Reclamation And Improvement" ILRI,Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands 1978.Tabla DC02. Radio mínimo en canales abiertos en función del espejo de agua CANALES DE RIEGO CANALES DE DRENAJE Tipo Radio Tipo Radio Sub – canal 4T Colector principal 5T Lateral 3T Colector 5T Sub – lateral 3T Sub – colector 5T Siendo T el ancho superior del espejo de aguaFuente: Salzgitter Consult GMBH "Planificación de Canales, Zona Piloto Ferreñafe"Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones – Chiclayo 1984.Tabla DC03. Radio mínimo en canales abiertos para Q < 20 m3/s Capacidad del canal Radio mínimo 20 m3/s 100 m 15 m3/s 80 m 10 m3/s 60 m 5 m3/s 20 m 1 m3/s 10 m 0,5 m3/s 5mCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 28. Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7"Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales" Lima 1978.Sobre la base de estas tablas se puede seleccionar el radio mínimo que más se ajuste anuestro criterio. • Elementos de una curva.-A = Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20 mC = Cuerda larga, es la cuerda que sub – tiende la curva desde PC hasta PT.ß = Angulo de deflexión, formado en el PI.E = External, es la distancia de PI a la curva medida en la bisectriz.F = Flecha, es la longitud de la perpendicular bajada del punto medio de la curva a la cuerda larga.G = Grado, es el ángulo central.LC = Longitud de curva que une PC con PT.PC = Principio de una curva.PI = Punto de inflexión.PT = Punto de tangente.PSC = Punto sobre curva.PST = Punto sobre tangente.R = Radio de la curva.ST = Sub tangente, distancia del PC al PI. • Rasante de un canal.- Una vez definido el trazo del canal, se proceden a dibujar el perfil longitudinal de dicho trazo, las escalas más usuales son de 1:1000 o 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 o 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relación entre la escala horizontal y vertical es de 1 a 10, el dibujo del perfil es recomendable hacerlo sobre papel milimetrado transparenteCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 29. color verde por ser más práctico que el cánson y además el color verde permite que se noten las líneas milimétricas en las copias ozalid.Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta: • La rasante se debe efectuar sobre la base de una copia ozalid del perfil longitudinal del trazo, no se debe trabajar sobre un borrador de él hecho a lápiz y nunca sobre el original. • Tener en cuenta los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren. • La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno, cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua. • Para definir la rasante del fondo se prueba con diferentes cajas hidráulicas, chequeando siempre si la velocidad obtenida es soportada por el tipo de material donde se construirá el canal. • El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información. • Kilometraje • Cota de terreno • Cota de rasante • Pendiente • Indicación de las deflexiones del trazo con los elementos de curva • Ubicación de las obras de arte • Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje • Tipo de sueloPara ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superiorSección típica de un canalPara ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superiorDonde:T = Ancho superior del canalb = Plantillaz = Valor horizontal de la inclinación del taludC = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m., según el canal seade tercer, segundo o primer orden respectivamente.V = Ancho del camino de vigilancia, puede ser: 3; 4 y 6 m., según elcanal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente.H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal.En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos márgenes, según lasnecesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no seránecesaria, dependiendo de la intensidad del trafico. 1. Determinación de Máxima Eficiencia Hidráulica.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 30. Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal, ésta condición está referida a un perímetro húmedo mínimo, la ecuación que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es: siendo q el ángulo que forma el talud con la horizontal, arctan (1/z) Determinación de Mínima Infiltración. Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración es: La siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda. Tabla DC04. Relación plantilla vs. tirante para, máxima eficiencia, mínima infiltración y el promedio de ambas. Talud Angulo Máxima Mínima Promedio Eficiencia Infiltración Vertical 90°00´ 2.0000 4.0000 3.0000 1/4:1 75°58´ 1.5616 3.1231 2.3423 1/2:1 63°26´ 1.2361 2.4721 1.8541 4/7:1 60°15´ 1.1606 2.3213 1.7410 3/4:1 53°08´ 1.0000 2.0000 1.5000 1:1 45°00´ 0.8284 1.6569 1.2426 1¼:1 38°40´ 0.7016 1.4031 1.0523 1½:1 33°41´ 0.6056 1.2111 0.9083 2:1 26°34´ 0.4721 0.9443 0.7082 3:1 18°26´ 0.3246 0.6491 0.4868 De todas las secciones trapezoidales, la más eficiente es aquella donde el ángulo a que forma el talud con la horizontal es 60°, además para cualquier sección de máxima eficiencia debe cumplirse: R = y/2 donde: R = Radio hidráulico y = Tirante del canalCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 31. No siempre se puede diseñar de acuerdo a las condiciones mencionadas, al final se imponen una serie de circunstancias locales que imponen un diseño propio para cada situación. 2. Sección Hidráulica Optima 3. Diseño de secciones hidráulicas.-Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo delcanal, coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente delcanal, taludes, etc.La ecuación más utilizada es la de Manning o Strickler, y su expresión es:donde:Q = Caudal (m3/s)n = RugosidadA = Area (m2)R = Radio hidráulico = Area de la sección húmeda / Perímetro húmedoEn la tabla DC06, se muestran las secciones más utilizadas. • Criterios de diseño.- Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de canales, aunque el diseño final se hará considerando las diferentes posibilidades y el resultado será siempre una solución de compromiso, porque nunca se podrán eliminar todos los riesgos y desventajas, únicamente se asegurarán que la influencia negativa sea la mayor posible y que la solución técnica propuesta no sea inconveniente debido a los altos costos. a. Tabla DC05. Valores de rugosidad "n" de Manning n Superficie 0.010 Muy lisa, vidrio, plástico, cobre. 0.011 Concreto muy liso. 0.013 Madera suave, metal, concreto frotachado. 0.017 Canales de tierra en buenas condiciones. 0.020 Canales naturales de tierra, libres de vegetación. 0.025 Canales naturales con alguna vegetación y piedras esparcidas en el fondo 0.035 Canales naturales con abundante vegetación. 0.040 Arroyos de montaña con muchas piedras. b. Tabla DC06. Relaciones geométricas de las secciones transversales más frecuentes.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 32. c. d. Rugosidad.- Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supone que el canal está recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservará con el tiempo, lo que quiere decir que en al práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad. La siguiente tabla nos da valores de "n" estimados, estos valores pueden ser refutados con investigaciones y manuales, sin embargo no dejan de ser una referencia para el diseño: Tabla DC07. Taludes apropiados para distintos tipos de material MATERIAL TALUD (horizontal : vertical) Roca Prácticamente vertical Suelos de turba y detritos 0.25 : 1 Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de 0.5 : 1 hasta 1:1 concreto Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en 1:1 grandes canalesCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 33. Arcilla firma o tierra en canales pequeños 1.5 : 1 Tierra arenosa suelta 2:1 Greda arenosa o arcilla porosa 3:1 Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974 Tabla DC08. Pendientes laterales en canales según tipo de suelo MATERIAL CANALES POCO CANALES PROFUNDOS PROFUNDOS Roca en buenas condiciones Vertical 0.25 : 1 Arcillas compactas o 0.5 : 1 1:1 conglomerados Limos arcillosos 1:1 1.5 : 1 Limos arenosos 1.5 : 1 2:1 Arenas sueltas 2:1 3:1 Concreto 1:1 1.5 : 1 Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974 e. Talud apropiado según el tipo de material.- La inclinación de las paredes laterales de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde están alojados, la U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda un talud único de 1,5:1 para sus canales, a continuación se presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de material: La velocidad máxima permisible, algo bastante complejo y generalmente se estima empleando la experiencia local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos dan valores sugeridos. Tabla DC09. Máxima velocidad permitida en canales no recubiertos de vegetación MATERIAL DE LA "n" Velocidad (m/s) CAJA DEL CANAL Manning Agua Agua con Agua transportando limpia partículas arena, grava o coloidales fragmentos Arena fina coloidal 0.020 1.45 0.75 0.45 Franco arenoso no 0.020 0.53 0.75 0.60 coloidal Franco limoso no 0.020 0.60 0.90 0.60CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 34. coloidal Limos aluviales no 0.020 0.60 1.05 0.60 coloidales Franco consistente 0.020 0.75 1.05 0.68 normal Ceniza volcánica 0.020 0.75 1.05 0.60 Arcilla consistente 0.025 1.13 1.50 0.90 muy coloidal Limo aluvial coloidal 0.025 1.13 1.50 0.90 Pizarra y capas duras 0.025 1.80 1.80 1.50 Grava fina 0.020 0.75 1.50 1.13 Suelo franco 0.030 1.13 1.50 0.90 clasificado no coloidal Suelo franco 0.030 1.20 1.65 1.50 clasificado coloidal Grava gruesa no 0.025 1.20 1.80 1.95 coloidal Gravas y guijarros 0.035 1.80 1.80 1.50 Fuente: Krochin Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, Moscú, 1978 Para velocidades máximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; además un canal profundo conducirá el agua a mayores velocidades sin erosión, que otros menos profundos. Tabla DC10. Velocidades máximas en hormigón en función de su resistencia. RESISTENCIA, PROFUNDIDAD DEL TIRANTE EN en kg/cm2 METROS 0.5 1 3 5 10 50 9.6 10.6 12.3 13.0 14.1 75 11.2 12.4 14.3 15.2 16.4 100 12.7 13.8 16.0 17.0 18.3 150 14.0 15.6 18.0 19.1 20.6 200 15.6 17.3 20.0 21.2 22.9CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 35. Fuente: Krochin Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, Moscú, 1978 Esta tabla DC10, da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormigón no armado, las velocidades no deben exceder de 2.5 m/seg. Para evitar la posibilidad de que el revestimiento se levante. f. Velocidades máxima y mínima permisible.- La velocidad mínima permisible es aquella velocidad que no permite sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas, en canales de tierra, da el valor de 0.762 m/seg. Como la velocidad apropiada que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal. g. Borde libre.- Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el calculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables.La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con lasiguiente formula:donde: Borde libre: en pies.C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden delos 3000 pies3/seg.Y = Tirante del canal en piesLa secretaría de Recursos Hidráulicos de México, recomienda los siguientes valores enfunción del caudal:Tabla DC11. Borde libre en función del caudal Caudal m3/seg Revestido (cm) Sin revestir (cm) £ 0.05 7.5 10.0 0.05 – 0.25 10.00 20.0 0.25 – 0.50 20.0 40.0 0.50 – 1.00 25.0 50.0 > 1.00 30.0 60.0Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7"Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales" Lima 1978Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal:Tabla DC12. Borde libre en función de la plantilla del canal Ancho de la plantilla (m) Borde libre (m)CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 36. Hasta 0.8 0.4 0.8 – 1.5 0.5 1.5 – 3.0 0.6 3.0 – 20.0 1.0Fuente: Villón Béjar, Máximo; "Hidráulica de canales", Depto. De Ingeniería Agrícola– Instituto Tecnológico de Costa Rica, Editorial Hozlo, Lima, 1981ELEMENTOS BASICOS DEL DISEÑO DE CANALESSe consideran algunos elementos topográficos, secciones, velocidades permisibles, entreotros: • Trazo de canales.- Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información básica: • Fotografías aéreas, para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación, etc. • Planos topográficos y catastrales. • Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que pueda conjugarse en el trazo de canales.Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazopreliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios,obteniéndose finalmente el trazo definitivo.En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relievedel canal, procediendo con los siguientes pasos: a. Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona, anotándose todos los detalles que influyen en la determinación de un eje probable de trazo, determinándose el punto inicial y el punto final. b. Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es máximo a cada 20 m. c. Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea: • ○ Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500. ○ Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000. • Radios mínimos en canales.- En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas conCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 37. radios mayores al mínimo no significa ningún ahorro de energía, es decir la curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo.Las siguientes tablas indican radios mínimos según el autor o la fuente:Tabla DC01. Radio mínimo en canales abiertos para Q > 10 m3/s Capacidad del canal Radio mínimo Hasta 10 m3/s 3 * ancho de la base De 10 a 14 m3/s 4 * ancho de la base De 14 a 17 m3/s 5 * ancho de la base De 17 a 20 m3/s 6 * ancho de la base De 20 m3/s a mayor 7 * ancho de la base Los radios mínimos deben ser redondeados hasta el próximo metro superiorFuente: "International Institute For Land Reclamation And Improvement" ILRI,Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands 1978.Tabla DC02. Radio mínimo en canales abiertos en función del espejo de agua CANALES DE RIEGO CANALES DE DRENAJE Tipo Radio Tipo Radio Sub – canal 4T Colector principal 5T Lateral 3T Colector 5T Sub – lateral 3T Sub – colector 5T Siendo T el ancho superior del espejo de aguaFuente: Salzgitter Consult GMBH "Planificación de Canales, Zona Piloto Ferreñafe"Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones – Chiclayo 1984.Tabla DC03. Radio mínimo en canales abiertos para Q < 20 m3/s Capacidad del canal Radio mínimo 20 m3/s 100 m 15 m3/s 80 m 10 m3/s 60 m 5 m3/s 20 m 1 m3/s 10 mCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 38. 0,5 m3/s 5mFuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7"Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales" Lima 1978.Sobre la base de estas tablas se puede seleccionar el radio mínimo que más se ajuste anuestro criterio. • Elementos de una curva.-A = Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20 mC = Cuerda larga, es la cuerda que sub – tiende la curva desde PC hasta PT.ß = Angulo de deflexión, formado en el PI.E = External, es la distancia de PI a la curva medida en la bisectriz.F = Flecha, es la longitud de la perpendicular bajada del punto medio de la curva a la cuerda larga.G = Grado, es el ángulo central.LC = Longitud de curva que une PC con PT.PC = Principio de una curva.PI = Punto de inflexión.PT = Punto de tangente.PSC = Punto sobre curva.PST = Punto sobre tangente.R = Radio de la curva.ST = Sub tangente, distancia del PC al PI. • Rasante de un canal.- Una vez definido el trazo del canal, se proceden a dibujar el perfil longitudinal de dicho trazo, las escalas más usuales son de 1:1000 oCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 39. 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 o 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relación entre la escala horizontal y vertical es de 1 a 10, el dibujo del perfil es recomendable hacerlo sobre papel milimetrado transparente color verde por ser más práctico que el cánson y además el color verde permite que se noten las líneas milimétricas en las copias ozalid.Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta: • La rasante se debe efectuar sobre la base de una copia ozalid del perfil longitudinal del trazo, no se debe trabajar sobre un borrador de él hecho a lápiz y nunca sobre el original. • Tener en cuenta los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren. • La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno, cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua. • Para definir la rasante del fondo se prueba con diferentes cajas hidráulicas, chequeando siempre si la velocidad obtenida es soportada por el tipo de material donde se construirá el canal. • El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información. • Kilometraje • Cota de terreno • Cota de rasante • Pendiente • Indicación de las deflexiones del trazo con los elementos de curva • Ubicación de las obras de arte • Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje • Tipo de sueloPara ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superiorSección típica de un canalPara ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superiorDonde:T = Ancho superior del canalb = Plantillaz = Valor horizontal de la inclinación del taludC = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m., según el canal seade tercer, segundo o primer orden respectivamente.V = Ancho del camino de vigilancia, puede ser: 3; 4 y 6 m., según elcanal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente.H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal.En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos márgenes, según lasnecesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no seránecesaria, dependiendo de la intensidad del trafico.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 40. 1. Determinación de Máxima Eficiencia Hidráulica. Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal, ésta condición está referida a un perímetro húmedo mínimo, la ecuación que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es: siendo q el ángulo que forma el talud con la horizontal, arctan (1/z) Determinación de Mínima Infiltración. Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración es: La siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda. Tabla DC04. Relación plantilla vs. tirante para, máxima eficiencia, mínima infiltración y el promedio de ambas. Talud Angulo Máxima Mínima Promedio Eficiencia Infiltración Vertical 90°00´ 2.0000 4.0000 3.0000 1/4:1 75°58´ 1.5616 3.1231 2.3423 1/2:1 63°26´ 1.2361 2.4721 1.8541 4/7:1 60°15´ 1.1606 2.3213 1.7410 3/4:1 53°08´ 1.0000 2.0000 1.5000 1:1 45°00´ 0.8284 1.6569 1.2426 1¼:1 38°40´ 0.7016 1.4031 1.0523 1½:1 33°41´ 0.6056 1.2111 0.9083 2:1 26°34´ 0.4721 0.9443 0.7082 3:1 18°26´ 0.3246 0.6491 0.4868 De todas las secciones trapezoidales, la más eficiente es aquella donde el ángulo a que forma el talud con la horizontal es 60°, además para cualquier sección de máxima eficiencia debe cumplirse: R = y/2 donde: R = Radio hidráulico y = Tirante del canalCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 41. No siempre se puede diseñar de acuerdo a las condiciones mencionadas, al final se imponen una serie de circunstancias locales que imponen un diseño propio para cada situación. 2. Sección Hidráulica Optima 3. Diseño de secciones hidráulicas.-Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo delcanal, coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente delcanal, taludes, etc.La ecuación más utilizada es la de Manning o Strickler, y su expresión es:donde:Q = Caudal (m3/s)n = RugosidadA = Area (m2)R = Radio hidráulico = Area de la sección húmeda / Perímetro húmedoEn la tabla DC06, se muestran las secciones más utilizadas. • Criterios de diseño.- Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de canales, aunque el diseño final se hará considerando las diferentes posibilidades y el resultado será siempre una solución de compromiso, porque nunca se podrán eliminar todos los riesgos y desventajas, únicamente se asegurarán que la influencia negativa sea la mayor posible y que la solución técnica propuesta no sea inconveniente debido a los altos costos. a. Tabla DC05. Valores de rugosidad "n" de Manning n Superficie 0.010 Muy lisa, vidrio, plástico, cobre. 0.011 Concreto muy liso. 0.013 Madera suave, metal, concreto frotachado. 0.017 Canales de tierra en buenas condiciones. 0.020 Canales naturales de tierra, libres de vegetación. 0.025 Canales naturales con alguna vegetación y piedras esparcidas en el fondo 0.035 Canales naturales con abundante vegetación. 0.040 Arroyos de montaña con muchas piedras. b. Tabla DC06. Relaciones geométricas de las secciones transversales más frecuentes.CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 42. c. d. Rugosidad.- Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supone que el canal está recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservará con el tiempo, lo que quiere decir que en al práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad. La siguiente tabla nos da valores de "n" estimados, estos valores pueden ser refutados con investigaciones y manuales, sin embargo no dejan de ser una referencia para el diseño: Tabla DC07. Taludes apropiados para distintos tipos de material MATERIAL TALUD (horizontal : vertical) Roca Prácticamente vertical Suelos de turba y detritos 0.25 : 1 Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de 0.5 : 1 hasta 1:1 concreto Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en 1:1 grandes canalesCARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 43. Arcilla firma o tierra en canales pequeños 1.5 : 1 Tierra arenosa suelta 2:1 Greda arenosa o arcilla porosa 3:1 Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974 Tabla DC08. Pendientes laterales en canales según tipo de suelo MATERIAL CANALES POCO CANALES PROFUNDOS PROFUNDOS Roca en buenas condiciones Vertical 0.25 : 1 Arcillas compactas o 0.5 : 1 1:1 conglomerados Limos arcillosos 1:1 1.5 : 1 Limos arenosos 1.5 : 1 2:1 Arenas sueltas 2:1 3:1 Concreto 1:1 1.5 : 1 Fuente: Aguirre Pe, Julián, "Hidráulica de canales", Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974 e. Talud apropiado según el tipo de material.- La inclinación de las paredes laterales de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde están alojados, la U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda un talud único de 1,5:1 para sus canales, a continuación se presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de material: La velocidad máxima permisible, algo bastante complejo y generalmente se estima empleando la experiencia local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos dan valores sugeridos. Tabla DC09. Máxima velocidad permitida en canales no recubiertos de vegetación MATERIAL DE LA "n" Velocidad (m/s) CAJA DEL CANAL Manning Agua Agua con Agua transportando limpia partículas arena, grava o coloidales fragmentos Arena fina coloidal 0.020 1.45 0.75 0.45 Franco arenoso no 0.020 0.53 0.75 0.60 coloidal Franco limoso no 0.020 0.60 0.90 0.60CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 44. coloidal Limos aluviales no 0.020 0.60 1.05 0.60 coloidales Franco consistente 0.020 0.75 1.05 0.68 normal Ceniza volcánica 0.020 0.75 1.05 0.60 Arcilla consistente 0.025 1.13 1.50 0.90 muy coloidal Limo aluvial coloidal 0.025 1.13 1.50 0.90 Pizarra y capas duras 0.025 1.80 1.80 1.50 Grava fina 0.020 0.75 1.50 1.13 Suelo franco 0.030 1.13 1.50 0.90 clasificado no coloidal Suelo franco 0.030 1.20 1.65 1.50 clasificado coloidal Grava gruesa no 0.025 1.20 1.80 1.95 coloidal Gravas y guijarros 0.035 1.80 1.80 1.50 Fuente: Krochin Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, Moscú, 1978 Para velocidades máximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; además un canal profundo conducirá el agua a mayores velocidades sin erosión, que otros menos profundos. Tabla DC10. Velocidades máximas en hormigón en función de su resistencia. RESISTENCIA, PROFUNDIDAD DEL TIRANTE EN en kg/cm2 METROS 0.5 1 3 5 10 50 9.6 10.6 12.3 13.0 14.1 75 11.2 12.4 14.3 15.2 16.4 100 12.7 13.8 16.0 17.0 18.3 150 14.0 15.6 18.0 19.1 20.6 200 15.6 17.3 20.0 21.2 22.9CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 45. Fuente: Krochin Sviatoslav. "Diseño Hidráulico", Ed. MIR, Moscú, 1978 Esta tabla DC10, da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormigón no armado, las velocidades no deben exceder de 2.5 m/seg. Para evitar la posibilidad de que el revestimiento se levante. f. Velocidades máxima y mínima permisible.- La velocidad mínima permisible es aquella velocidad que no permite sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas, en canales de tierra, da el valor de 0.762 m/seg. Como la velocidad apropiada que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal. g. Borde libre.- Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el calculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables.La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con lasiguiente formula:donde: Borde libre: en pies.C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden delos 3000 pies3/seg.Y = Tirante del canal en piesLa secretaría de Recursos Hidráulicos de México, recomienda los siguientes valores enfunción del caudal:Tabla DC11. Borde libre en función del caudal Caudal m3/seg Revestido (cm) Sin revestir (cm) £ 0.05 7.5 10.0 0.05 – 0.25 10.00 20.0 0.25 – 0.50 20.0 40.0 0.50 – 1.00 25.0 50.0 > 1.00 30.0 60.0Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7"Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales" Lima 1978Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal:Tabla DC12. Borde libre en función de la plantilla del canal Ancho de la plantilla (m) Borde libre (m)CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL
  • 46. Hasta 0.8 0.4 0.8 – 1.5 0.5 1.5 – 3.0 0.6 3.0 – 20.0 1.0Fuente: Villón Béjar, Máximo; "Hidráulica de canales", Depto. De Ingeniería Agrícola– Instituto Tecnológico de Costa Rica, Editorial Hozlo, Lima, 1981CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL