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Diseño de canales

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  • 1. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL “ DISEÑO DE CANALES” ING. HUGO AMADO ROJAS RUBIO
  • 2. INTRODUCCION  En un proyecto de irrigación la parte que comprende el diseño de los canales y obras de arte, así como el caudal, constituyen factores importantes en un proyecto de riego. Este ultimo es un parámetro que se obtiene sobre la base del tipo de suelo, cultivo, condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua - suelo - planta y la hidrología.
  • 3. OBJETIVOS    Aplicar la hidráulica y la mecánica de fluidos para el diseño de los sistemas de flujo a superficies libres en canales. Haciendo el uso de normas, se pretende fijar los requisitos mínimos de ingeniería para el diseño y ejecución de las obras e instalaciones hidráulicas . Analizar y discutir críticamente el diseño y funcionamiento de canales construidos y en funcionamiento.
  • 4. GENERALIDADES  Un canal abierto es un conducto en el que el liquido fluye con una superficie sometida a la presión atmosférica. El flujo se origina por la pendiente del canal y de la superficie del liquido. La solución exacta de los problemas de flujo es difícil y depende de datos experimentales que debe cumplir una amplia gama de condiciones.
  • 5. ESTRUCTURAS QUE SE CONSTRUYEN EN LOS CANALES
  • 6. 1.- CAPTACIONES  Son las obras que permiten derivar el agua desde la fuente que alimenta el sistema . Esta fuente puede ser una corriente natural , un embalse o el agua subterránea de un acuífero. A continuación se hace un análisis de las captaciones en corrientes naturales.
  • 7.  La captación consta de la bocatoma, el canal de aducción y el tanque sedimentador.  En la figura siguiente se muestran esquemáticamente los tipos de bocatoma más utilizadas.
  • 8.  Las magnitudes de los caudales que se captan en las bocatomas son función de los niveles de agua que se presentan inmediatamente arriba de la estructura de control. Como los niveles dependen del caudal Q de la corriente natural, y siendo el caudal variable, entonces las bocatomas no captan un caudal constante. Durante los estiajes captan caudales pequeños y durante las crecientes captan excesos que deben ser devueltos a la corriente lo más pronto posible, ya sea desde el canal de aducción o desde el desarenador.   La sedimentación que se genera en la corriente natural por causa de la obstrucción que se induce por la presencia de la estructura de control es un gran inconveniente en la operación de las bocatomas laterales.
  • 9.  El canal de aducción conecta la bocatoma con el desarenador; tiene una transición de entrada , una curva horizontal y un tramo recto, paralelo a la corriente natural, hasta el desarenador. Es un canal de baja pendiente y régimen tranquilo que se diseña para recibir los caudales de aguas altas que pueden entrar por la toma. En la práctica es preferible que sea de corta longitud y en algunos casos, cuando las condiciones topográficas de la zona de captación lo permiten, se elimina el canal de aducción y el desarenador se incluye dentro de la estructura de la bocatoma. 
  • 10. 2.- COMPUERTAS Y VERTEDEROS  Son estructuras de control hidráulico. Su función es la de presentar un obstáculo al libre flujo del agua , con el consiguiente represamiento aguas arriba de la estructura , y el aumento de la velocidad aguas abajo.
  • 11. 3.- TRANSICIONES    Son estructuras que empalman tramos de canales que tienen secciones transversales diferentes en forma o en dimensión. Por ejemplo un tramo de sección rectangular con uno de sección trapezoidal , o un tramo de sección rectangular de ancho b1 con otro rectangular de ancho b2, etc. Las transiciones funcionan mejor cuando los tramos que se van a empalmar son de baja pendiente, con régimen subcrítico; en este caso las pérdidas hidráulicas por cambio de sección son relativamente pequeñas.   Cuando la transición se coloca en tramos de alta pendiente, en régimen  supercrítico, las pérdidas hidráulicas son altas y no son cuantificables con buena precisión, lo cual hace que los cálculos hidráulicos no resulten aceptables. En esta circunstancia es recomendable diseñar la transición con ayuda de un modelo hidráulico.
  • 12. 4.- SIFONES Y ACUEDUCTOS  Cuando en la trayectoria de un canal se presenta una depresión en el terreno natural se hace necesario superar esa depresión con un sifón o con un puente que se denomina acueducto.
  • 13.  La decisión que se debe tomar sobre cual de las dos estructuras usar, en un caso determinado depende de consideraciones del tipo económico y de seguridad.
  • 14. 5.- TUNELES    Cuando en el trazado de un canal se encuentra una protuberancia en el terreno, por ejemplo una colina, se presenta la posibilidad de dar un rodeo para evitarla, o atravesarla con un túnel. Antes de construir el túnel es necesario realizar los diseños geotécnicos, estructurales, hidráulicos y ambientales necesarios para garantizar su estabilidad y su funcionalidad. Un túnel que se emplea como canal funciona como un conducto cerrado, parcialmente lleno. La sección del canal puede ser revestida o excavada y puede conservar la forma geométrica del canal original, o adaptarse a la sección transversal del túnel.
  • 15. 6.- RAMPAS, ESCALONES Y DISIPADORES DE ENERGÍA   Los canales que se diseñan en tramos de pendiente fuerte resultan con velocidades de flujo muy altas que superan muchas veces las máximas admisibles para los materiales que se utilizan frecuentemente en su construcción.  Para controlar las velocidades en tramos de alta pendiente se pueden utilizar combinaciones de rampas y escalones , siguiendo las variaciones del terreno . Las rampas son canales cortos de pendiente fuerte, con velocidades altas y régimen supercrítico; los escalones se forman cuando se colocan caídas al final de tramos de baja pendiente, en régimen
  • 16.  Los disipadores de energía son estructuras que se diseñan para generar pérdidas hidráulicas importantes en los flujos de alta velocidad. El objetivo es reducir la velocidad y pasar el flujo de régimen supercrítico a subcrítico.  Las pérdidas de energía son ocasionadas por choque contra una pantalla vertical en disipadores de impacto , por caídas consecutivas en canales escalonados, o por la formación de un resalto hidráulico en disipadores de tanque. 
  • 17. 7.- ESTRUCTURAS DE ENTREGA  El tramo final de un canal entrega su caudal a un tanque, a otro canal o a una corriente natural. Estas entregas se hacen siempre por encima del nivel máximo de aguas de la estructura recolectora.  Las obras son sencillas cuando la entrega se realiza a un tanque o a un canal porque los niveles de agua en estos últimos son controlados.
  • 18. CANALES DE RIEGO POR SU FUNCIÓN
  • 19.    Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones: Canal de primer orden.- Llamado también canal madre 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. Canal de segundo orden.Llamados también laterales, son aquellos que salen del canal madre y el caudal 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 caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades,: el área de riego que sirve un sub – lateral se conoce como unidad parcelaria.
  • 20. ELEMENTOS BÁSICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
  • 21. 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.
  • 22. 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.
  • 23. 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.
  • 24. 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.
  • 25. PRINCIPIOS BÁSICOS
  • 26. Elementos de las sección de un canal : T = Ancho superior del canal. b = Plantilla z = Valor horizontal de la inclinación del talud C = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m., según el canal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente. V = Ancho del camino de vigilancia puede ser: 3; 4 y 6 m., H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal.
  • 27. Relaciones geométricas de las secciones transversales mas Frecuentes :
  • 28. Tipo de flujos en canales:   Flujo permanente y no El parámetro que se En un flujo permanente, no varían con el permanece constante permanente : utiliza para su clasificación es el tiempo. los parámetros hidráulicos ( y, A, v , etc.), tiempo, es decir : “ La velocidad en función del tiempo.” dy / dt = 0 , dv / d t = 0 , dA / d t = 0  ( Permanente) En un flujo no permanente, los parámetros hidráulicos ( y, A, v , etc.), varían con el tiempo es decir: ”La velocidad es variable y depende del tiempo” dy / dt ≠ 0 , dv / d t ≠ 0 , dA / d t ≠ 0 ( No permanente)
  • 29. Flujo uniforme y variado:   E l parámetro que se utiliza para su clasificación es la longitud. En un flujo uniforme, los parámetros hidráulicos ( y, A, v, etc.), no varían de una sección a otra, es decir: “ La velocidad media permanece constante” dy / dt = 0 , dv / d t = 0 , dA / d t = 0 ( uniforme )
  • 30. En un flujo variado, los parámetros hidráulicos ( y, A, v, etc.), varían de una sección a otra, es decir: “La velocidad varia en forma gradual en función del espacio y el tiempo” dy / dt ≠ 0 , dv / d t ≠ 0 , dA / d t ≠ 0 ( variado )
  • 31. Flujo laminar, turbulento y de transición: El parámetro que se utiliza para su clasificación es el numero de reynolds. Re = ( v R ) / γ Donde: Re = numero de reynolds R = radio hidráulico, en m. V = velocidad media, en m / s. γ = viscosidad cinemática del agua, en m / S2. Y su selección es según el rango en que se encuentra el numero de Reynolds. Si Si Si Re ∠ 580 flujo laminar. 580 ≤ Re ≤ 750 flujo de transición. Re ∠ 750 flujo turbulento.
  • 32. Flujo critico, subcrítico, supercrítico: El parámetro que se utiliza para su aplicación es el numero de Froude : DONDE: F = v / ( g y ) ½ = v / ( g A / T ) ½ F = numero de Froude V = velocidad media, en m / s. g = aceleración de la gravedad, 9.81 m / S2. y = tirante medio, en m. A = área hidráulica, en m2. T = espejo de agua, en m. Y su selección es según el rango en que se encuentra el numero de Froude: * si F < 1 flujo subcrítico * si F =1 flujo critico * si F >1 flujo supercrítico
  • 33.  Ecuación de continuidad: C uando el caudal es constante en un tramo, la ecuación que gobierna el flujo desde el punto de vista de la conservación de la masa, se llama ecuación de continuidad, la cual se expresa: Q = v A Para las secciones 1 y 2 ( Fig. 1 ), se tiene: Q = v1 A1 = v2 A2 = Cte. Donde: Q = caudal V = velocidad media de la sección. A = area hidráulica.
  • 34. ( Fig. 1 )
  • 35. Ecuación de energía : Ecuación de Bernoulli La forma mas conocida de la ecuación de bernoulli ( Fig.2), para un fluido perfecto, es aquella en la que la energía total se expresa por unidad de peso (m- Kg / Kg ): E = Z + ( P / γ ) + α ( V2 / 2g ) = Cte. o E = Z + Y + α (V2 / 2g ) = Cte.
  • 36. α ( V1* V1 / 2g ) α ( V2* V 2 / 2g ) ( Fig. 2 )
  • 37.  La ecuación de la energía por unidad de peso, para un fluido real, para el tramo 1 y 2 se representa como: Z1+ y1+ α ( V1 2 / 2g ) = Z2+ y2+ α ( V2 2 / 2g ) + hf 1 – 2 E1 = E2 + h f 1 - 2 Donde: E = energía total en la sección. Z = energía de posición. Y = tirante de la sección. V = velocidad media que lleva el flujo en la sección. α = coeficiente de coriolis. α α ( v 2 / 2g ) = carga de velocidad. h f 1 – 2 = disipación de energía en el tramo 1 – 2.
  • 38. FORMULAS USUALES EN CANALES PARA EL FLUJO UNIFORME:
  • 39. Formula de chezy V = C ( RS ) 1/2 Donde: V = velocidad media del canal C = coeficiente de chezy, depende de las características del escurrimiento y de la naturaleza de las paredes R = radio hidráulico, m S = pendiente de las línea de energía, para el flujo uniforme, m / m
  • 40.  Por muchos años diferentes investigadores, encaminaron sus esfuerzos a evaluar el coeficiente C de chezy, de acuerdo a distintas formulas, de las cuales actualmente la mas usadas es la formula de manning ( 1889 ), en la cual: C = ( R1/6 / n ) y : V = ( R2/3 S1/2 / n ) Q = A ( R2/3 S1/2 / n ) Donde: V = velocidad media, m / s R = radio hidráulico, m S = pendiente de las línea de energía, para el flujo uniforme, m / m ( decimales) Q = caudal, m3 / s n = coeficiente de rugosidad La ecuación general para el flujo uniforme, en el sistema ingles es: v = 1.486 ( R2/3 S1/2 / n ) Q = 1.486 A( R2/3 S1/2 / n )
  • 41. CONSIDERACIONES PRACTICAS PARA EL DISEÑO DE CANALES SEGÚN NORMAS:
  • 42.  A nivel de parcela lo mas generalizado es encontrar canales de tierra de sección trapezoidal , por lo cual las recomendaciones que se proporcionan estarán mas a estos tipos de canales.  El diseño implica en darle valor numérico a las siguientes especificaciones técnicas:
  • 43. Donde: Q = caudal en, m3 / s V = velocidad media del agua, en m / s S = pendiente, en m / m n = coeficiente de rugosidad, sin unidades Z = talud b = ancho de solera, en m. y = tirante, en m. A = área hidráulica, en m2 B.L = H – y borde libre, en m. H = profundidad total desde la corona al fondo del canal, en m. C = ancho de corona, en m.
  • 44. 1.- CAUDAL (Q)
  • 45. El caudal se calcula utilizando al formula de manning: Q = A ( R2/3 S1/2 / n ) Donde: V = velocidad media, m / s R = radio hidráulico, m S = pendiente de las línea de energía, para el flujo uniforme, m / m ( decimales) Q = caudal, m3 / s n = coeficiente de rugosidad
  • 46.  Para el diseño de un canal a nivel parcelario, el cual tiene que ser un dato de partida, que se puede calcular con base al modulo de riego ( l.p.s. / Ha), la superficie que se va a regar ( Ha ) y el caudal que resulte de las perdidas por infiltración durante la conducción.  En el caso de que el canal sirva para evacuar las aguas pluviales, el caudal de diseño se calcula tomando en cuenta las consideraciones hidrológicas.  En el caso de que el canal sirva como fines hidroelelectricos, el caudal de diseño se encuentra en función de la potencia a generar y la caída topográfica.  En el caso en el canal sirva como uso poblacional, el caudal de diseño se calcula en función de la población a servir.  En cualquiera de los casos, por lo general, lo que se busca es encontrar las dimensiones del canal, para conducir el caudal determinado, de acuerdo con las necesidades de uso del proyecto, sea para riego, drenaje, hidroeléctrico o uso poblacional.
  • 47. 2.- Velocidad Media en los Canales ( V )
  • 48.  La velocidad media se puede determinar por medio de la formula de manning. V = ( R2/3 S1/2 / n ) Donde : V = velocidad media, m / s R = radio hidráulico, m S = pendiente de las línea de energía, para el flujo Uniforme, m / m n = coeficiente de rugosidad
  • 49.  La velocidad en los canales, varían en un rango cuyo limite son las velocidades mínima que no produzca deposito de materiales sólidos en suspensión (sedimentación ) , y la máxima que no produzca erosión en las paredes y el fondo del canal. Las velocidades mayores que los valores máximos permisible modifican las rasantes y crean dificultades al funcionamiento de las estructuras que tenga el canal . A la inversa, los problemas de sedimentación ocasionado por las bajas velocidades demandan mayores gastos de conservación, por que se embarcan y disminuye su capacidad de conducción.  Se han encontrado muchos resultados experimentales sobre estos limites, para canales alojados en tierra, en general están comprendido entre 0.30 y 0.90 m / s.
  • 50.  La tabla que se muestra, proporciona el rango de velocidades máximas recomendable, en función de las características del material en el cual están alojados. Características de los suelos Canales en tierra franca Canales en tierra arcillosa Canales revestidos con piedra y mezcla simple Canales con mampostería de piedra y concreto Canales revestidos con concreto CANALES EN ROCA pizarra Areniscas consolidadas Rocas duras, granito, etc. Velocidad máximas ( m / s) 0.60 0.90 1.00 2.00 3.00 1.25 1.50 3a5
  • 51. 3.- Pendiente Admisible en Canales de tierra ( S )
  • 52. La pendiente, en general, debe ser la mínima que permita dominar la mayor superficie posible de tierra y que, a la vez , de valores para la velocidad , que no causen erosión del material en que esta alojado el canal, ni depósito de azolve.  La pendiente máxima admisible para canales varia según la textura, en la tabla siguiente se muestran las pendientes máximas recomendable en función del tipo de suelo. 
  • 53. Tipo de suelos Pendiente S (0/00) Suelo suelto 0.5 - 1.0 Suelo francos 1.5 – 2.5 Suelo arcilloso 3.0 – 4.5 Nota: durante el diseño no necesariamente se debe tomar estos valores máximos.
  • 54. 4.- Taludes ( Z )
  • 55.  Los taludes se designan, como la reacción de la proyección a la vertical, de la inclinación de las paredes laterales.  La inclinación de las paredes laterales, depende en cada caso particular de varios factores, pero muy particularmente en la clase de terrenos en donde están alojados.  Mientras mas inestable sea el material, menor será el ángulo de inclinación de los taludes.  La siguiente tabla muestra los valores de los taludes recomendados para distintos materiales.
  • 56. Características de los suelos Canales pocos profundos  Roca en buenas Vertical 0.25 : 1  Arcilla compacta 0.5 : 1 1:1  Limos arcillosos 1:1 1.5 : 1  Limos arenosos 1.5 : 1 condiciones o conglomerado  Arenas sueltas 2:1 Canales profundos 2:1 1
  • 57. 5.- Coeficiente Rugosidad( n de )
  • 58.  En forma practica , los valores del coeficiente de rugosidad que se usan para el diseño de canales alojados en tierra están comprendido entre 0.025 y 0.030 y para canales revestidos de concreto entre 0.013 y 0.015 .  Para una mejor selección de n, según el tipo de rugosidad, se pueden obtener los valores de rugosidad que se presente en tablas y manuales de hidráulica.
  • 59. 6.- Ancho de Soleras ( b )
  • 60.  Resulta muy útil para cálculos posteriores, fijar de antemano un valor para el ancho de solera , plantilla o base, con la cual, teniendo fijo el valor del talud y ancho de solera, se puede manejar con facilidad la formula para calcular el tirante.  Una recomendación practica de fijar el ancho de solera, es en función del caudal, la cual se muestra en la siguiente tabla
  • 61. Caudal Q ( m3 / s) Menor de 0.100 0.30 Entre 0.100 y 1.200 0.50 Entre 2.00 y 4.00 0.75 mayor de 4.00  Solera b ( m ) 1.00 Nota: Para canales pequeños, el ancho de solera, estará en función del ancho de la pala de la maquinaria disponible para la construcción
  • 62. 7.- Tirante( y ):
  • 63.  Es recomendable que quede en corte o siempre en excavación, aunque puede aceptarse que parte de el quede en la la plataforma de relleno.  Para canales en media ladera se buscara que el tirante sea el máximo posible, a fin que el ancho del canal disminuya y el movimiento de tierras sea menor. Sin embargo en suelos rocosos por consideración constructiva podría seleccionarse tirantes pequeños y utilizar la plataforma de excavación para el camino de mantenimiento.  En terrenos planos y canales sin revestir se preferirá tirantes pequeños a fin de reducir los
  • 64.  Una regla empírica generalmente usada en los Estados Unidos, establece el valor máximo de la profundidad de los canales en tierra según la siguiente relación: (Q > 3 m3/s) Y = ( A ) ½ / 2 Y para Q < 3 m3/s: Y = ( A ) ½ /3 Donde: Y = Tirante hidráulico, en m. A = Área de la sección transversal, en m2 otros autores establecen : y =b / 3 Donde: b = ancho de solera o base, en m
  • 65. θ
  • 66. Sección de máxima eficiencia hidráulica: b / y = 2 tg ( θ / 2 ) o b / y = 2 ((1 + Z2 )1/2 –Z) Sección de mínima infiltración: b / y = 4 tg ( θ / 2 ) o b / y = 4 ((1 + Z2 )1/2 –Z ) Valor medio de las dos anteriores: b / y = 3 tg ( θ / 2 ) , o b / y = 3 ((1 + Z2 )1/2 –Z)
  • 67. 8.- Area Hidráulica (A):
  • 68.  Para el caso de una sección trapezoidal, una vez calculado el ancho de la solera, talud y el tirante, se obtiene usando la relación geométrica: A = ( b + Zy) y  También se puede usar la ecuación de la continuidad, si se conoce el caudal y la velocidad mediante la siguiente ecuación: A = Q / v
  • 69. 9.- Borde Libre.
  • 70.    En la determinación de la sección transversal de los canales, resulta necesario, dejar cierto desnivel entre la superficie libre del agua y la corona de los bordes (B.L o fb) como margen de seguridad, a fin de absorber los niveles extraordinarios que puedan presentarse por sobre el caudal de diseño del canal. B.L = H - y Una practica corriente para canales en tierra, es dejar un bordo libre o resguardo igual a un tercio del tirante, es decir: B.L = y / 3 Mientras para canales revestidos, el borde libre puede ser la quinta parte del tirante: B.L = y / 5
  • 71. Existen también otros criterios para seleccionar el valor del borde libre: En relación al caudal se tiene: Caudal ( m3 / s) Borde libre Menores que 0.50 0.30 Mayores que 0.50 0.40 En relación al ancho de solera se tiene: Ancho de solera ( m ) Borde libre ( m ) Hasta 0.80 0.40 De 0.80 a 1.50 0.50 De 1.50 a 3.00 0.60 De 3.00 a 20.00 1.00
  • 72. En función al caudal, la secretaría de recursos hidráulicos de México recomienda Caudal ( m3 / s ) Canal revestido ( cm. ) Canal sin revestir ( cm.) ≤ 0.05 0.05 – 0.25 0.25 – 0.50 0.50 – 1.00 >1 7.5 10 20 250 30 10 20 40 50 60
  • 73. 10.- Profundidad Total ( H )
  • 74.  La profundidad total del canal se encuentra una vez conocida el tirante de agua y el borde libre, es decir H = y + B. L  Por lo general, para el proceso de construcción, este valor se redondea.
  • 75. 11.- Ancho corona ( C de )
  • 76.  El ancho de corona , de los bordos de los canales en su parte superior, depende esencialmente del servicio que estos habrán de prestar.  En canales grandes se hacen suficientemente anchos, 6.50 m como mínimo, para permitir el transito de vehículos y equipos de conservación, a fin de facilitar los trabajos de inspección y distribución de agua.  En canales mas pequeños, el ancho superior de la corona puede diseñarse aproximadamente igual al tirante del canal. En función del caudal, se puede considerar un ancho de corona de 0.60 m. para caudales menores de 0.50 m3 / s y 1.00 m para caudales mayores.
  • 77. OTRAS CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE CANALES SEGÚN LAS NORMAS
  • 78. 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.
  • 79.  Las siguientes tablas indican radios mínimos según las normas del ILRI: 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 superior. Fuente: “International Institute For Land Reclamation And Improvement” ILRI, Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands 1978.
  • 80. Radio mínimo en canales abiertos en función del espejo de agua CANALES DE DRENAJE CANALES DE RIEGO 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 agua Fuente: Salzgitter Consult GMBH “Planificación de Canales, Zona Piloto Ferreñafe” Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones – Chiclayo 1984.
  • 81. 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 5m 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 a nuestro criterio.
  • 82. Elementos de una Curva
  • 83.               A = Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20 m. C = Cuerda larga, es la cuerda que sub – tiende la curva desde PC hasta PT. ß = Angulo de deflexión, formado en el PI. E = Externa, 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.
  • 84. Sección Hidráulica Optima : 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 b  es: máxima eficiencia hidráulica θ  = 2 * tg   y 2
  • 85. 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: b θ  = 4 * tg   y 2 La siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda.
  • 86. Relación plantilla vs. tirante para, máxima eficiencia, mínima infiltración y el promedio de ambas . Talud Angulo Máxima Eficiencia Mínima Infiltración Promedio 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
  • 87.  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 canal  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.
  • 88. Diseño de secciones hidráulicas  Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente del canal, taludes, etc.  La ecuación más utilizada es la de Manning o Strickler, y su expresión es: 1 Q = AR 2/3 S 1/ 2 n Donde: Q = Caudal (m3/s) n = Rugosidad A = Área (m2) R = Radio hidráulico = Área de la sección húmeda / Perímetro Húmedo
  • 89. Criterios para el diseño de un canal
  • 90.  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.
  • 91.  1.- 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 la 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:
  • 92. 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.
  • 93. 2.- 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:
  • 94. Taludes apropiados para distintos tipos de material MATERIAL TALUD (horizontal : vertical) Roca Prácticamente vertical Suelos de turba y detritos Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de concreto Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en grandes canales Arcilla firma o tierra en canales pequeños 0.25 : 1 0.5 : 1 hasta 1:1 1:1 1.5 : 1 Tierra arenosa suelta 2:1 Greda arenosa o arcilla porosa 3:1 Fuente: Aguirre Pe, Julián, “Hidráulica de canales”, centro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974
  • 95. Pendientes laterales en canales según tipo de suelo MATERIAL Roca en buenas condiciones CANALES POCO PROFUNDOS Vertical CANALES PROFUNDOS 0.25 : 1 0.5 : 1 1:1 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 Arcillas compactas o conglomerados Fuente: Aguirre Pe, Julián, “Hidráulica de canales”, Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974
  • 96. 3.- 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. 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.
  • 97. Máxima velocidad permitida en canales no recubiertos de vegetación MATERIAL DE LA CAJA DEL CANAL “n” Manning Velocidad (m/s) Agua limpia Agua con partículas coloidales Agua transportando arena, grava o fragmentos Arena fina coloidal 0.020 1.45 0.75 0.45 Franco arenoso no coloidal 0.020 0.53 0.75 0.60 Franco limoso no coloidal 0.020 0.60 0.90 0.60 Limos aluviales no coloidales 0.020 0.60 1.05 0.60 Franco consistente normal 0.020 0.75 1.05 0.68 Ceniza volcánica 0.020 0.75 1.05 0.60 Arcilla consistente muy coloidal 0.025 1.13 1.50 0.90 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 clasificado no coloidal 0.030 1.13 1.50 0.90 Suelo franco clasificado coloidal 0.030 1.20 1.65 1.50 Grava gruesa no coloidal 0.025 1.20 1.80 1.95 Gravas y guijarros 0.035 1.80 1.80 1.50 Fuente: Krochin Sviatoslav. ”Diseño Hidráulico”, Ed. MIR, Moscú, 1978
  • 98.  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. Velocidades máximas en hormigón en función de su resistencia : RESISTENCIA, en kg/cm2 PROFUNDIDAD DEL TIRANTE EN 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 15.6 17.3 20.0 21.2 22.9 Fuente: 200 Krochin Sviatoslav. ”Diseño Hidráulico”, Ed. MIR, Moscú, 1978
  • 99. 4.- 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 la siguiente formula: BordeLibre = CY Donde: (Borde libre: en pies.) C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/seg. Y = Tirante del canal en pies. La secretaría de Recursos Hidráulicos de México, recomienda los siguientes valores en función del caudal:
  • 100. 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 60.0 Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico “Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales” Lima 1978 N- 7
  • 101.  Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal. Borde libre en función de la plantilla del canal: Ancho de la plantilla (m) Borde libre (m) Hasta 0.8 0.4 0.8 – 1.5 0.5 1.5 – 3.0 0.6 3.0 – 20.0 1.0 Fuente: Villón Béjar, Máximo; “Hidráulica de canales”, Depto. De Ingeniería Agrícola – Instituto Tecnológico de Costa Rica, Editorial Hozlo, Lima, 1981
  • 102. EJEMPLO DE APLICACION
  • 103. …FIN DE EXPOSICION Ing. Hugo Rojas Rubio