Diseño de secciones típicas de canales y conductos
DISEÑO DE SECCIONES TIPICAS DE CANALES Y CONDUCTOS CERRADOS
GENERALIDADES:
La responsabilidad responsabilidad del ingeniero ingeniero civil es inmensa por que los conocimientos conocimientos de la idr!ulica se basan en cientos de años de empirismo" mucos años de estudios te#ricos y de an!lisis cientí$cos" y pocos años de e%periencia con las t&cnicas modernas de instrumentaci#n y computaci#n aplicada a los problemas relacionados con los recursos idr!ulicos'
(n un proyecto de HIDRAULICA la parte que comprende el diseño de los canales y obras de arte" si bien es cierto que son de vital importancia en el costo de la obra" no es lo m!s importante puesto que el caudal" )actor clave en el diseño y el m!s importante en un proyecto de riego" es un par!metro que se obtiene sobre la base del tipo de s ue lo lo " cultivo" " cultivo" condiciones clim!ticas" m&todos de riego" etc'" es decir mediante la con*unci#n de la relaci#n agua + suelo suelo + planta planta y la idrolo idrología gía"" de manera manera que cuando cuando se trata de una plani)icac # i#n de canales" canales" el diseñador tendr! una visi#n m!s amplia y ser! m!s e)iciente' por lo tanto" para desarrollar el planteamiento idr!ulico del proye oyecto se tiene que implementar los diseños de la in)raestructura identi)icada identi)icada en la etapa de campo, canales" obras de arte -acueductos" canoas" alcantarillas" tomas laterales etc'." obras especiales -bocatomas" desarenado res" t/neles" si)ones" etc'.'
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Diseño de secciones típicas de canales y conductos
1. CANALES CANALES DE DE RIEGO RIEGO POR SU SU FUNCIO FUNCION: N:
Los canales de riego por sus di)erentes )unciones siguientes denominaciones
adoptan
las
a) CANAL DE DE PRI PR IMER ORDEN.Llamado tambi&n canal madre o de derivaci#n y se le tra2a siempre con pendiente mínima" normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos' (*emplo CANAL TAYMI TAYMI Tiene 48.8 kilómetros k ilómetros e lon!it". #" $a%a$ia e $on $on"$ "$$ió $ión n &ar'a &ar'a ese ese ( me metro tross $*+i $*+i$os $os %or %or se se!" !"n no o en s" tramo tramo ini$ia ini$ial, l, asta asta metros $*+i$os $*+i$os en la *ltima /ase e istri+"$ión. istri+"$ión. 0"e $onstr"io $onstr"io a /ines e la 1$aa 1$aa e 235. A+aste$e los se$tores e 0erre6a/e, 0erre6a/e, Mo$"m', T*$"me 7 Mórro%e.
IMAEN #ATELITAL TELITAL DEL CANAL CANAL TAYMI
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1. CANALES CANALES DE DE RIEGO RIEGO POR SU SU FUNCIO FUNCION: N:
Los canales de riego por sus di)erentes )unciones siguientes denominaciones
adoptan
las
a) CANAL DE DE PRI PR IMER ORDEN.Llamado tambi&n canal madre o de derivaci#n y se le tra2a siempre con pendiente mínima" normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos' (*emplo CANAL TAYMI TAYMI Tiene 48.8 kilómetros k ilómetros e lon!it". #" $a%a$ia e $on $on"$ "$$ió $ión n &ar'a &ar'a ese ese ( me metro tross $*+i $*+i$os $os %or %or se se!" !"n no o en s" tramo tramo ini$ia ini$ial, l, asta asta metros $*+i$os $*+i$os en la *ltima /ase e istri+"$ión. istri+"$ión. 0"e $onstr"io $onstr"io a /ines e la 1$aa 1$aa e 235. A+aste$e los se$tores e 0erre6a/e, 0erre6a/e, Mo$"m', T*$"me 7 Mórro%e.
IMAEN #ATELITAL TELITAL DEL CANAL CANAL TAYMI
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9so ile!al e la moto+om+a :$anal ta 7mi)
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+) CANAL DE DE #E9NDO OR ORDEN.Llamados tambi&n LA4(RAL(5" LA4(RAL(5" son aquellos que salen del Canal 6adre y el caudal que ingresa a ellos" es repartido acia los sub+laterales" el !rea de riego que sirve un lateral lateral se conoce conoce como U7IDAD U7IDAD D( RI(89, (*emplo (*emplo Canal 6ocumí' $) CANAL AN AL DE TER TE RCER CE R ORDE RD EN.Llamados tambi&n 5ub+laterales y nacen de los canales laterales" el caudal que ingresa a ellos es repartido acia los propiedades individuales a trav&s de las tomas de gran*a" el !rea de riego que sirve de un sub+lateral se conoce como U7IDAD D( R94ACI97' De lo mani)estado se desprende que varias unidades de rotaci#n" rotaci#n" constituyen una unidad de riego y varias unidades de riego constituyen un sistema de riego" sistema sistema que adopta a dopta el nombre o nomenclatura nomenclatura del canal madre o de primer orden'
(squema de la distribuci#n del recurso ídrico
2. TRAZO TRAZO DE CANAL CANALES: ES:
Cuando se trata de tra2ar un canal o un sistema de canales recolectar la siguiente in)ormaci#n b!sica
•
• •
es necesario
:otog otogra ra)í )ías as a&r a&rea eas" s" im!ge im!gene ness sate sateli lita tale les" s" para para loca locali li2a 2arr los los poblados" caseríos" !reas de cultivo" vías de comunicaci#n" etc' ;lanos topogr!)icos y catastrales' (studios (studios geol#gico geol#gicos" s" salinidad" salinidad" suelos y dem!s in)ormaci#n in)ormaci#n que pueda con*ugarse en el tra2o de canales'
Una ve2 obtenido los datos precisos" precisos" se procede a traba*ar en gabinete gabinete dando un tra2o preliminar" el cual se replantea en campo" donde se acen los a*ustes necesarios" obteni&ndose )inalmente el tra2o de)initivo' (n el caso de no e%istir in)ormaci#n topogr!)ica b!sica se procede a levantar el relieve del canal" reali2ando traba*os de campo y gabinete" procediendo con los siguientes pasos
2.1 TRABAJO DE CAMPO: 0'1'1 R(C979CI6I(749 R(C979CI6I( 749 D(L 4(RR(79 5e recorre la 2ona" anot!ndose todos los detalles detalles que in)luyen en la determinaci#n de un e*e probable de tra2o" determin!ndose el punto inicial y el punto punto )inal )inal -geo+r -geo+re)ere e)erencia nciados. dos."" debi&ndo debi&ndose se anotar anotar las siguien siguientes tes características del terreno
4ramos 4ramos en ladera y en suelo llano llano Rocosidad" pedregosidad o naturale2a del suelo :isiogra)ía dominante -pendiente gobernadora.
Luego de este reconocimiento se podr! contar con algunas decisiones" tales como si se a de traba*ar a pendiente )i*a o a pendiente )i*a y a pendiente variable" longitud de tramos en laderas o en suelo llano' 5i ubiera que tomarse canales secundarios del que se est! tra2ando" deben )i*arse los probables puntos de derivaci#n' En "n tra+a;o e re$ono$imiento se =in$a, ;alones, et$.
em%lea< E$l'metro, +r*;"la, alt'metro,
0'1'0 4RA=9 ;R(LI6I7AR -CUR m y estacando cada 1>> m' Debe monumentales el ?6 principal y los ?7 -?ancos de 7ivel. c@m' (sta operaci#n a de e)ectuarse con 7I<(L D( I78(7I(R9' ;osteriormente se 7I<(LARB la poligonal re)erido al ?6 principal 5e ar! el levantamiento de la poligonal abierta con 4eodolito orientado al 76 y medir los lados de la poligonal y por el m&todo de de)le%iones obtener la poligonal estacada" al mismo tiempo en cada estaca pueden tomarse datos para obtener una secci#n transversal' 4aquimetría o relleno topogr!)ico sobre la )a*a de la poligonal abierta" se e)ect/a con 4eodolito" (staci#n 4otal" etc' POLIGONAL DE APOYO VISTA DE PERFIL
?uscar desnivel correspondiente a la pendiente en 0> m mediante dos posibles )ormas A' Con mira )i*a en *al#n o mira -(clímetro marca la inclinaci#n. ?' Con marca despla2ada en *al#n o mira -(clímetro graduado en >.
VISTA EN PLANTA
NIVELACION DE ESTACAS
POLIGON L ABIERTA A'
A
6e
di
r distancias
E E E E
?' 6edir Bngulos por de)le%i#n
Radiaci!
2.2 TRABAJO DE GABINETE: 0'0'1 (5CALA5 D( R(;R(5(74ACIF7 • •
De acuerdo a (speci)icaciones 4&cnicas del ;royecto' De acuerdo a la representatividad del terreno' (*emplos 1@G>> 1@1>>> 1@0>>>'
0'0'0 ;LA79 D( CUR cm -a veces 1m., deben aparecer ?6" ?7" poligonal abierta y detalles de relleno topogr!)ico' 0'0'3 4RA=9 ;R(L I6I7AR (*emplo ;endiente 1 signi)ica que para 0>m ori2ontales se consideran 0>cm verticales'
C 9 4 A 5
D(
;U7495
a
JG'K>
c JG'M>
d JG'0>
b JG'>
0'0'M ;9L I897AL A?I( R4A 5e establecer! uniendo los puntos que marquen el recorrido cada 1>>m o sea uniendo los puntos de entrega >N>>> y >N1>>" luego >N1>> y >N0>>" así sucesivamente'
0'0'G 4RA=9 D(:I7I4I<9 (sta )ase que se reali2a en el gabinete con los datos obtenidos" sirve para e)ectuarla locali2aci#n de)initiva del canal" con algunas modi)icaciones por motivos locales' (l tra2o de)initivo se puede acer por cualquiera de los m&todos que se estudian en topogra)ía" siendo el m!s usado (L D( D(:L(OI97(5" estas pueden ser derecas o i2quierdas con un valor siempre menor a 1K>P'
(l tra2o de)initivo -;oligonal de ;I. no debe ale*arse del tra2o preliminar" se buscara siempre la mayor longitud de los tramos rectos -tangentes. disminuyendo el 7P de ;'I'" los !ngulos deben ser los mas obtusos posibles" con el prop#sito de evitar el desarrollo e%cesivo del canal" y posteriormente muco corte o relleno' (n 2onas de laderas debe tenerse muco cuidado, tendiendo solamente a tener cortes' 5obre este tra2o se calculan los datos necesarios para el replanteo, es decir se determinan las longitudes y direcciones de las líneas rectas -tangentes. así tambi&n los elementos de las curvas circulares que sustituir!n a los puntos !ngulos de las líneas rectas -?" C" D" (. o ;Is'
0'0' ;(R:IL L978I4 UDI7AL 5e construyen 0 e*es perpendiculares el ori2ontal designado a distancias verticales o Alturas' 5e debe elegir una escala ori2ontal y una vertical' Recomendaci#n H@< 1@1>" 1@0>" es decir (sc' Hori2' 1 1>>>" o 1 0>>> (sc' >" o 1 0>>
5iguiendo el tra2o de)initivo se deben conseguir 0 datos -cada 0> o G> m.' distancia recorrida su respectiva cota'
0'0'Q RA5A74( D( U7 CA7AL Una ve2 de)inido el tra2o del canal" se proceden a dibu*ar el per)il longitudinal de dico tra2o" las escalas m!s usuales son de 11>>> # 10>>> para el sentido ori2ontal y 11>> # 10>> para el sentido vertical' (l procesamiento de la in)ormaci#n y dibu*o se puede e)ectuar empleando el so)tare AU49CAD CI
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4ener en cuenta los puntos de captaci#n cuando se trate de un canal de riego y los puntos de con)luencia si es un dren u obra de arte' La pendiente de la rasante de )ondo" debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno -optimi2ar el movimiento de tierras." cuando esta no es posible debido a )uertes pendientes" se proyectan caídas o saltos de agua' ;ara de)inir la rasante del )ondo se prueba con el caudal especi)icado y di)erentes ca*as idr!ulicas" cequeando la velocidad obtenida en relaci#n con el tipo de revestimiento a proyectar o si va ser en leco natural" tambi&n se tiene la m!%ima e)iciencia o mínima in)iltraci#n' (l plano )inal del per)il longitudinal de un canal" debe presentar como mínimo la siguiente in)ormaci#n • • • • • • • • • •
>ilometra;e Cota e terreno ?Ms :$aa 55 ó 2555 m) Cota e rasante Peniente Ini$a$ión e las e/le@iones el trao $on los elementos e $"r&a 9+i$a$ión e las o+ras e arte #e$$ión o se$$iones irB"li$as el $anal, ini$ano s" kilometra;e Ti%o e s"elo C"aro $on elementos !eom1tri$os e irB"li$os el ise6o
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0'0'K 5(CCI9 7(5 4RA75<(R5AL(5 (L proyectar con acierto la secci#n transversal de un canal es una situaci#n delicada" a la cual el ingeniero debe dedicar la m!%ima atenci#n' Las secciones transversales consisten en dibu*ar sobre un e*e vertical las alturas y sobre otro ori2ontal la ubicaci#n de la esas alturas" -por medio de distancias.' (n donde se tendr! como punto de intersecci#n de los e*es" la ubicaci#n de un material en el terreno especi)ico en el plano'
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Dibu*o de un canal" obtenido mediante el AutoCAD civil 3D
". DISEÑO DE SECCIONES EN CANALES Los canales son conductos en los que el agua circula debido a la acci#n de la gravedad y sin ninguna presi#n" pues la super)icie libre del liquido esta en contacto con la atmos)era' Los canales pueden ser naturales -ríos o arroyos. o arti)iciales -construidos por el ombre.' Dentro de estos /ltimos" pueden incluirse aquellos conductos cerrados que traba*an parcialmente llenos -alcantarillas" tuberías.'
".1
SECCIONES TRANSVERSALES MAS FRECUENTES:
La secci#n transversal de un canal natural es generalmente de )orma muy irregular y varia de un lugar a otro' Los canales arti)iciales" usualmente se diseñan con )ormas geom&tricas regulares -prism!ticos." las m!s comunes son las siguientes 3'1'1 5(CCI9 7(5 A?I(R4A5 •
#ECCIN TRAPEOIDAL'+ 5e una siempre en canales de tierra y en canales revestidos'
•
#ECCIN RECTAN9LAR.5e emplea para acueductos de madera" para e%cavaciones en roca y para canales revestidos'
•
#ECCIN TRIAN9LAR.5e usa para cunetas revestidas en las carreteras" tambi&n en canales de tierra pequeños" )undamentalmente por )acilidad de tra2o" por e*emplo los surcos'
•
#ECCIN PARA?LICA,5e emplea a veces para canales revestidos y es la )orma que toman apro%imadamente mucos canales naturales y canales vie*os en tierra'
3'1'0 5(CCI97(5 C(RRADA5 •
5(CCIF7 CIRCULAR S 5(CCIF7 D( H(RRADURA
5e usan com/nmente para alcantarillas y estructuras importantes
:lu*o en conductos
".2 ELEMENTOS GEOMETRICOS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL Los elementos geom&tricos son propiedades de una secci#n de canal que pueden ser de)inidos por completo por la geometría de la secci#n y la pro)undidad de )lu*o' (stos elementos son muy importantes y se utili2an con amplitud en el c!lculo de )lu*o' ;ara secciones de canal regulares y simples" los elementos geom&tricos pueden e%presarse matem!ticamente en t&rminos de la pro)undidad de )lu*o y de otras dimensiones de la secci#n' La )orma m!s conocida de la secci#n transversal de un canal es la trape2oidal" como la que se muestra en la :igura'
(lementos geom&tricos de la secci#n transversal de un canal' D#nde •
• • • •
y T tirante de agua" altura que el agua adquiere en la secci#n transversal b T base del canal o anco de solera 4 T espe*o de agua o super)icie libre de agua H T pro)undidad total del canal H+y T borde libre
• • •
• •
C T anco de corona T !ngulo de inclinaci#n de las paredes laterales con la ori2ontal 1 T talud" Hori2ontal
"." RELACIONES GEOMETRICAS TRANSVERSALES M#S FRECUENTES:
DE
LAS
SECCIONES
A continuaci#n se determinan las relaciones geom&tricas correspondientes al !rea idr!ulica-A." perímetro mo*ado -p." espe*o de agua-4. y radio idr!ulico-R." de las secciones m!s )recuentes'
".$
TIPOS DE FLUJOS EN CANALES:
La clasi)icaci#n del )lu*o en un canal depende de la variable de re)erencia que se tome" así tenemos 3'M'1 :LUV9 ;(R6A7(74( S :LUV9 79 ;(R6A7(74 ( (l )lu*o es permanente si los par!metros -tirante" velocidad" !rea" etc'." no cambian con respecto al tiempo" es decir" en una secci#n del canal en todos los tiempos los elementos del )lu*o permanecen constantes' 6atem!ticamente se pueden representar
5i los par!metros cambian con respecto al tiempo el )lu*o se llama no permanente" es decir
(n la mayor parte de los problemas de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del )lu*o solo ba*o condiciones permanentes' 5in embargo" si el cambio en la condici#n del )lu*o con respecto al tiempo es importante" el )lu*o debe tratarse como no permanente' 3'M'0 :LUV9 U7I:9R6( S :LUV9
5i los par!metros varían de una secci#n a otra" el )lu*o se llama no uni)orme o variado" es decir
Un )lu*o uni)orme puede ser permanente o no permanente" seg/n cambie o no la pro)undidad con respecto al tiempo'
H.4..2
0L9O 9NI0ORME PERMANENTE
La pro)undidad del )lu*o no cambia durante el intervalo de tiempo ba*o consideraci#n" es el tipo de )lu*o )undamental que se considera en la idr!ulica de canales abiertos'
H.4..
0L9O 9NI0ORME NO PERMANENTE
(l establecimiento de un )lu*o uni)orme no permanente requeriría que la super)icie del agua )luctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al )ondo del canal" como esta es una condici#n pr!cticamente imposible" :lu*o uni)orme no permanente es poco )recuente -raro.'
(l )lu*o variado puede gradualmente variado'
H.4..H
clasi)icarse
como
r!pidamente
variado
o
0L9O RJPIDAMENTE KARIADO
(l )lu*o es r!pidamente variado si la pro)undidad del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas" como es el caso del resalto idr!ulico'
H.4..4
0L9O RAD9ALMENTE KARIADO
(l )lu*o gradualmente variado es aquel en el cual los par!metros cambian en )orma gradual a lo largo del canal" como es el caso de una curva de remanso'
(l )lu*o gradualmente variado puede ser acelerado o retardado' (l primero se presenta cuando los tirantes en la direcci#n del escurrimiento van disminuyendo y el segundo" llamado tambi&n remanso e%iste cuando sucede el )en#meno contrario' Un caso muy típico de remanso es aquel que se presenta aguas arriba de un vertedor o cualquier obstrucci#n seme*ante" como se indica en la gr!)ica'
".% FORMULAS USADAS PARA CANALES: 3'G'1 :9R6ULA D( CH(=S Las e%periencias reali2adas por Ce2y le permitieron establecer la primera )#rmula del )lu*o uni)orme" para el c!lculo de la velocidad media en un conducto el cual se e%presa como
• •
• •
< velocidad media en el canal" en m@s' C coe)iciente de Ce2y que depende de las características del escurrimiento y de la naturale2a de las paredes' R radio idr!ulico" en m' 5 pendiente de la línea de energía" para el )lu*o uni)orme" es tambi&n la pendiente de la super)icie libre del agua y la pendiente del )ondo del canal" en m@m'
4odas las )ormulas usada para el diseño de canales tiene como origen la )#rmula de ce2y' Di)erentes investigadores por mucos años" encaminaron sus es)uer2os a evaluar el coe)iciente de ce2y" de acuerdo con distintas )#rmulas" las m!s conocidas son las siguientes
3'G'0 :9R6ULA D( ?A=I7 -1KJQ.
Rempla2ando en la ecuaci#n de ce2y
Donde <
3'G'3 :9R6ULA D( 6A77I78 (s la )ormula cuyo uso se alla m!s e%tendido a casi todas las partes del mundo'
5ustituyendo en la ecuaci#n de ce2y
Aplicando la ecuaci#n de la continuidad
".&
SECCIONES DE M#'IMA EFICIENCIA (IDRAULICA
Uno de los )actores que intervienen en el costo de construcci#n de un canal es el volumen por e%cavar, este a su ve2 depende de la secci#n transversal' 6ediante ecuaciones se puede plantear y resolver el problema" de encontrar la menor e%cavaci#n para conducir un caudal dado" conocida la pendiente' Una secci#n es de m!%ima e)iciencia idr!ulica cuando para la misma !rea idr!ulica" pendiente y calidad de paredes de*a pasar un caudal m!%imo' Donde n" A y 5 son constantes'
(n la ecuaci#n observamos que el caudal ser! m!%imo si el radio idr!ulico es m!%imo RTA@p" de donde decimos que el perímetro debe ser mínimo' es m'nimo si el %er'metro es m'nimo, %ara "na Brea $onstante. La )#rmula que determina la secci#n de m!%ima e)iciencia es
#ECCIONE# DE MAIMA E0ICI ENCIA I DRA9LICA
".)
SECCIONES DE MINIMA INFILTRACION
5i un canal esta tra2ado sobre un terreno bastante permeable" se ace necesario diseñar una secci#n" que permita obtener la menor p&rdida posible de agua por in$ltraci#n" la cual se puede allar matem!ticamente' ;ara obtener la )ormula de la secci#n de mínima in)iltraci#n" consideramos un canal con una secci#n trape2oidal cualquiera La in)iltraci#n depende de la clase de terreno" pero es una )unci#n del tirante" se supone que la intensidad de in)iltraci#n i en un punto del perímetro mo*ado de la secci#n del canal es proporcional a la raí2 cuadrada de la pro)undidad y' (n el )ondo" la in$ltraci#n ser! iTXS La )#rmula que da esta condici#n es
(l promedio de la )#rmula de m!%ima e)iciencia idr!ulica y la )ormula de mínima in)iltraci#n" queda e%presado por la siguiente igualdad
R(LACIF7 ;LA74I LLA <5 4IRA74( ;ARA 6BOI6A (:ICI (7CIA HIDRBULICA" 6I7I6A I 7:IL4RACIF7 S (L ;R96(DI9 D( A6?A5
De todas las secciones trape2oidales" la m!s e)iciente es aquella donde el Angulo que )orma el talud con la ori2ontal es >Y'
$. CONSIDERACIONES PR#CTICAS PARA EL DISEÑO DE CANALES A nivel de parcela" lo m!s generali2ado es encontrarnos con canales de tierra de secci#n trape2oidal" por lo cual las recomendaciones que se proporcionan estar!n orientadas m!s a este tipo de canales'
E*+,+!-/ 0+,-ic/ d+ 3! ca!a* (l diseño de un canal implica darle valor num&rico a las siguientes especi)icaciones t&cnicas • • • • • • • • • • • •
Z T caudal en m 3@s
$.1
CAUDAL 4
;ara el diseño de un canal a nivel parcelario" el caudal tiene que ser un dato de partida" que se puede calcular con base en el m#dulo de riego -l@s@a." la super)icie que se va regar -a." el caudal que resulte de las perdidas por in)iltraci#n durante la conducci#n' (n el caso de que el canal sirva para evacuar e%cedentes de las aguas pluviales" el caudal de diseño se calcula tomando en cuenta las consideraciones idrol#gicas'
(n 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" drena*e" idroel&ctrico" o uso poblacional'
Ca!a* 5aa 3/ a06c*a $.2
RADIOS M7NIMOS EN CANALES
Los niveles de agua" cuando se presentan Curvas en Canales" tienden a variar por e)ecto de la sobre elevaci#n" con respecto al nivel medio del
agua" que la )uer2a centrí)uga genera en la parte e%terior de la Curva mientras que en su parte interior aparece una depresi#n en el nivel del agua' 4odo esto apartando los )lu*os secundarios que se generan por e)ecto de estas Curvas que" con seguridad" generar!n perturbaciones asta una longitud determinada aguas aba*o de ellas' (l inconveniente con estos cambios de elevaci#n -y perturbaciones secundarias. generados por las Curvas en Canales" pueden ir desde socavaciones o deposiciones e%cesivas en estos puntos" si ablamos de canales no revestidos" asta perturbaciones de estructuras idr!ulicas" como compuertas o vertederos" ubicadas aguas deba*o de estas curvas' Igualmente no se puede perder de vista la posibilidad de desbordamiento del canal" por )alta del adecuado borde libre' ;or lo tanto" para los e)ectos del diseño de Canales" es importante en e%tremo reducir al mínimo el n/mero de curvas o cambios de direcci#n en el alineamiento del canal'
;or supuesto que los cambios de direcci#n ser!n inevitables en canales de cierta longitud" así ayamos minimi2ado al m!%imo las Curvas en el Canal" en cuyo caso es necesario contar con las e%presiones o valores recomendados para la estimaci#n de la sobre elevaci#n generada por curvas de determinado radio así como los radios mínimos que deben utili2arse para el diseño" de )orma tal de garanti2ar las condiciones uni)ormes del )lu*o en canales' (n el diseño de canales" el cambio brusco de direcci#n se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande" y debe escogerse un radio mínimo" dado que al tra2ar curvas con radios mayores al mínimo no signi)ica ning/n aorro de energía" es decir la curva no ser! idr!ulicamente m!s e)iciente" en cambio sí ser! m!s costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo'
Radio mínimo en )unci#n del caudal
Radi ,6!i, +! ca!a*+/ a8i+- / 5aa ca3da*+/ 92,";/
Radi ,6!i, +! ca!a*+/ a8i+-/ +! <3!ci ! d+* +/5+ = d+ a03a
$.2.1 ELEMENTOS DE UNA CURVA EN CANALES ABIERTOS:
(lemento de un curva
• •
• • •
• • • • • • • • •
A T Arco" es la longitud de curva medida en cuerdas de 0> m C T Cuerda larga" es la cuerda que sub tiende la curva desde ;C asta ;4' [ o T Angulo de de)le%i#n" )ormado en el ;I' ( T (%terna" es la distancia de ;I a la curva medida en la bisectri2' : T :leca" es la longitud de la perpendicular ba*ada del punto medio de la curva a la cuerda larga' 8 T 8rado" es el !ngulo central' LC T Longitud de curva que une ;C con ;4' ;C T ;rincipio de una curva' ;I T ;unto de in)le%i#n' ;4 T ;unto de tangente' ;5C T ;unto sobre curva' ;54 T ;unto sobre tangente' R T Radio de la curva' 54 T 5ub tangente" distancia del ;C al ;I'
$.2.2 FORMULAS M#S USUALES PARA EL CALCULO EN CANALES
DE
CURVAS
Vi/-a a+a d+* ca!a* -a>,i c! /3/ ca,8i/ d+ di+cci!
$."
VELOCIDAD M#'IMA Y M7NIMA PERMISIBLE
La velocidad media 6anning
se puede determinar por medio de la )#rmula de
$.".1. VELOCIDAD M7NIMA PERMISIBLE (s aquella velocidad mínima que no permite sedimentaci#n" su valor es muy incierto y no puede ser determinado con e%actitud" cuando el agua )luye sin limo este valor carece de importancia" pero la ba*a velocidad )avorece el crecimiento de las plantas, cuando se trata de canales en tierra" da el valor de >'Q0 m@s como la velocidad apropiada que no produce sedimentaci#n y adem!s impide el crecimiento de la vegetaci#n en el canal' Los problemas de sedimentaci#n creados por velocidades muy ba*as demandan mayores gastos de conservaci#n" porque se embancan y disminuyen su capacidad de conducci#n'
;robl de sedi taci# canal de veloci
ema men n en es ba*a dad
K e lo$i aes m'nimas %ermisi+les %ara e&itar seimenta$ión en el $a"$e e "n $ ana l<
$.".2 VELOCIDAD M#'IMA PERMISIBLE (s aquella que no produ2ca erosi#n en las paredes y el )ondo del canal, las velocidades por sobre los valores m!%imos permisibles modi)ican las rasantes y crean di)icultades al )uncionamiento de las estructuras que tenga el canal" cuando estos sean diseñados de tierra'
(rosi#n en las paredes de un canal" es el principal problema de velocidades que est&n por encima de la m!%ima permisible K e lo$i aes mB@i mas re$omenaas en /"n$ión e las $ara$ter'sti $as e los s"elos<
Kelo$iaes mB@imas en ormi!ón en /"n$ión e s" resisten $ia<
Nota< res"lta %ra$ti$o "rante los $Bl$"los, no arse &alores e &elo$ia, si no $e"earlos, 7a sea a%li$ano la /órm"la e Mannin! o la e$"a$ión e la $ontin"ia, e tal manera "e los res"ltaos o+tenios est1n entro el ran!o re$omenao.
$.$
PENDIENTE ADMISIBLE EN CANALES EN TIERRA ?S@:
La pendiente longitudinal del canal -5o. est! gobernada principalmente por la topogra)ía del terreno y por la carga de energía requerida para el )lu*o de agua' La pendiente" en general debe ser la m!%ima que permita dominar la mayor super)icie posible de tierra y que" a la ve2" de valores para la velocidad que no causen erosi#n del material en el que esta alo*ado el canal" ni )avore2ca el deposito de a2olve -sedimentaci#n.' Penientes amisi+les en /"n$ión el ti %o e s"elo
Nota< D"rante el ise6o no ne$esariamente se e+en tomar estos &alores mB@imos. C"ano las &elo$iaes res"ltan erosi&as, re"$ir la %eniente %ro"$e "na sensi+le ismin"$ión e la &elo$ia. $.%
TALUDES ?Z@
Los taludes se de)inen como la relaci#n de proyecci#n ori2ontal a vertical de la inclinaci#n de las paredes laterales'
la
La inclinaci#n de las paredes laterales depende en cada caso particular de varios )actores" pero muy particularmente de la clase de terreno en donde est!n alo*ados' 6ientras m!s inestable sea el material" menor ser el !ngulo de inclinaci#n de los taludes' (n general las pendientes deber!n ser menos pronunciadas para los canales pro)undos' Tal "es re$omenaos en /"n$i ó n e l ma te ri al<
Em%leo e !eote@til %ara esta+iliar tal"es<
$.&
COEFICIENTE DE RUGOSIDAD
(sta depende del cauce y el talud" dado a las paredes laterales del mismo" vegetaci#n" irregularidad y tra2ado del canal" radio idr!ulico y obstrucciones en el canal" generalmente cuando se diseña canales en tierra se supone que el canal est! recientemente abierto" limpio y con un tra2ado uni)orme" sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido di)ícilmente se conservar! con el tiempo" lo que quiere decir que en la pr!ctica constantemente se ar! )rente a un continuo cambio de la rugosidad' (n canales proyectados con revestimiento" la rugosidad es )unci#n del material usado" que puede ser de concreto" geomanta" tubería ;
Para ise6os e $anales alo; ao en t ierra<
El &alor e n, estB $om%renio entre 5.5 !eneralmente el &alor e nQ5.5. •
P
5.5H5, "sBnose
Para ise6o e $anales re&esti os e $on$reto<
El &alor e n, estB $om%renio entre los &alores e 5.22 !eneralmente se toma nQ 5.52.
P
Kalores e r"!osiaes %ara el "so ela e$"a$ión e Mannin!
5.52
#e$$ión e $anal $on i/erente $oe$iente e r"!osia
$.)
ANC(O DE SOLERA ?8@
Resulta muy /til para c!lculos posteriores )i*ar de antemano un valor para el anco de solera" plantilla o base" con lo cual se pueden mane*ar con )acilidad las )#rmulas para calcular el tirante' Una )ormula pr!ctica de )i*ar el anco de solera" se basa en el caudal'
;ara canales pequeños" el anco de solera estar en )unci#n del anco de la pala de la maquinaria disponible para la construcci#n' An$o e solera en /"n$ión el $a"al<
$.
TIRANTE ?>@
Una regla empírica general usada en los (stados Unidos" establece el valor m!%imo de la pro)undidad de los canales de tierra seg/n la siguiente relaci#n
Donde yT tirante idr!ulico -m.' AT!rea de la secci#n transversal' 9tros estableces que
Donde
bT anco de solera o base 4ambi&n puede usarse las relaciones de m!%ima e)iciencia idr!ulica y secci#n de mínima in)iltraci#n'
$. (IDRAULICA
#REA
5e obtiene usando la relaci#n geom&trica
Una ve2 calculado en anco de solera" talud y tirante' 4ambi&n se obtiene usando la ecuaci#n de continuidad Conocidos el caudal y la velocidad' $.1
BORDE LIBRE ?B.L.@
(n la determinaci#n de la secci#n transversal de los canales" resulta siempre necesario de*ar cierto desnivel entre la super)icie libre del agua para el tirante normal y la corona de los bordes" como margen de seguridad" a )in de absorber los desniveles e%traordinarios" que puedan presentarse por encima del caudal de diseño del canal' Regla practica ;ara canales sin revestir
;ara canales revestidos
?ore li+re e n rela$ión $o n el $a"al<
?ore li+re en /"n$ión al an$o e solera<
$.11
ANC(O DE CORONA ?C@
(l anco de corona de los bordes de un canal" en su parte superior" depende esencialmente del servicio que estos abr!n de prestar' (n canales grandes se acen su)icientemente ancos" 'G>m como mínimo" para permitir el transito de veículos y equipos de conservaci#n a )in de )acilitar los traba*os de inspecci#n y distribuci#n de agua' (n canales m!s pequeños" el anco de superior de la corona puede diseñarse apro%imadamente igual al tirante del canal' (n )unci#n al caudal se puede considerar un anco de corona de >'>m para caudales 3 menores de >' G>m @s y 1'>>m para caudales mayores'
E;em %lo e an$o
e ise6o e $orona<
%. NOMOGRAMA PARA EL CALCULO DE CANALES Una de las )#rmulas m!s usadas para el c!lculo de la cantidad de agua que discurre por un canal es la de 6' ?a2in
La cual emos e%plicado anteriormente" tomando en cuenta que se an diseñado di)erentes tablas y nomogramas para el c!lculo de &sta )#rmula" siendo el m!s conocido el construido por Ingeniero )ranc&s 6 D\9cagne" que se presenta en la siguiente $gura" en la cual" para resolver la ecuaci#n" debemos acer una doble alineaci#n" como se indica en los tra2os" sobre los valores indicados W 1'3> < 0'M
R 1'
5 >'>>0
Con ob*eto de evitar esa inc#moda doble alineaci#n" y considerando que en cada problema es conocida la naturale2a de las paredes del canal y es por tanto constante en cada caso" se a dibu*ado un nomograma que acompaña a la $gura anterior" que en realidad es la superposici#n de seis" correspondientes a cada valor de W' 5e compone de 3 líneas en 2ig2ag" que llevan en la vertical dereca la escala de valores de la pendiente" en la línea inclinada del centro los valores de la velocidad media del agua en metros por segundo" y en la vertical de la i2quierda los valores del radio medio en metros' Hay seis escalas di)erentes de valores del radio medio" seg/n sea la naturale2a de las paredes' ;ara usar &ste nomograma" debemos alinear con una recta los valores conocidos de las tres variables <(L9CIDAD" ;(7DI(74( S RADI9 HIDRAULIC9" tan s#lo ay que tener cuidado en leer los valores de las tres variables en la misma línea de 2ig2ag" de las tres del gr!$co" que correspondan al valor de W'
&. BIBLIOGRAF7A: 6anual de diseño idr!ulico de canales y obras de arte Ing' (L6(R •
• • • •
8ARCIA RIC9' In)raestructura de riego Ing' ]AL4(R 69RAL(5 UCH9:(7' Hidr!ulica de canales 6AOI69
). LINCOGRAFIA:
tt p @@')agro'edu'uy@ ^idrologia@riego@Canales0>10'pd) tt p @@es' s cribd'com@doc@Q3QK3JM3@Rugosi dad+Compuesta+Diseno+de+Canales ttp @@ing en ieriac iv il't u t o r ialesal dia'com@mini+curso+de+diseno+de+canales+con+ r&gimen+uni)orme+parte+v+y+ulti ma+curvas+en+canales@ ttp @@'ana' g ob'pe@media@3KJQ1@manual+diseC3?1o s+1'pd)
. ANE'OS: EJEMPLOS DE APLICACIN
