AUTORIDAD NACIONAL DEL AGUA

3.0 DISEO DECANALES ABIERTOSCONTENIDO1.0.DISEO DE CANAL ES ABIERTOS1. Generalidades

2. Canales de riego por su funcin3. Elem entos bs icos en el diseo de canales

3.1. Trazo de canales

3.2. Radios m nim os en canales3.3. Elem entos de una curva

3.4. Ras ante de un canal3.5. Seccin Hidrulica Optima

3.6. Dis eo de s ecciones hidrulicas

3.7. Criterios de es pesor de reves timiento

CRITERIOS PARA DISEO DE CANALES ABIERTOS1. GeneralidadesEn un proyecto de riego, la parte correspondiente a su concepcin, definido por su planteamiento hidrulico, tiene principal importancia, debido a que es all donde se determinan las estrategias de funcionamiento del sistema de riego (captacin, conduccin canal abierto o a presin -, regulacin), por lo tanto, para desarrollar el planteamiento hidrulico del proyecto se tiene que implementar los diseos de la infraestructura identificada en la etapa de campo; canales, obras de arte (acueductos, canoas, alcantarillas, tomas laterales etc.), obras especiales (bocatomas, desarenadores, tneles, sifones, etc) etc.Para el desarrollo de los diseos de las obras proyectadas, el caudal es un parmetro clave en el dimensionamiento de las mismas y que esta asociado a la disponibilidad del recurso hdrico (hidrologa), tipo de suelo, tipo de cultivo, condiciones climticas, mtodos de riego, etc., es decir mediante la conjuncin de la relacin agua suelo planta. De manera que cuando se trata de la planificacin de un proyecto de riego, la formacin y experiencia del diseador tiene mucha importancia, destacndose en esta especialidad la ingenier a agrcola.2. Canales de riego por su funcin Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones: Canal de primer orden.- Llamado tambin canal madre o de derivacin y se le traza siempre con pendiente mnima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos. Canal de segundo orden.- Llamados tambin laterales, son aquellos que salen delcanal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub laterales, el rea de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego. Canal de tercer orden.- Llamados tambin sub laterales y nacen de los canaleslaterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a travs de las tomas del solar, el rea de riego que sirve un sub lateral se conoce como unidad de rotacin.De lo anterior de deduce que varias unidades de rotacin constituyen una unidad de riego, y varias unidades de riego constituyen un sistema de riego, este sistema adopta el nombre o codificacin del canal madre o de primer orden.3. Elementos bsicos en el d iseo de canalesSe consideran elementos; topogrficos, geolgicos, geotcnicos, hidrolgicos, hidrulicos, ambientales, agrolgicos, entre otros.3.1 Trazo de canalesCuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente informacin bsica:Fotografas areas, imgenes satelitales, para localizar los poblados, caseros, reas de cultivo, vas de comunicacin, etc. Planos topogrficos y catastrales.Estudios geolgicos, salinidad, suelos y dems informacin que pueda conjugarse en el trazo de canales.Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazo preliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios, obtenindose finalmente el trazo definitivo.En el caso de no existir informacin topogrfica bsica se procede a levantar el relieve del canal, procediendo con los siguientes pasos:a. Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona, anotndose todos los detalles que influyen en la determinacin de un eje probable de trazo, determinndose el punto inicial y el punto final (georreferenciados).b. Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topogrfica, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelar la poligonal y se har el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harn de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsin de relieve, la seccin se hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la seccin es mximo 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 bsicamente de la topografa de la zona y de la precisin 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 1:2000.3.2 Radios mnimos en canalesEn el diseo de canales, el cambio brusco de direccin se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mnimo, dado que al trazar curvas conradios mayores al mnimo no significa ningn ahorro de energa, es decir la curva no ser hidrulicamente ms eficiente, en cambio s ser ms costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo.Las siguientes tablas indican radios mnimos segn el autor o la fuente:Tabla N 01 - Radio mnimo en funcin al caudalCapacidad del canalRadio mnimo

Has ta 10 m 3/s3 * ancho de la base

De 10 a 14 m 3/s4 * ancho de la base

De 14 a 17 m 3/s5 * ancho de la base

De 17 a 20 m 3/s6 * ancho de la base

De 20 m 3/s a mayor7 * ancho de la base

Los radios m nim os deben s er redondeados has ta el prxim o m etro s uperior

Fuente : "International Ins titute For Land Re clamation And Improvement" ILRI, Principios y Aplicaciones de l Dre naje, Tomo IV, Wageninge n The Ne therlands 1978.Tabla N 02 - Radio mnimo en canales abiertos para Q < 20 m3/sCapacidad del canalRadio mnimo

20 m3/s100 m

15 m3/s80 m

10 m3/s60 m

5 m3/s20 m

1 m3/s10 m

0,5 m3/s5 m

Fuente : M inisterio de Agricultura y Alime ntacin, Bole tn T cnico N 7 "Cons ideracionesGe nerales sobre Canales Trapezoidales " Lim a 1978.Tabla N-03 -. Radio mnimo en canales abierto s en funcin del espejo de aguaCanal de riegoCanal de drenaje

TipoRadioTipoRadio

Sub canal4TColector principal5T

Lateral3TColector5T

Sub lateral3TSub colector5T

Siendo T el ancho s uperior del es pejo de agua

Fuente : Salzgitte r Cons ult GM BH "Planificacin de Canales , Zona Piloto Fe rreafe " TomoII/ 1- Proye cto Tinajones Chiclayo 1984.3.3 Elementos de una curvaA=Arco, es la longitud de curva m edida en cuerdas de 20 m

C=Cuerda larga, es la cuerda que s ub tiende la curva desde PC has ta PT.

=Angulo de deflexin, form ado en el PI.

E=External, es la dis tancia de PI a la curva m edida en la bis ectriz.

F=Flecha, es la longitud de la perpendicular bajada del punto m edio de la curva a la cuerda larga.

G=Grado, es el ngulo central.

LC=Longitud de curva que une PC con PT.

PC=Principio de una curva.

PI=Punto de inflexin.

PT=Punto de tangente.

PSC=Punto sobre curva.

PST=Punto sobre tangente.

R=Radio de la curva.

ST=Sub tangente, dis tancia del PC al PI.

3.4 Rasante de un canalUna vez definido el trazo del canal, se proceden a dibujar el perfil longitudinal de dicho trazo, las escalas ms usuales son de 1:1000 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relacin entre la escala horizontal y vertical es de 1 a10. El procesamiento de la informacin y dibujo se puede efectuar empleando el softwareAUTOCAD C IVIL 3D (AUTOCAD clsico, AUTOCAD LAND, AUTOCAD MAP o AUTOCAD CIVIL).Para el diseo de la rasante se debe tener en cuenta: La rasante se debe trabajar sobre la base de una copia del perfil longitudinal del trazoTener en cuenta los puntos de captacin cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren u obra de arte. La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno (optimizar el movimiento de tierras), cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se proyectan cadas o saltos de agua. Para definir la rasante del fondo se prueba con el caudal especificado y diferentes cajas hidrulicas, chequeando la velocidad obtenida en relacin con el tipo de revestimiento a proyectar o si va ser en lecho natural, tambin se tiene la mxima eficiencia o mnima infiltracin. El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mnimo la siguiente informacin. Kilometraje Cota de terreno BMs (cada 500 1000 m) Cota de rasante Pendiente Indicacin de las deflexiones del trazo con los elementos de curva Ubicacin de las obras de arte Seccin o secciones hidrulicas del canal, indicando su kilometraje Tipo de suelo Cuadro con elementos geomtricos e hidrulicos del diseoSeccin tpica de un canalDonde:T = Ancho superior del canalb = Plantillaz = Valor horizontal de la inclinacin del taludC = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m., segn el canal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente.V = Ancho del camino de vigilancia, puede ser: 3; 4 y 6 m., segn el canal 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 mrgenes, segn las necesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no sernecesaria, dependiendo de la intensidad del trfico.3.5 Seccin Hidrulica OptimaDeterminacin de Mxima Eficiencia HidrulicaSe dice que un canal es de mxima eficiencia hidrulica cuando para la misma rea y pendiente conduce el mayor caudal posible, sta condicin est referida a un permetrohmedo mnimo, la ecuacin que determina la seccin de mxima eficiencia hidrulica es:b 2 * tgy 2 Siendo el ngulo que forma el talud con la horizontal, arctan (1/z), b plantilla del canal y ytirante o altura de agua.Determinacin de Mnima InfiltracinSe aplica cuando se quiere obtener la menor prdida posible de agua por infiltracin en canales de tierra, esta condicin depende del tipo de suelo y del tirante del canal, laecuacin que determina la m nima infiltracin es:La siguiente tabla presenta estas condiciones, adems del promedio el cual se recomienda.b 4 * tgy 2 Tabla N 04 -. Relacin plantilla vs tirante para, mxima eficiencia, mnima infiltracin y el promedio de ambas.TaludAnguloMximaEficienciaMnimaInfiltracinPromedio

Vertical90002.00004.00003.0000

1 / 4 : 175581.56163.12312.3423

1 / 2 : 163261.23612.47211.8541

4 / 7 : 160151.16062.32131.7410

3 / 4 : 153081.00002.00001.5000

1:145000.82841.65691.2426

1 : 138400.70161.40311.0523

1 : 133410.60561.21110.9083

2 : 126340.47210.94430.7082

3 : 118260.32460.64910.4868

De todas las secciones trapezoidales, la ms eficiente es aquella donde el ngulo a que forma el talud con la horizontal es 60, adems para cualquier seccin de mxima eficiencia debe cumplirse: R = y/2Donde:R = Radio hidrulicoy = Tirante del canalNo siempre se puede disear de acuerdo a las condiciones mencionadas, al final se imponen una serie de circunstancias locales que imponen un diseo propio para cada situacin.3.6 Diseo de secciones hidrulicasSe debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad, velocidad mxima y mnima permitida, pendiente del canal, taludes, etc.La ecuacin ms utilizada es la de Manning o Strickler, y su expresin es:Q 1 AR 2/3 S 1 / 2nDonde:Q = Caudal (m3/s)n = RugosidadA = rea (m2)R = Radio hidrulico = rea de la seccin hmeda / Permetro hmedoEn la tabla N 6, se muestran las secciones ms utilizadas.Criterios de diseoSe tienen diferentes factores que se consideran en el diseo de canales, los cuales tendrn en cuenta: el caudal a conducir, factores geomtricos e hidrulicos de la seccin, materiales de revestimiento, la topografa existente, la geologa y geotecnia de la zona, los materiales disponibles en la zona o en el mercado ms cercano, costos de materiales, disponibilidad de mano de obra calificada, tecnologa actual, optimizacin econmica, socioeconoma de los beneficiarios, climatologa, altitud, etc. Si se tiene en cuenta todos estos factores, se llegar a una solucin tcnica y econmica ms conveniente.a) Rugosidad.- Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetacin, irregularidad y trazado del canal, radio hidrulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se disea canales en tierra se supone que el canal est recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difcilmente se conservar con el tiempo, lo que quiere decir que en la prctica constantemente se har frente a un continuo cambio de la rugosidad.En canales proyectados con revestimiento, la rugosidad es funcin del material usado, que puede ser de concreto, geomanta, tubera PVC HDP metlica, o si van a trabajar a presin atmosfrica o presurizados.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 diseo:Ta bla N 5 - Va lore s de rugosida d n de Ma nningnSuperficie

0.010Mu y lis a, vidrio, pls tico, cobre.

0.011Concreto m uy lis o.

0.013Madera s uave, m etal, concreto frotachado.

0.017Canales de tierra en buenas condiciones .

0.020Canales naturales de tierra, libres de vegetacin.

0.025Canales naturales con alguna vegetacin y piedras es parcidas en el fondo

0.035Canales naturales con abundante vegetacin.

0.040Arro yos de m ontaa con m uchas piedras .

Tabla N 6 - Relaciones geomtricas de las seccione s tran sver sales m s frecuente s

b) Talud apropiado segn el tipo de material.- La inclinacin de las paredes laterales de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde estn alojados, la U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda un talud nico de1,5:1 para sus canales, a continuacin se presenta un cuadro de taludes apropiadospara distintos tipos de material:Tabla N 7 - Taludes apropiados para distin to s tipo s de materialMATERIALTALUD (h : v)

RocaPrcticam ente vertical

Suelos de turba y detritos0.25 : 1

Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de concreto0.5 : 1 has ta 1:1

Tierra con recubrim iento de piedra o tierra en grandes canales1:1

Arcilla firm a o tierra en canales pequeos1.5 : 1

Tierra arenos a s uelta2:1

Greda arenos a o arcilla poros a3:1

Fuente : Aguirre Pe , Julin, Hidrulica de canales , De ntro Interamericano de Des arrollo de Aguas y Tierras CIDIAT, Merida, Vene zue la, 1974Tabla N 8 - Pendientes laterales en canales segn tipo de sueloMATERIALCANALES P OCOPROFUNDOSCANALESPROFUNDOS

Roca en buenas condicionesVertical0.25 : 1

Arcillas compactas o conglomerados0.5 : 11 : 1

Lim os arcillosos1 : 11.5 : 1

Lim os arenos os1.5 : 12 : 1

Arenas s ueltas2 : 13 : 1

Concreto1 : 11.5 : 1

Fuente : Aguirre Pe , Julin, Hidrulica de canales , De ntro Interamericano de Des arrollo de Aguas y Tierras CIDIAT, Merida, Vene zue la, 1974c) Velocidades mxima y mnima permisible.- La velocidad m nima permisible es aquella velocidad que no permite sedimentacin, 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. El valor de 0.8 m/seg se considera como la velocidad apropiada que no permite sedimentacin y adems impide el crecimiento de plantas en el canal.La velocidad mxima 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 N - 9. Mxima velocidad permitida en canales no recubierto s de vegetacinMATERIAL DE LA CAJA DEL CANALn ManningVelocidad (m/s)

Agua limpiaAgua con partculas coloidalesAgua transportando arena, grava o fragmentos

Arena fina coloidal0.0201.450.750.45

Franco arenos o no coloidal0.0200.530.750.60

Franco lim oso no coloidal0.0200.600.900.60

Lim os aluviales no coloidales0.0200.601.050.60

Franco cons is tente norm al0.0200.751.050.68

Ceniza volcnica0.0200.751.050.60

Arcilla cons is tente m uy coloidal0.0251.131.500.90

Lim o aluvial coloidal0.0251.131.500.90

Pizarra y capas duras0.0251.801.801.50

Grava fina0.0200.751.501.13

Suelofrancoclas ificadono coloidal0.0301.131.500.90

Suelo franco clas ificado coloidal0.0301.201.651.50

Grava grues a no coloidal0.0251.201.801.95

Gravas y guijarros0.0351.801.801.50

Fuente : Krochin Sviatos lav. Dise o Hidrulico, Ed. M IR, Mos c, 1978Para velocidades mximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; adems un canal profundo conducir el agua a mayores velocidades sin erosin, que otros menos profundos.Tabla N -10 -. Velocidades mximas en hormign en funcin de su resi stencia.RESISTENCIA, (kg/cm2)PROFUNDIDAD DEL TIRANTE (m)

0.513510

509.610.612.313.014.1

7511.212.414.315.216.4

10012.713.816.017.018.3

15014.015.618.019.120.6

20015.617.320.021.222.9

Fuente : Krochin Sviatos lav. Dise o Hidrulico, Ed. M IR, Mos c, 1978La Tabla N 10, da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormign no armado, las velocidades no deben exceder de 2.5 3.0 m/seg. Para evitar la posibilidad de que el revestimiento se levante.Cuando se tenga que proyectar tomas laterales u obras de alivio lateral, se debe tener en cuenta que las velocidades tienen que ser previamente controladas (pozas de regulacin), con la finalidad que no se produzca turbulencias que originen perturbaciones y no puedan cumplir con su objetivo.d) 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 clculo 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 frmula:Donde:BordeLibre CYBorde libre: en piesC = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden de los3000 pies3/seg.Y = Tirante del canal en piesLa secretara de Recursos Hidrulicos de Mxico, recomienda los siguientes valores en funcin del caudal:Tabla N 11 -. Borde libre en funcin del caudalCaudal m3/segRevestido (cm)Sin revestir (cm)

0.057.510.0

0.05 0.2510.0020.0

0.25 0.5020.040.0

0.50 1.0025.050.0

1.0030.060.0

Fuente : M inisterio de Agricultura y Alimentacin, Boletn T cnico N- 7 Cons ideraciones Ge nerales sobre Canales Trapezoidales Lima 1978Mximo Villn Bjar, sugiere valores en funcin de la plantilla del canal:Tabla N -12 -. Borde libre en funcin de la plantilla del canalAncho de la plantilla (m)Borde libre (m)

Has ta 0.80.4

0.8 1.50.5

1.5 3.00.6

3.0 20.01.0

Fuente : Villn B jar, M ximo; Hidrulica de canales, Dpto. De Inge niera Agrcola Ins titutoTe cnolgico de Cos ta Rica, Editorial Hozlo, Lim a, 19813.7 Criterios de espesor de revestimientoNo existe una regla general para definir los espesores del revestimiento de concreto, sin embargo segn la experiencia acumulada en la construccin de canales en el pas, se puede usar un espesor de 5 a 7.7 cm para canales pequeos y medianos, y 10 a 15 cm para canales medianos y grandes, siempre que estos se diseen sin armadura.En el caso particular que se quiera proyectar un revestimiento con geomembranas, se tiene que tener en cuenta las siguientes consideraciones: Para canales pequeos se debe usar geomembrana de PVC y para canales grandes geomembrana de polietileno - HDP. Los espesores de la geomembrana, varan entre 1 a 1.5 mm Si el canal se ubica en zonas en donde puede ser vigilado permanentemente, por lo tanto no puede ser afectada la membrana. Caractersticas y cuidado en la actividades de operacin y mantenimiento Tcnica y cuidados de instalacin de la geomembrana El grupo social a servir tiene que capacitado para el manejo de dicho tipo de revestimiento. Tambin se puede usar asociada la geomembrana con un revestimiento de concreto; la geomembrana acta como elemento impermeabilizante (el concreto se deteriora con las bajas temperaturas) y el concreto como elemento de proteccin, sobre todo cuando se trata de obras ubicadas por encima de los 4, 000 m.s.n.m. o zonas desoladas.