trabajo de diseño de secciones de canales

Diseño de secciones típicas de canales y conductos cerrados

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DISEÑO DE SECCIONES TIPICAS DE CANALES Y CONDUCTOS CERRADOS

GE NER ALID ADES :

La responsabilidad del ingeniero civil es inmensa por que los conocimientos de la hidráulica se basan en cientos de años de empirismo, muchos años de estudios teóricos y de análisis científicos, y pocos años de experiencia con las técnicas modernas de instrumentación y computación aplicada a los problemas relacionados con los recursos hidráulicos.

En 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 más importante puesto que el caudal, factor clave en el diseño y el más importante en un proyecto de riego, 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, de manera que cuando se trata de una planificación de canales, el diseñador tendrá una visión más amplia y será más eficiente. por lo tanto, para desarrollar el planteamiento hidráulico del proyecto se tiene que implementar los diseños de la infraestructura identificada en la etapa de campo; canales, obras de arte (acueductos, canoas, alcantarillas, tomas laterales etc.), obras especiales (bocatomas, desarenado res, túneles, sifones, etc.).


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1. CANALES DE RIEGO POR SU FUNCION:

Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones:

a) CANAL DE PRIMER O R D E N.-

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.

Ejemplo: CANAL TAYMI Tiene 48.8 kilómetros de longitud. Su capacidad de conducción varía desde 65 metros cúbicos por segundo en su tramo inicial, hasta 25 metros cúbicos en la última fase de distribución. Fue construido a fines de la década de 1970. Abastece los sectores de Ferreñafe, Mochumí, Túcume y Mórrope.

IMAG EN SA TEL ITAL DEL CANA L TAYMI


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Uso i l ega l de la m o t o b o m b a (ca na l t a y m i)

Diseño de secciones típicas de canales y conductos cerrados4HIDRAUILICA

b) CANAL DE S EGUN D O 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; Ejemplo: Canal Mochumí.

c) CANAL DE TERCER ORDEN . -

Llamados también Sub-laterales y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia los propiedades individuales a través de las tomas de granja, el área de riego que sirve de un sub-lateral se conoce como UNIDAD DE ROTACION.

De lo manifestado se desprende que varias unidades de rotación, constituyen una unidad de riego y varias unidades de riego constituyen un sistema de riego, sistema que adopta el nombre o nomenclatura del canal madre o de primer orden.

Esquema de la distribución del recurso hídrico


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2. TRAZO DE CANALES:

Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información básica:

Fotografías aéreas, imágenes satelitales, 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 trazo preliminar, 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 relieve del canal, realizando trabajos de campo y gabinete, procediendo con los siguientes pasos:

2.1 TRABAJO DE CAMPO:2.1.1 RECONOCIMIENTO DEL TE RRENO

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 (geo-referenciados), debiéndose anotar las siguientes características del terreno:

Tramos en ladera y en suelo llano Rocosidad, pedregosidad o naturaleza del suelo Fisiografía dominante (pendiente gobernadora) Variaciones fuertes de pendientes Elección de rutas imaginarias (Túnel, acueducto, caída, etc.) Rumbos, elevaciones y distancias que puedan servir para seleccionar la probable ruta.

Estacado de algunos puntos auxiliares para el siguiente procedimiento (trazo preliminar)


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Luego de este reconocimiento se podrá contar con algunas decisiones, tales como si se ha de trabajar a pendiente fija o a pendiente fija y a pendiente variable, longitud de tramos en laderas o en suelo llano.

Si hubiera que tomarse canales secundarios del que se está trazando, deben fijarse los probables puntos de derivación.

En un trabajo de reconocimiento se emplea: Eclímetro, brújula, altímetro, wincha, jalones, etc.

2.1.2 TRAZO PREL IMINAR (CURVAS DE NIVEL )

En esta fase con una brigada topográfica, se procede a clavar en el terreno las estacas de la poligonal preliminar o de apoyo, fijando un punto de partida (entrega o de captación), con la pendiente elegida avanzando cada 20 m y estacando cada 100 m. Debe monumentales el BM principal y los BN (Bancos de Nivel) c/Km. Esta operación ha de efectuarse con NIVEL DE INGENIERO. Posteriormente se NIVELARÁ la poligonal referido al BM principal

Se hará el levantamiento de la poligonal abierta con Teodolito orientado al NM y medir los lados de la poligonal y por el método de deflexiones obtener la poligonal estacada, al mismo tiempo en cada estaca pueden tomarse datos para obtener una sección transversal.

Taquimetría o relleno topográfico sobre la faja de la poligonal abierta, se efectúa con Teodolito, Estación Total, etc.

POLIGONAL DE APOYO VISTA DE PERFIL


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Buscar desnivel “h” correspondiente a la pendiente en 20 m mediante dos posibles formas:

A. Con mira fija en jalón o mira (Eclímetro marca la inclinación)B. Con marca desplazada en jalón o mira (Eclímetro graduado en 0)

VISTA EN PLANTA

NIVELACION DE ESTACAS


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POLIGONAL ABIERTA

A.Medir distancias ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅

B. Medir Ángulos por deflexión

Radiación


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2.2 TRABAJO DE GABINETE:2.2.1 ESCAL AS DE REP RESENTACIÓN

De acuerdo a Especificaciones Técnicas del Proyecto. De acuerdo a la representatividad del terreno.

Ejemplos: 1/500 – 1/1000 – 1/2000.

2.2.2 PL ANO DE CURVAS DE NIVEL

Las curvas de nivel deben guardar una equidistancia de 50 cm (a veces 1m); deben aparecer BM, BN, poligonal abierta y detalles de relleno topográfico.

2.2.3 T RAZO PREL IMINAR

Ejemplo: Pendiente 1% significa que para 20m horizontales se consideran 20cm verticales.

C OT A S DE P U N TO S

a 95.80 b 95.60

c 95.40 d 95.20


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2.2.4 POL IGONA L ABIE RTA

Se establecerá uniendo los puntos que marquen el recorrido cada 100m o sea uniendo los puntos de entrega 0+000 y 0+100, luego 0+100 y 0+200, así sucesivamente.

2.2.5 T RAZO DEFINITIVO

Esta fase que se realiza en el gabinete con los datos obtenidos, sirve para efectuarla localización definitiva del canal, con algunas modificaciones por motivos locales.

El trazo definitivo se puede hacer por cualquiera de los métodos que se estudian en topografía, siendo el más usado EL DE DEFLEXIONES, estas pueden ser derechas o izquierdas con un valor siempre menor a 180º.

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El trazo definitivo (Poligonal de PI) no debe alejarse del trazo preliminar, se buscara siempre la mayor longitud de los tramos rectos (tangentes) disminuyendo el Nº de P.I., los ángulos deben ser los mas obtusos posibles, con el propósito de evitar el desarrollo excesivo del canal, y posteriormente mucho corte o relleno.

En zonas de laderas debe tenerse mucho cuidado; tendiendo solamente a tener cortes.

Sobre este trazo se calculan los datos necesarios para el replanteo; es decir se determinan las longitudes y direcciones de las líneas rectas (tangentes) así también los elementos de las curvas circulares que sustituirán a los puntos ángulos de las líneas rectas (B, C, D, E) o PIs.

2.2.6 PERFIL LONGIT UDINAL

Se construyen 2 ejes perpendiculares: el horizontal designado a distancias verticales o Alturas.

Se debe elegir una escala horizontal y una vertical. Recomendación: H/V: 1/10, 1/20, es decir:

Esc. Horiz. 1: 1000, o 1: 2000

Esc. Vertc. 1: 100, o 1: 200

Siguiendo el trazo definitivo se deben conseguir 2 datos (cada 20 o 50 m). distancia recorrida su respectiva cota.

2.2.7 RAS ANTE 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 ó 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 ó 1:200 para el sentido vertical. El procesamiento de la información y dibujo se puede efectuar empleando el software AUTOCAD CIVIL 3D (AUTOCAD clásico, AUTOCAD LAND, AUTOCAD MAP o AUTOCAD CIVIL).Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta:

La rasante se debe trabajar sobre la base de una copia del perfil longitudinal del trazo.

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Tener en cuenta los puntos de captación 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 caídas o saltos de agua.

Para definir la rasante del fondo se prueba con el caudal especificado y diferentes cajas hidráulicas, chequeando la velocidad obtenida en relación con el tipo de revestimiento a proyectar o si va ser en lecho natural, también se tiene la máxima eficiencia o mínima infiltración.

El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información:

Kilometraje Cota de terreno BMs (cada 500 ó 1000 m) 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 suelo Cuadro con elementos geométricos e hidráulicos del diseño

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2.2.8 SECCIO NES T RANSVERSAL ES

EL proyectar con acierto la sección transversal de un canal es una situación delicada, a la cual el ingeniero debe dedicar la máxima atención.

Las secciones transversales consisten en dibujar sobre un eje vertical las alturas y sobre otro horizontal la ubicación de la esas alturas, (por medio de distancias). En donde se tendrá como punto de intersección de los ejes, la ubicación de un material en el terreno especifico en el plano.


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Dibujo de un canal, obtenido mediante el AutoCAD civil 3D


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3. DISEÑO DE SECCIONES EN CANALES

Los canales son conductos en los que el agua circula debido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del liquido esta en contacto con la atmosfera.

Los canales pueden ser naturales (ríos o arroyos) o artificiales (construidos por el hombre). Dentro de estos últimos, pueden incluirse aquellos conductos cerrados que trabajan parcialmente llenos (alcantarillas, tuberías).

3.1 SECCIONES TRANSVERSALES MAS FRECUENTES:

La sección transversal de un canal natural es generalmente de forma muy irregular y varia de un lugar a otro. Los canales artificiales, usualmente se diseñan con formas geométricas regulares (prismáticos), las más comunes son las siguientes:

3.1.1 SECCIO NES ABIE RTAS

SEC C I Ó N T R APEZO I DA L .-

Se una siempre en canales de tierra y en canales revestidos.

SEC C I Ó N RECTAN G UL A R . -

Se emplea para acueductos de madera, para excavaciones en roca y para canales revestidos.

SEC C I Ó N T R I A NGU L AR . -

Se usa para cunetas revestidas en las carreteras, también en canales de tierra pequeños, fundamentalmente por facilidad de trazo, por ejemplo los surcos.

SEC C I Ó N P A R A BÓ L I CA , -

Se emplea a veces para canales revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales naturales y canales viejos en tierra.


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3.1.2 SEC C I O NES CERR A DA S

SEC C I Ó N CIR C UL A R Y S EC C I Ó N DE HE R RAD U R A

Se usan comúnmente para alcantarillas y estructuras importantes

Flujo en conductos


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3.2 ELEMENTOS GEOMETRICOS DE LA SECCION TRANSVERSAL DE UN CANAL

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 de 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 más conocida de la sección transversal de un canal es la trapezoidal, como la que se muestra en la Figura.

Elementos geométricos de la sección transversal de un canal. Dónde:

y = tirante de agua, altura que el agua adquiere en la sección transversal b = base del canal o ancho de solera T = espejo de agua o superficie libre de agua H = profundidad total del canal H-y = borde libre C = ancho de corona θ = ángulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal Z : 1 = talud, Horizontal : Vertical

A = (b + Z⋅y) ⋅y, área hidráulica

ȳ = A/T , tirante hidráulico o tirante medio


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3.3 RELACIONES GEOMETRICAS DE LAS SECCIONES TRANSVERSALES MÁS FRECUENTES:

A continuación se determinan las relaciones geométricas correspondientes al área hidráulica(A), perímetro mojado (p), espejo de agua(T) y radio hidráulico(R), de las secciones más frecuentes.


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3.4 TIPOS DE FLUJOS EN CANALES:

La clasificación del flujo en un canal depende de la variable de referencia que se tome, así tenemos:

3.4.1 FLUJO P ERMANENTE Y FL UJO NO PERMANENT E

El flujo es permanente si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con respecto al tiempo, es decir, en una sección del canal en todos los tiempos los elementos del flujo permanecen constantes. Matemáticamente se pueden representar:

Si los parámetros cambian con respecto al tiempo el flujo se llama no permanente, es decir:

En la mayor parte de los problemas de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo, si el cambio en la condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no permanente.

3.4.2 FLUJO UNIFORME Y FL UJO V ARIADO

Esta clasificación obedece a la utilización del espacio como variable. El flujo es uniforme si los parámetros (tirante, velocidad, área, etc.), no cambian con respecto al espacio, es decir, en cualquier sección del canal los elementos del flujo permanecen constantes. Matemáticamente se pueden representar:


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Si los parámetros varían de una sección a otra, el flujo se llama no uniforme o variado, es decir:

Un flujo uniforme puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo.

3.4.2.1 FLUJO UNIFORME PERMANENTE

La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración, es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos.

3.4.2.2 FLUJO UNIFORME NO PERMANENTE

El establecimiento de un flujo uniforme no permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal, como esta es una condición prácticamente imposible, Flujo uniforme no permanente es poco frecuente (raro).


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El flujo variado puede clasificarse como rápidamente variado o gradualmente variado.

3.4.2.3 FLUJO RÁP IDAMENTE V ARIADO

El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas, como es el caso del resalto hidráulico.

3.4.2.4 FLUJO G RADUAL MENTE V ARIADO

El flujo gradualmente variado es aquel en el cual los parámetros cambian en forma gradual a lo largo del canal, como es el caso de una curva de remanso.


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El flujo gradualmente variado puede ser acelerado o retardado. El primero se presenta cuando los tirantes en la dirección del escurrimiento van disminuyendo y el segundo, llamado también remanso existe cuando sucede el fenómeno contrario. Un caso muy típico de remanso es aquel que se presenta aguas arriba de un vertedor o cualquier obstrucción semejante, como se indica en la gráfica.

3.5 FORMULAS USADAS PARA CANALES:

3.5.1 FORMULA DE CHEZ Y

Las experiencias realizadas por Chezy le permitieron establecer la primera fórmula del flujo uniforme, para el cálculo de la velocidad media en un conducto el cual se expresa como:

V: velocidad media en el canal, en m/s. C: coeficiente de Chezy que depende de las características del escurrimiento y de la

naturaleza de las paredes. R: radio hidráulico, en m. S: pendiente de la línea de energía, para el flujo uniforme, es también la pendiente de la

superficie libre del agua y la pendiente del fondo del canal, en m/m.


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Todas las formulas usada para el diseño de canales tiene como origen la fórmula de chezy. Diferentes investigadores por muchos años, encaminaron sus esfuerzos a evaluar el coeficiente de chezy, de acuerdo con distintas fórmulas, las más conocidas son las siguientes:

3.5.2 FORMULA DE BAZIN (1897 )

Remplazando en la ecuación de chezy:

Donde:

V: Velocidad media, m/s.

R : Radio hidráulico, m.

S: Pendiente de la línea de energía, m/m.

ϒ: coeficiente que depende de las características de rugosidad de las paredes del canal.


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Valores de coeficiente de Bazin

3.5.3 FOR M ULA DE M AN N IN G

Es la formula cuyo uso se halla más extendido a casi todas las partes del mundo.

Sustituyendo en la ecuación de chezy:


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Aplicando la ecuación de la continuidad:


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3.6 SECCIONES DE MÁXIMA EFICIENCIA HIDRAULICA

Uno de los factores que intervienen en el costo de construcción de un canal es el volumen por excavar; este a su vez depende de la sección transversal. Mediante ecuaciones se puede plantear y resolver el problema, de encontrar la menor excavación para conducir un caudal dado, conocida la pendiente.

Una sección es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área hidráulica, pendiente y calidad de paredes deja pasar un caudal máximo. Donde: n, A y S son constantes.

En la ecuación observamos que el caudal será máximo si el radio hidráulico es máximo: R=A/p, de donde decimos que el perímetro debe ser mínimo.

Q e s mín imo si e l pe rí me tro e s mín i mo , pa ra un a á rea con sta nte .

La fórmula que determina la sección de máxima eficiencia es:


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SEC C I O NES DE M AX IMA EFICI E N C IA HI D RAULICA


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3.7 SECCIONES DE MINIMA INFILTRACION

Si un canal esta trazado sobre un terreno bastante permeable, se hace necesario diseñar una sección, que permita obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración, la cual se puede hallar matemáticamente. Para obtener la formula de la sección de mínima infiltración, consideramos un canal con una sección trapezoidal cualquiera

La infiltración depende de la clase de terreno, pero es una función del tirante, se supone que la intensidad de infiltración “i” en un punto del perímetro mojado de la sección del canal es proporcional a la raíz cuadrada de la profundidad “y”. En el fondo, la infiltración será: i=K√Y

La fórmula que da esta condición es:

El promedio de la fórmula de máxima eficiencia hidráulica y la formula de mínima infiltración, queda expresado por la siguiente igualdad:


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RE L ACIÓN P L ANTI L L A V S TI R ANTE P ARA M ÁXIMA EFICI E N C IA HID R ÁUL I CA, M INIMA I NFILTRACIÓN Y E L PRO M EDIO DE A M BA S

De todas las secciones trapezoidales, la más eficiente es aquella donde el Angulo que forma el talud con la horizontal es 60°.

4. CONSIDERACIONES PRÁCTICAS PARA EL DISEÑO DE CANALES

A nivel de parcela, lo más generalizado es encontrarnos con canales de tierra de sección trapezoidal, por lo cual las recomendaciones que se proporcionan estarán orientadas más a este tipo de canales.

Elementos geométricos de un canal


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El diseño de un canal implica darle valor numérico a las siguientes especificaciones técnicas

Q = caudal en m3/s V= velocidad media del agua m/s S= pendiente en m/m n=Coeficiente de rugosidad y = tirante de agua en m b = base del canal o ancho de solera en m H = profundidad total del canal BL = H-y borde libre C = ancho de corona θ = ángulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal Z: 1 = talud, Horizontal: Vertical A = área hidráulica

4.1 CAUDAL Q

Para 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 módulo de riego (l/s/ha), la superficie que se va regar (ha), el caudal que resulte de las perdidas por infiltración durante la conducción.

En el caso de que el canal sirva para evacuar excedentes de las aguas pluviales, el caudal de diseño se calcula tomando en cuenta las consideraciones hidrológicas.

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.


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Canal para uso agrícola

4.2 RADIOS MÍNIMOS EN CANALES

Los niveles de agua, cuando se presentan Curvas en Canales, tienden a variar por efecto de la sobre elevación, con respecto al nivel medio del agua, que la fuerza centrífuga genera en la parte exterior de la Curva mientras que en su parte interior aparece una depresión en el nivel del agua. Todo esto apartando los flujos secundarios que se generan por efecto de estas Curvas que, con seguridad, generarán perturbaciones hasta una longitud determinada aguas abajo de ellas.

El inconveniente con estos cambios de elevación (y perturbaciones secundarias) generados por las Curvas en Canales, pueden ir desde socavaciones o deposiciones excesivas en estos puntos, si hablamos de canales no revestidos, hasta perturbaciones de estructuras hidráulicas, como compuertas o vertederos, ubicadas aguas debajo de estas curvas. Igualmente no se puede perder de vista la posibilidad de desbordamiento del canal, por falta del adecuado borde libre.

Por lo tanto, para los efectos del diseño de Canales, es importante en extremo reducir al mínimo el número de curvas o cambios de dirección en el alineamiento del canal.


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Por supuesto que los cambios de dirección serán inevitables en canales de cierta longitud, así hayamos minimizado al máximo las Curvas en el Canal, en cuyo caso es necesario contar con las expresiones o valores recomendados para la estimación de la sobre elevación generada por curvas de determinado radio así como los radios mínimos que deben utilizarse para el diseño, de forma tal de garantizar las condiciones “uniformes” del flujo 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.

Rad io m ín im o e n fun ció n de l ca uda l


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Rad io m ín im o e n ca na les ab ierto s pa ra ca uda les <2 0m3 /s

Ra d io m í n i m o e n c a n a les a b iert o s e n f un ci ó n de l e s pe j o d e a g u a


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4.2.1 ELEMENTOS DE UNA CURVA EN CANALES ABIERTOS:


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Elemento de un curva

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 o = 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.

4.2.2 FORMULAS MÁS USUALES PARA EL CALCULO DE CURVAS EN CANALES


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Vista aérea del canal taymi con sus cambios de dirección

4.3 VELOCIDAD MÁXIMA Y MÍNIMA PERMISIBLE

La velocidad media se puede determinar por medio de la fórmula de Manning:


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4.3.1. VELOCIDAD MÍNIMA PERMISIBLE

Es aquella velocidad mínima que no permite sedimentación, su valor es muy incierto 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; cuando se trata de canales en tierra, da el valor de 0.762 m/s como la velocidad apropiada que no produce sedimentación y además impide el crecimiento de la vegetación en el canal.

Los problemas de sedimentación creados por velocidades muy bajas demandan mayores gastos de conservación, porque se embancan y disminuyen su capacidad de conducción.

Problema de sedimentación en canales de baja velocidad

V e loci d a de s m í n i m a s pe r m is i b les pa ra e vit a r s ed i m en t a ción e n e l c au c e d e u n c a n a l:


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4.3.2 VELOCIDAD MÁXIMA PERMISIBLE

Es aquella que no produzca erosión en las paredes y el fondo del canal; las velocidades por sobre los valores máximos permisibles modifican las rasantes y crean dificultades al funcionamiento de las estructuras que tenga el canal, cuando estos sean diseñados de tierra.

Erosión en las paredes de un canal, es el principal problema de velocidades que estén por encima de la máxima permisible

V e loci d a de s m á xi m a s rec o m endada s e n f u n c ión d e l a s c a r a ct e rísti c a s d e l o s s ue lo s :


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Ve locid ade s má xima s e n ho rmigó n e n fun ción d e su resisten cia:

Nota: resulta practico durante los cálculos, no darse valores de velocidad, si no chequearlos, ya sea aplicando la fórmula de Manning o la ecuación de la continuidad, de tal manera que los resultados obtenidos estén dentro del rango recomendado.

4.4 PENDIENTE ADMISIBLE EN CANALES EN TIERRA (S):

La pendiente longitudinal del canal (So) está gobernada principalmente por la topografía del terreno y por la carga de energía requerida para el flujo de agua.

La pendiente, en general debe ser la máxima 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 el que esta alojado el canal, ni favorezca el deposito de azolve (sedimentación).

Pend ien te s ad misib les e n fun ción de l tip o d e sue lo


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Nota:

Durante el diseño no necesariamente se deben tomar estos valores máximos.

Cuando las velocidades resultan erosivas, reducir la pendiente produce una sensible disminución de la velocidad.

4.5 TALUDES (Z)

Los taludes se definen como la relación de proyección horizontal 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 de la clase de terreno en donde están alojados.

Mientras más inestable sea el material, menor ser el ángulo de inclinación de los taludes.

En general las pendientes deberán ser menos pronunciadas para los canales profundos.

Tal ude s r e c o m enda do s e n f un ci ó n d e l m a t e r i a l:


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Emp leo d e geo te xtil para e stab ili za r ta lude s:


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4.6 COEFICIENTE DE 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.

En canales proyectados con revestimiento, la rugosidad es función del material usado, que puede ser de concreto, geomanta, tubería PVC ó HDP ó metálica.

En forma práctica, los valores del coeficiente de rugosidad que se usan para el diseño de canales son:

P a ra d i s eño s d e c a n a les a loj a d o e n t i e r r a :

El valor de n, está comprendido entre 0.025 – 0.030, usándose generalmente el valor de n=0.025.

P a ra d i s eñ o d e c a n a l e s rev e sti do s d e c on c re t o :

El valor de n, está comprendido entre los valores de 0.11 – 0.015 generalmente se toma n= 0.015.

Va lores d e rugo sidad es pa ra e l u so de la e cua ción d e Mann ing


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Se cción d e ca na l co n d ife ren te coe ficiente de rugo sida d

4.7 ANCHO DE SOLERA (b)

Resulta muy útil para cálculos posteriores fijar de antemano un valor para el ancho de solera, plantilla o base, con lo cual se pueden manejar con facilidad las fórmulas para calcular el tirante.

Una formula práctica de fijar el ancho de solera, se basa en el caudal.

Para canales pequeños, el ancho de solera estar en función del ancho de la pala de la maquinaria disponible para la construcción.

A n c h o d e s o lera e n f u n ción de l c a uda l :


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4.8 TIRANTE (y)

Una regla empírica general usada en los Estados Unidos, establece el valor máximo de la profundidad de los canales de tierra según la siguiente relación:

Donde:

y= tirante hidráulico (m).

A=área de la sección transversal. Otros estableces que

Donde:

b= ancho de solera o base

También puede usarse las relaciones de máxima eficiencia hidráulica y sección de mínima infiltración.


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4.9 ÁREA HIDRAULICA

Se obtiene usando la relación geométrica:

Una vez calculado en ancho de solera, talud y tirante. También se obtiene usando la ecuación de continuidad:

Conocidos el caudal y la velocidad.

4.10 BORDE LIBRE (B.L.)

En la determinación de la sección transversal de los canales, resulta siempre necesario dejar cierto desnivel entre la superficie libre del agua para el tirante normal y la corona de los bordes, como margen de seguridad, a fin de absorber los desniveles extraordinarios, que puedan presentarse por encima del caudal de diseño del canal.

Regla practica:

Para canales sin revestir:

Para canales revestidos

Bo rde libre e n relación co n e l cauda l :


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Bo rde libre e n f un ción a l an ch o de so le ra:

4.11 ANCHO DE CORONA (C)

El ancho de corona de los bordes de un canal, en su parte superior, depende esencialmente del servicio que estos habrán de prestar. En canales grandes se hacen suficientemente anchos, 6.50m 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 más pequeños, el ancho de superior de la corona puede diseñarse aproximadamente igual al tirante del canal. En función al caudal se puede considerar un

ancho de corona de 0.60m para caudales menores de 0. 50m3

/s y 1.00m para caudales mayores.


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Ejemp lo d e d iseñ o d e an cho d e co ron a :


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5. NOMOGRAMA PARA EL CALCULO DE CANALES

Una de las fórmulas más usadas para el cálculo de la cantidad de agua que discurre por un canal es la de M. Bazin:

La cual hemos explicado anteriormente, tomando en cuenta que se han diseñado diferentes tablas y nomogramas para el cálculo de ésta fórmula, siendo el más conocido el construido por Ingeniero francés M D´Ocagne, que se presenta en la siguiente figura, en la cual, para resolver la ecuación, debemos hacer una doble alineación, como se indica en los trazos, sobre los valores indicados

ϒ: 1.30 R: 1.6 S: 0.002 V: 2.4


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Con objeto de evitar esa incómoda doble alineación, y considerando que en cada problema es conocida la naturaleza de las paredes del canal y es por tanto constante en cada caso, se ha dibujado un nomograma que acompaña a la figura anterior, que en realidad es la superposición de seis, correspondientes a cada valor de ϒ. Se compone de 3 líneas en zigzag, que llevan en la vertical derecha 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 izquierda los valores del radio medio en metros. Hay seis escalas diferentes de valores del radio medio, según sea la naturaleza de las paredes.

Para usar éste nomograma, debemos alinear con una recta los valores conocidos de las tres variables: VELOCIDAD, PENDIENTE Y RADIO HIDRAULICO, tan sólo hay que tener cuidado en leer los valores de las tres variables en la misma línea de zigzag, de las tres del gráfico, que correspondan al valor de ϒ.


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6. BIBLIOGRAFÍA: Manual de diseño hidráulico de canales y obras de arte: Ing. ELMER GARCIA RICO.

Infraestructura de riego: Ing. WALTER MORALES UCHOFEN.

Hidráulica de canales: MAXIMO VILLON BEJAR.

Mecánica de fluidos: ROBERT L. MOTT.

Hidráulica II Pedro Rodríguez Ruiz.

7. LINCOGRAFIA:

h t t p : / / w w w .f ag r o .e du . uy/ ~h id r o l o g i a / rie g o/ Ca n a l es 2 0 1 2 . pd f

h t t p : / / es. s crib d .c o m/ d o c / 7 3 7 8 3 9 4 3 / Ru g o si d a d -C o m p u es t a- D i s en o - d e - C a n ales

h t t p : / / i ng en i eriac i v il.t u t o r i alesal d ia . c om /m i n i -cu r s o - d e- d isen o - d e- c a n ale s - c o n - rég i m en- un if o r m e - p art e - v - y - u lti m a - cu r v as - e n -ca n ale s /

h t t p : / / w w w .a n a. g o b . p e /m ed i a / 3 8 97 1 6 / m a nu a l - d is e %C 3 %B 1 o s - 1 . pd f

8. ANEXOS: EJEMPLOS DE APLICACIÓN

http://ingenieriacivil.tutorialesaldia.com/mini-curso-de-diseno-de-canales-con-


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trabajo de diseño de secciones de canales

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