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OBRAS HIDRAULICASDiseo de canales de conduccin.Manuel Vicente HERQUINIO ARIAS Ingeniero MECANICO DE FLUIDOSHIDRAULICA HIDROLOGIA.

Un canal abierto tiene una superficie en contacto con la atmosfera estructuras construidas o naturales, ros, arroyos, las canaletas, el flujo del fluido, se debe a la gravedad.

DISEO DE CANALESLos canales pueden ser canales erosionables y no erosionablesLos canales no erosionables se construyen por las siguientes cinco razones:

1. Permitir el transporte de agua a altas velocidades a travs de terreno con excavaciones profundas o difciles en forma econmica. 2. Permitir el transporte de agua a alta velocidad con un costo reducido de construccin. 3. Disminuir la infiltracin, conservando el agua y reduciendo la sobrecarga en los terrenos adyacentes al canal. 4. Reducir el costo anual de la operacin y mantenimiento. 5. Asegurar la estabilidad de la seccin transversal del canal. DISEO DE CANALES El diseo de un canal involucra la seleccin y equilibrio de los distintos parmetros hidrulicos, geomtricos y condiciones del suelo como:Canales de lecho NO erosionable.Canales de lecho erosionable.MaterialPendienteTaludMargen libreVelocidad.

DISEO DE CANALES Los canales construidos y revestidos, son CANALES NO EROSIONABLES.

La seleccin del material depende del propsito para el cual va a ser usado el canal, el mtodo de construccin y la disponibilidad y el costo del materialEl diseo esta basado en las siguientes consideraciones:RugosidadVelocidad.Pendiente, TaludBorde Libre

DISEO DE CANALES NO EROSIONABLESRugosidad En las ecuaciones del flujo uniforme para canales, el material de las paredes del canal tiene un rol muy importante, es el que magnifica en la mayor o menor aspereza de dicho material, adoptando para el diseo la ecuacin de Manning. El que incluye el Coeficiente de Manning n para distintos materiales del revestimiento.

Coeficientes de rugosidad de Manning n .2CANALES REVESTIDOS DE CEMENTOMINIMONORMALMAXIMO2.1 SUPERFICIE PULIDA0.010.0110.0132.2 SUPERFICIE DE MORTERO0.0110.0130.015DISEO DE CANALES NO EROSIONABLES6Pendiente y Talud del Canal. La pendiente longitudinal del canal depende de la topografa y de la cota de partida y llegada destino.Los taludes de la seccin del canal dependen del ngulo de reposo del material.Tabla de valores de taludes (pendiente lateral), para diferentes clases de materiales.

DISEO DE CANALES NO EROSIONABLESEn la determinacin de la seccin transversal de los canales resulta siempre necesario dejar un desnivel entre la superficie del agua para el tirante, Y, o profundidad normal y la superficie del terreno o corona de los bordes como margen de seguridad denominado borde libre, BL.

BORDE LIBRE EN CANALES

No existe una regla para el clculo del borde libre, pues la accin de las ondas o fluctuaciones en la superficie del agua en un canal puede crearse por muchas causas incontrolables como el movimiento del viento y la accin de las mareas, tambin pueden inducir ondas altas que requieren una consideracin especial en el diseo.Una prctica corriente para canales en tierra, es dejar un borde libre o resguardo igual aun tercio del tirante, es decir: B.L. = d/3.Mientras que para canales revestidos, el borde libre puede ser la quinta parte del tirante: B.L. = d/5BORDE LIBRE EN CANALESEl Manual de Pequeas Presas, en aliviaderos de presas de la USBR, en flujo subcrtico, propone un BL :

El valor mnimo de Bl es de 0.30m y el valor mximo es de 0.60m.

Para caudales mayores que da:

Si es rgimen de torrente o supercrtico:

Bl en metrocaudal en m3/s.

BORDE LIBRE EN CANALES

En relacin al caudal se tiene:

En relacin al ancho de solera se tiene:

Caudal m3 /segBorde Libre (m) Menores que 0.50.3 Mayores que 0.50.4Ancho de solera (m)Borde Libre (m)Hasta 0.80.4De 0.80 a 1.500.5De 1.50 a 3.000.6De 3.00 a 20.001

BORDE LIBRE EN CANALES

Diseo de canales erosionablesVelocidad. La velocidad deber ser tal que no permita la sedimentacin del material en suspensin limitndose con la Velocidad mnima permisibles.Las velocidades mayores que los valores mximos permisible modifican las rasantes y crean dificultades al funcionamiento de las estructuras que tenga el canal .A la inversa, los problemas de sedimentacin ocasionado por las bajas velocidades demandan mayores gastos de conservacin, por que se embarcan y disminuye su capacidad de conduccin. Velocidad mnima permisible o velocidad no sedimentante.

DISEO DE CANALES NO EROSIONABLESLa mejor seccin hidrulica:Es aquella seccin del canal que tiene el menor permetro mojado para un rea dada y tiene el transporte mximo. Una seccin del canal debe ser diseada para la mejor eficiencia hidrulica pero debe ser modificada para su mejor practicabilidad. Con esto se logra un rea de mnima excavacin.

DISEO DE CANALES NO EROSIONABLESSECCION HIDRAULICAFILTRACION DE CANALESLa filtracin de agua en los canales siempre ocurre, por lo que el problema no puede ser considerado con indiferencia, pues al no llegar toda el agua a las zonas de riesgo, se reduce la eficiencia del sistema con las consiguientes perdidas econmicas.Adems la filtracin en los canales no solamente representa perdidas de agua valiosa para los cultivos, sino que invariablemente resulta en la elevacin del nivel de las aguas freticas, pudiendo causar efectos perjudiciales para las plantas, salinizacin del suelo, exigiendo a menudo la construccin de costosos sistemas de drenaje.Es fcil ver que la filtracin en los canales depende de muchos factores, entre los que podemos citar:- La permeabilidad del suelo.- El tirante del agua en el canal- Temperatura- Edad del canal- Caudal P = K/Q (Kostiakov)Factores Que Afectan La Filtracin:

Existen varias formulas para el calculo de la cantidad de agua perdida por filtracin en canales. De estas, las mas conocidas en el sistema mtrico son:FORMULA DE T. INGHAM.- Desarrollado por el autor en 1896 en base a observaciones en canales de la India.

FORMULA DE PAVLOVSKI (1924).-Formulas utilizadas para canales revestidos:

PERDIDAS EN CANALES RVESTIDOS

EL DISEO DE CANALES EROSIONABLES se basado en la velocidad no sedimentacin y no erosin.Velocidad limite de no erosin DE KENNEDY. Valida aguas con limos.En unidades del Sistema Internacional, la velocidad U en m/s y la altura h de agua en m, resulta:

EL DISEO DE CANALES EROSIONABLESVELOCIDAD En unidades Inglesas resulta:

DondeU Velocidad media no sedimentacin y no erosin en pies/s. h Profundidad de agua en el canal en pies. C Coeficiente vara su valor de acuerdo a la firmeza del material que forma el cuerpo del canal. x = 0,64, exponente cuyo valor vara muy poco, para agua limpia se sugiere x = 0,50.Los valores de C ms recomendados, de acuerdo a estudios posteriores, son:

EL DISEO DE CANALES EROSIONABLESVELOCIDAD Este criterio se basa en la comparacin de las tensiones tangenciales producidas por el escurrimiento del agua (tensin de corte hidrulico ) y la resistencia tangencial que poseen las partculas del revestimiento del canal en la superficie lateral de escurrimiento (s ).

La primera se calcula como:

Considerando RH h para canales anchos.

El equilibrio de tensiones es:

EL DISEO DE CANALES EROSIONABLESFUERZA TRACTIVASe consideran dos coeficientes que afectan la ecuacin de equilibrio de tensiones. Uno cuantifica la situacin ms desfavorable de una partcula ubicada en el talud de la seccin transversal, kt,, cuyo valor es < 1, y afecta la s .El segundo establece la disminucin de la tensin de corte hidrulico producida por las sinuosidades de trazado de un canal ks, adopta valores 1.El equilibrio queda

Los valores de ks son:

EL DISEO DE CANALES EROSIONABLESFUERZA TRACTIVAEl Bureau of Reclamation recomienda un valor tentativo para la fuerza tractiva permisible para canales excavados en materiales gruesos no cohesivos, igual a:

se mide en lb/pie2 y el D25 en pulgadas, siendo el dimetro de una partcula para la cual el 25% en peso del material tiene dimetro igual o mayor que el mismo.

EL DISEO DE CANALES EROSIONABLESFUERZA TRACTIVAValores de fuerzas tractivas unitarias para lechos de materiales cohesivos con velocidades mximas permisibles.

EL DISEO DE CANALES EROSIONABLESFUERZA TRACTIVA

CRITERIO DE MORITZ.Canal Normalizado es aqul en que la velocidad media de escurrimiento resulta igual a:

U en m/seg. y h en mLa prdida de agua por infiltracin se calcula como:

Q es el caudal en m3/seg.U es la velocidad media en m/segEl coeficiente C depende del tipo de terreno y representa la cantidad de m3 perdidos en un da por cada m2 de superficie del cauce.EL DISEO DE CANALES EROSIONABLESPERDIDA POR INFILTRACIONCuando no se cumple la condicin anterior respecto de la velocidad media, se denomina Canal No Normalizado, y la prdida de agua por infiltracin se calcula como:B es el ancho superficial en metros, h es la altura normal en metros y w es la rea mojada en m2.Los valores del coeficiente C para ambos casos son:

EL DISEO DE CANALES EROSIONABLESPERDIDA POR INFILTRACION

REVESTIMIENTO EN CANALES.-REVESTIMIENTO EN CANALES.-

CRITERIOS PARA EL TRAZADOEl criterio que dirige el trazado de los canales o tneles y la seleccin de una u otra posibilidad es el de conseguir la mayor eficiencia hidrulica y seguridad de las obras con el menor costo.El trazado de trabajo es similar a la que se realiza para carreteras, con la principal diferencia de que la pendiente longitudinal de un canal debe ser siempre positiva (bajando en la direccin del movimiento del agua) y puede variar solo dentro de ciertos limites.CRITERIOS PARA EL TRAZADOPor lo general, el sitio de la iniciacin de la utilizacin del agua, como tanque de presin (Riego por Aspersin y/o goteo), comienzo de la zona de riego, etc. Esta establecida y desde all se traza la lnea de gradiente hacia el rio para determinar la ubicacin de las obras de toma.La gradiente del canal es forzosamente menor que la del rio y mientras menor es la primera, mas larga resulta la longitud del canal y mayor el costo. A la inversa, un canal disminuye de seccin y consiguientemente de costo con el aumento de la gradiente.Si se traza la lnea del canal desde la toma hasta el sitio donde se utilizara el agua, siguiendo las lneas de nivel del terreno y descendiendo el numero de metros por kilometros que da la gradiente escogida, se puede obtener un resultado sumamente tortuoso, que puede tener una longitud dos o tres veces mayor que la lnea recta que une los dos puntos.Por eso debe estudiarse la posibilidad de rectificar la alineacin acortando su longitud por medio de tneles, acueductos, rellenos u otros tipos de obras. En cada caso es necesario comparar el costo de las distintas alternativas.CRITERIOS PARA EL TRAZADOLos tneles se construyen cuando representan una solucin mas econmica o mas estable que un canal abierto. Si la pendiente transversal del terreno es muy fuerte (45 o mas), entonces el volumen de excavacin de la plataforma se hace tan grande que resulta mas econmica hacer un tnel.Tambin cuando el canal debe contornear una loma muy pronunciada, muchas veces se puede reducir considerablemente la longitud por medio de un tnel que atraviesa la loma de un lado a otro.El tnel se construye cuando la longitud de recorrido de un canal es mayor a 2.5 longitud del tnel.CRITERIOS PARA EL TRAZADOAl comparar los costos de un canal con un canal, es necesario tomar en cuenta no solo las inversiones, sino tambin los tiempos de construccin.Un tnel puede costar mucho menos que un canal, pero su construccin tendr un avance de 1 metro hasta 5 metros por un da, lo cual si tiene gran longitud demorara mucho tiempo en completarse.CRITERIOS PARA EL TRAZADOPara el replanteo de las curvas horizontales es necesario determinar el radio de curvatura mnimo, de acuerdo al diseo elegido. Se recomienda que varias entre los siguientes valores:

Rc 10d ~ 15dy/o Rc 3B ~ 5B

En el caso de canales con flujos de velocidades altas ser necesario calcular la mayor elevacion que se produce por el cambio de direccin en el lado exterior de la curva, lo cual obliga a aumentar el borde libre en la pared exterior del canal.RADIOS DE CURVATURA MINIMOSSECCION TRANSVERSAL

Al realizar el diseo de un canal, generalmente son dados el caudal Q que se desea conducir y la gradiente de la que se dispone y que puede variar dentro de ciertos limites. Tambin se conoce el coeficiente de rugosidad que depender del tipo de revestimiento que se escoja.El rea mojada se calcula en funcin de la velocidad aceptable en el canal. Esta generalmente varia de 0.60 m/s y 3 m/s para evitar la sedimentacin y la erosin. La forma de la seccin optima, hidrulicamente hablando, es aquella que con su superficie mojada mnima, conduzca el caudal mximo. La seccin que tiene las mejores caractersticas hidrulicas es semicircular pero es relativamente difcil de construir y generalmente carece de estabilidad. Por este motivo la forma de seccin mas usada en canales es la trapezoidal. SECCION TRANSVERSAL