3/09/2018 DISEÑO DE CANALES HIDRAULICA DE CANALES Un canal se clasifica como una Estructura de Conducción y sirve a diferentes proyectos como: Riego, Centrales Hidroeléctricas, Abastecimiento de agua potable, Drenaje y otros que requieran conducir el agua de aun lugar a otro. Ing. David Maldonado Clasificación de canales de Riego Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones: Canal de Primer Orden ó Canal Madre ó de Derivación Canal que se abastece de la toma de agua (Bocatoma, pozo de bombeo) y conduce el caudal total del sistema. Se le traza siempre con pendiente mínima. Canal de Segundo Orden o Laterales Son aquellos que se derivan del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego. Canal de Tercer Orden ó Sub – Laterales Nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades individuales a través de las tomas del solar, el área de riego que sirve un sub – lateral se conoce como unidad de rotación. Material del canal Los canales pueden ser revestidos o no revestidos. Canal no revestido El canal se traza en el terreno natural: tierra, roca u otro material. Canal revestido El revestimiento tiene por finalidad proteger al canal de la fuerza erosiva de la corriente, evitar excesivas pérdidas por filtración, disminuir la rugosidad logrando una mayor velocidad permisible con lo cual se reduce la sección transversal. El espesor del revestimiento puede variar de 2 a 4 pulgadas (5 cm a 10 cm) como puede verse en la Figura, para canales rectangulares el espesor es mayor que para canales trapezoidales desde un mínimo de 10 cm, hasta un máximo de 20cm. 1 3/09/2018 Trazo de canales Se requiere 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. La construcción de canales revestidos se realiza usando diferentes materiales como mampostería de piedra, concreto, madera, ladrillo, planchas de fierro, etc., el costo es un porcentaje importante del costo total del canal y su elección de efectúa tomando en cuenta: función del canal, materiales de construcción y los medios técnicos disponibles en cada zona, para finalmente efectuar una evaluación técnico-económica. Se realiza un trazo preliminar en gabinete, 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. El trazo en Planta contará con los siguientes elementos: Trazo de canal en Planta con línea de eje del canal y Puntos de Inflexión con radios y ángulos correspondientes. Escala de Plano Planta Cuadro con Elementos de curva 2 3/09/2018 Pendiente y Rasante del canal Una vez definido el trazo en Planta del canal, se procede a dibujar el Perfil Longitudinal, las escalas más usuales son de 1:1000 o 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 o 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relación entre la escala horizontal y vertical es de 1 a 10. Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta: Las cotas de captación y entrega del agua 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, cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua. Para definir la rasante del fondo es importante comprobar si la velocidad y secciones obtenidas, es soportada por el tipo de material donde se construirá el canal (velocidad máxima, velocidad mínima, secciones de máxima eficiencia y de mínima Infiltración) Valores de 1/1000,2/1000,3/1000,5/1000, 0.8/1000 ó 0.2/1000 son usuales en la costa del Perú. El procesamiento de la información y dibujo se puede efectuar Perfil Longitudinal El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información: Kilometraje (Progresiva) Cota de terreno Cota de rasante Pendiente de rasante Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje Tipo de suelo Indicación de las deflexiones del trazo con los elementos de curva Ubicación de las obras de arte Se complementará la información con: Secciones Transversales Típicas Cuadro con Características Hidráulicas Escala H y V Características Hidráulicas y Geométricas empleando el software: AUTOCAD CIVIL 3D (AUTOCAD clásico, AUTOCAD LAND, AUTOCAD MAP o AUTOCAD CIVIL). Las características hidráulicas y geométricas están dadas por el tipo de sección transversal e hidráulica del fluido: 3 3/09/2018 Ángulos de fricción interno y Pesos Específicos de suelos Tipo: tipo de canal a describir Q: caudal de diseño S: pendiente del fondo del canal n: coeficiente de rugosidad de Manning. b: ancho de solera o ancho de plantilla, ancho de la base de un canal y: profundidad del agua o tirante A: área de la sección transversal V: velocidad del agua P: perímetro mojado R: radio hidráulico BL : borde libre (H – y) H: altura total del canal. W: ancho total del canal z: talud lateral F: número de Froude B1: Banqueta, corona, incluye vía de mantenimiento del canal. Ancho Mínimo 1.20m (buguis), 4m (autos), según la importancia del canal. En algunos casos la banqueta puede ir en ambos márgenes. B2: Berma del camino, puede ser: 0,5, 0,75, 1,00 m. m: talud de dique de relleno, los valores de diseño varían entre 1.5 y 2; de acuerdo a la contextura del relleno. θ: ángulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal β: ángulo de fricción interna del terreno de corte Criterios de Diseño Hidráulico de Canales Caudal Se puede usar cualquiera de las ecuaciones de Flujo Uniforme que se ha Par diseñar la sección transversal de un canal, se debe tener en estudiado, para canales artificiales haremos uso de la ecuación de Manning: cuenta los factores geométricos e hidráulicos de la sección, topografía existente, geología y geotecnia de la zona, materiales disponibles (canteras o mercados más cercanos), 𝑸= 𝑨𝑹 𝟐ൗ 𝟑 𝑺𝟎 𝒏 costo de materiales, beneficiarios, climatología y altitud para la elección de los materiales. Si se tienen en cuenta estos factores podremos llegar a una solución técnica y económica más conveniente. 4 3/09/2018 Pendiente admissible •La pendiente, en general, debe ser la mínima que permita dominar la mayor superficie posible de tierra y que, a la vez no causen erosión del material en que esta alojado el canal, ni depósito de sedimentos. •La pendiente máxima admisible para canales varia según la textura. A continuación se muestran las pendientes máximas recomendable Valores de 1/1000,2/1000,3/1000,5/1000, 0.8/1000 ó 0.2/1000 son usuales en la costa del Perú. Talud Lateral (z) Borde Libre: B Depende del material de construcción y el tipo de suelo del canal. Espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna Taludes apropiados para distintos tipos de material regla fija que se pueda aceptar universalmente para el cálculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables. En forma práctica se diseña un borde libre del canal igual a un 5 a 30% del tirante. 𝑩𝑳 = 𝟎, 𝟎𝟓 − 𝟎, 𝟑 𝒚 Según la USBR, recomienda estimar el borde libre con la siguiente fórmula 𝑩𝑳 = 𝟎, 𝟓𝟓𝟐𝟏 𝑪𝒚 Para canales revestidos, la USBR (United States Bureau of Reclamation) recomienda un talud estándar de 1.5:1, sin embargo, el talud práctico en estos casos es 0.8:1 a 1:1 5 3/09/2018 Diseño de Canales por SME y SMI 𝑹= Sección de Máxima Eficiencia Hidráulica (SME) 𝑨 : aumenta cuando para una determinada área, disminuye el 𝑷 perímetro mojado. Cuando se diseña un canal se debe de tomar en cuenta que tenga el mínimo volumen de excavación posible. Una sección de Máxima Eficiencia Hidráulica es aquel que para un → a menor P, mayor Q Sección Trapezoidal de Máxima Eficiencia área dada tiene el menor Perímetro mojado por lo tanto si se La SME trapezoidal hidráulica es por la que pasa un Qmax para un Pmín, diseña un canal con una sección de máxima eficiencia hidráulica se 𝝏𝑷 =𝟎 𝝏𝒚 va a tener la seguridad de tener la mínima excavación posible. Analizando la ecuación de Manning 𝑸 = 𝑨𝑹𝟐/𝟑 𝑺 𝒏 y manteniendo la pendiente de fondo y rugosidad constantes, se observa que a mayor Rh habrá mayor transporte de flujo (Q). Ejercicio 01 Un canal de riego de sección trapezoidal, construido en tierra (n = 0,025), se usa para regar una superficie de 80 has. El módulo de entrega máxima fijado por distrito de riego es 2 lt/s/ha. Determine la sección de máxima eficiencia hidráulica y la pendiente del canal, para una velocidad en el canal de 0,75 m/s y un talud Z = 1. Ejercicio 02 Hallar el caudal en un canal de máxima eficiencia hidráulica, sabiendo que el ancho de solera es de 0,7 m, el espejo de agua 1,9 m, pendiente 0,001 y coeficiente de rugosidad n = 0,025. 6 3/09/2018 Sección de Mínima Infiltración (SMI) Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por filtración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal. h y parábola 𝑖=𝑘 ℎ 𝑖=𝑘 𝑦 b 𝒃 =𝟒 𝒚 𝟏 + 𝒛𝟐 − 𝒛 Ejercicio 03 Está encargado del diseño de un canal de conducción, que servirá para regar una superficie de 3000 ha con un módulo de riego de 1,5 lt/s/ha. B1 Según el trazo del plan topográfico, éste está localizado en un terreno de pendiente suave. De las muestras, realizadas en el campo, en la zona donde está localizado el eje del canal, se obtuvo de sus canteras grava de sección uniforme, limpio y con un talud practico. B2 W β T m B.L 1 H 1 y z θ b Diseñar los elementos necesarios para el diseño (Especificaciones técnicas). 7 3/09/2018 Velocidades Máximas y Mínimas Un canal que no tiene revestimiento es Estable cuando no presenta sedimentación ni erosión. Mediante el cálculo de la Velocidad mínima o “velocidad que no sedimenta” se previene la posibilidad de sedimentación y mediante el cálculo de la Velocidad máxima ó no erosiva se previene la erosión del canal Velocidad mínima (Vmin) Las partículas sólidas que son transportadas por el flujo se decantan (sedimentan) debido a una velocidad baja, según Dubuat, las velocidades Se entiende por velocidad límite o velocidad mínima a la velocidad que límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas debe adquirir el flujo para evitar la sedimentación en un canal y aquella materias son: que no permita el crecimiento de plantas acuáticas. En la práctica se toman valores de velocidad mayores que 0.6 m/s Abaco para el diseño de canales Velocidad máxima (Vmax) La tabla proporciona el rango de velocidades máximas recomendable, en función de las características del material del canal. Características del canal Velocidad máxima (m/s) Tierra franca 0.60 Tierra arcillosa 0.90 Piedra y mezcla simple 1.00 Roca Pizarra 1.25 Areniscas consolidadas 1.5 Mampostería de piedra y concreto 2.00 Concreto 3.00 Rocas duras, granito, etc. 3a5 8 3/09/2018 CANALES NO EROSIONABLES Pendientes admisibles No es necesario tomar los valores máximos Si la velocidad resulta erosivas, reducir la pendiente disminuye la velocidad Tipo de suelo Pendiente (S) ‰ Suelos sueltos 0,5 – 1,0 Suelos francos 1,5 – 2,5 Suelos arcillosos 3,0 – 4,5 Son canales no erosionables los canales revestidos y los canales sin revestir excavados en lecho rocoso. son aquellos canales terminados y construidos que pueden resistir la erosión satisfactoriamente. Los canales no erosionables se construyen por las siguientes razones: Permitir el transporte de agua a altas velocidades a través de terreno con excavaciones profundas o difíciles en forma económica. Permitir el transporte de agua a alta velocidad con un costo reducido de construcción. Disminuir la infiltración, conservando el agua y reduciendo la sobrecarga en los terrenos adyacentes al canal. Reducir el costo anual de la operación y mantenimiento. Asegurar la estabilidad de la sección transversal del canal. EJERCICIOS Hallar las dimensiones que debe tener un canal trapezoidal diseñado en Máxima Eficiencia Hidráulica para poder conducir un gasto de 70 m3/s. La pendiente es de 0,8%o, y el talud es 1.5. El fondo de concreto frotachado (n=0,015) y los taludes están formado de albañilería de piedra pulida (n= 0,019) https://es.slideshare.net/linoolascuagacr uzado/diseo-de-canales 9
