UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL CURSO : IRRIGACION TEMA : DISEÑO HIDRAULICO DE CANALES ALUMNO : BRAYAN FERNANDO GUZMAN TOMANGUILLO DOCENTE : Dr. Ing. JOSE DEL C. PIZARRO BALDERA TARAPOTO_PERU -OBJETIVOS GENERALES: Conocer, identificar y definir las condiciones hidráulicas para el diseño. -OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Conocer el tipo de sección más eficiente para el transporte del caudal. Diseñar las secciones hidráulicas del canal de tal manera que cumpla con todas las condiciones necesarias para su funcionamiento eficiente El diseño hidráulico de canales consiste en realizar el dimensionamiento y la forma geométrica del canal en función al caudal que transporta de acuerdo a la demanda de agua requerida por el sistema de riego. El diseño comprende la ingeniería de trazo: alineamiento, pendiente de fondo, secciones transversales, así como la forma y dimensiones de la sección del canal, su revestimiento y la determinación de las características hidráulicas como la velocidad y el tirante que permiten establecer el régimen del flujo de agua en el canal. El diseño hidráulico trata principalmente al cálculo del tirante normal que es el que corresponde para cada descarga en una canal con pendiente de fondo, sección, sección transversal y rugosidad de paredes establecidas. 3.2.1. Condiciones Hidráulicas: a. Por el tipo de flujo F V g. A / T Donde: V: velocidad (m/s) g: aceleración de la gravedad (m/s2) A: Área Hidráulica (m2) T: Espejo de agua (m) Para: F>1; Flujo súper critico F=1; Flujo critico F<1; Flujo sub critico (recomendado) Condiciones de diseño Máxima eficiencia hidráulica Mínima infiltración Máxima eficiencia hidráulica y mínima infiltración 3.2.2. Condiciones no Hidráulicas: a. Topografía del eje de ruta del canal Nos muestra el relieve uniforme o quebrado del suelo a lo largo del eje del canal, según esto se determina la pendiente. b. Geología Ofrece información sobre la conformación del suelo donde se alojara la caja del canal, nos ayudara a determinar el talud de la caja y el coeficiente de Manning para canales sin revestir. c. Condiciones ambientales Principalmente se considera en el diseño de los canales la temperatura y sus variaciones. Influye en el fraguado del concreto para canales revestidos. d. Hidrología e hidrografía Nos permite conocer las láminas de precipitación, así como su distribución temporal durante el año. Facilita el diseño de cunetas de drenaje en la berma interna. Nos proporciona la ubicación de los cauces naturales que cruza el canal y facilita la ubicación o distanciamiento entre aliviaderos laterales en los canales principales. e. Hidrogeología Nos ofrece información de los niveles freáticos o superficie piezométrica, de tal manera de poder diseñar detalles especiales de drenaje en la caja del canal (lloradores), da suma importancia para canales revestidos con concreto, ya que los efectos de sub presión sobre el revestimiento resulta perjudicial para la estabilidad de los taludes, sobre todo cuando el canal esta vacio. 3.3.1. Tipos de Sección Hidráulica Sección Rectangular Sección Triangular Sección Trapezoidal Sección Parabólica 3.3.2. Componentes de un Canal a. Elementos Geométricos b: Base menor B: Base mayor H: Altura del talud z: Talud de la caja del canal C: Berma interna D: Berma externa b. Elementos Hidráulicos y: Tirante f: Borde libre T: Tirante superficial La pendiente de un canal es uno de los factores más importantes para el diseño; su elección de la topografía y del aprovechamiento económico que se deriva de la condición del agua. Es la alineación del fondo del canal a lo largo de su recorrido, puede ser uniforme o varear por tramos. Esta en función de la topografía del terreno que sigue el eje del trazo y según el tipo del canal, sea principal o secundario. El talud (z) representa el grado de inclinación de los lados que forman la caja del canal con respecto a la horizontal. Es la relación de la proyección horizontal a la vertical de la parte lateral del canal. a).Por Limitación Topográfica Cuando el eje de trazo por ruta que sigue un canal atraviesa una zona topográficamente accidentada (ladera empeñada), esta se convierte en una limitante para la selección del talud, ya que obliga a reducir el ancho de corte de plataforma para disminuir volúmenes excesivos de corte y garantizar la estabilidad del talud superior, por lo tanto el ancho superficial de la caja del canal tiene que disminuir llegando al limite de que la inclinación sea nula y las paredes del canal sean vertical (canal de sección rectangular). b).Por Estabilidad del Suelo Cuando los suelos en los cuales se alojan la caja del canal son de diferentes texturas puede ser arcillosos, arenoso, rocoso, etc. que es un factor condicionante para seleccionar el talud del canal. En estos casos el talud del canal tendrá la inclinación necesaria que garantice su estabilidad durante el tiempo de servicio del canal. Algunos valores de z a tomar en el diseño hidráulico de un canal NOTA: •Para canales revestidos: Z=1 •Para canales sin revestir: Z=1.5 Es la resistencia al flujo del agua, que presentan los revestimientos de los canales artificiales y la geología del cauce en los conductos naturales; se relaciona principalmente a las condiciones y al estado de conservación de los revestimientos. El coeficiente de rugosidad depende del material, de su acabado y de su deterioro con el tiempo. La rugosidad 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 al práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad. a. Para Canales Revestido con Concreto: Concreto liso Concreto bien acabado, usado Concreto frotachado Concreto sin terminar 0.013 0.014 0.015 0.017 b. Para Canales sin Revestir En forma práctica, los valores del coeficiente de rugosidad que se usan para el diseño de canales alojados en tierra están comprendidos entre 0.025 y 0.030. c. Para Cauces Naturales El valor de “n” es muy variable dependiendo generalmente del tipo y tamaño del material que conforman el lecho del cauce así como también del tipo y tamaño del tipo y densidad de vegetación existente en el cauce. En nuestras zonas generalmente los valores de “n” están 0.060 – 0.070. El diseño de un canal trata de la determinación de su forma y de sus dimensiones, de establecer la necesidad o no de su revestimiento y en este último caso su tipo, así como verificar las condiciones hidráulicas del flujo. Para el diseño de canales se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente del canal, taludes, etc. Coeficiente de Manning Cunetas y canales sin revestir En tierra ordinaria, superficie uniforme y lisa En tierra ordinaria, superficie irregular En tierra con ligera vegetación En tierra con vegetación espesa En tierra excavada mecánicamente En roca, superficie uniforme y lisa 0,020-0,025 0,025-0,035 0,035-0,045 0,040-0,050 0,028-0,033 0,030-0,035 En roca, superficie con aristas e irregularidades 0,035-0,045 Cunetas y Canales revestidos Hormigón Hormigón revestido con ganita Encachado Paredes de hormigón, fondo de grava Paredes encachadas, fondo de grava Revestimiento bituminoso 0,013-0,017 0,016-0,022 0,020-0,030 0,017-0,020 0,023-0,033 0,013-0,016 Corrientes Naturales Limpias, orillas rectas, fondo uniforme, altura de lamina de agua suficiente 0,027-0,033 Limpias, orillas rectas, fondo uniforme, altura de lamina de agua suficiente, algo de vegetación 0,033-0,040 Limpias, meandros, embalses y remolinos de poca importancia 0,035-0,050 La ecuación más utilizada es la de Manning, y su expresión es: Donde: Q = Caudal (m3/s) n = Rugosidad A = Área (m2) R = Radio hidráulico = Área de la sección húmeda / Perímetro húmedo H Donde: H: Altura del canal y: tirante 4 y 3 Los criterios que debe usar el ingeniero proyectista debe ser los óptimos, teniendo en cuenta todos los factores de agua y suelo, y del área al cual abastecerá con agua dicho canal. Se necesita conocer: La sección de máxima eficiencia hidráulica La sección de mínima infiltración La sección de máxima eficiencia hidráulica y mínima infiltración. Es aquella que teniendo menor área hidráulica, permite descargar el máximo caudal. Dicho de otro modo, es aquella sección que la corresponde el mínimo perímetro mojado. Fundamentalmente se utiliza para canales revestidos pues minimiza el volumen de revestimiento. Relación base – tirante b y 2tg 2 Si un canal está trazado sobre un terreno bastante permeable se hace necesario diseñar una sección que permita obtener la menor pérdida posible de agua por filtración. Relación base – tirante Se muestra un cuadro de la relación o base - tirante para secciones de mínima infiltración para diferentes taludes. b y 4tg 2 Son las secciones cuyo diseño tiene la finalidad de que el canal transporte el caudal máximo y tenga una mínima pérdida de infiltración, estos diseños se realizan para canales sin revestimiento o sea en canales de tierra, esta sección viene a ser el promedio de M.E.H y mínima infiltración. La relación base – tirante sería. b y 3tg 2 La determinación de la velocidad del agua en un canal es fundamentalmente para evitar dos problemas que afectarían el normal funcionamiento del canal y de no tenerse en cuenta, hasta provocarían el colapso del mismo, estos son: •La erosión •La sedimentación En canales sin revestimiento las velocidades, tanto mínima como máxima están en un rango de: 0.63 m/s - 0.96 m/s. Para canales revestidos tenemos según el material de revestimiento. Está basado en la determinación de las medidas geométricas e hidráulicas del canal. Las medidas geométricas trabajables para el diseño serán medidas constructivas. El diseño de secciones hidráulicas más usadas son la rectangular y trapezoidal que son canales que deben tener las condiciones de máxima eficiencia hidráulica y mínima infiltración si son sin revestir o sección de máximas eficiencia hidráulica para canales revestidos. Para realizar el diseño de la sección del canal es necesario tener como datos: •El talud (Z) •El coeficiente de rugosidad (n) •Caudal de diseño (Q) •Pendiente (S). 3.18. EMPLEO DEL PROGRAMA ´´H CANALES´´ ,EN EL DISEÑO DE SECCIONES HIDRÁULICAS. RESUMEN DE ELEMENTOS GEOMETRICOS E HIDRÁULICOS DE CADA CANAL Comprende el desarrollo de todas las actividades y trabajos necesarios que hay que realizar para pasar del diseño a la construcción del canal de riego. Son aquellas obras que se construyen inicialmente para facilitar el desarrollo de los trabajos de construcción del canal de riego y obras conexas. Son retiradas luego de concluidas los trabajos, por lo que generalmente son estructuras pre fabricadas para facilitar su desmontaje. Pertenecen a este grupo: Campamento: Se construyen cuando el sistema de riego se ubica fuera de los centros poblacionales y deben estar conformados por viviendas, instalaciones de servicios básicos obras de Cartel de Obra: Es un dispositivo que debe instalarse en toda obra publica. Las dimensiones son: 3.60m de ancho por 2.40m de alto. Son los trabajos iniciales que se tienen que realizar, antes de la ejecución de los trabajos principales entre ellos tenemos: •Movilización de maquinaria y equipo. •Construcción y/o mejoramiento de vías de acceso. •Topografía y Georeferencia del eje del canal. •Desbroce y limpieza de la franja del canal. •Movilización de maquinaria y equipo Maquinaria y equipo transportado: •Tractores sobre orugas •Compresoras •Excavadoras •Cargadores frontales Maquinaria y equipo auto transportado: •Camiones volquete •Camiones cisterna •Compactadores de tierra: Rodillo liso y pata de cabra. •Camiones cama baja •Camiones de mantenimiento de maquinaria y equipo pesado •Construcción y/o mejoramiento de vías de acceso a obra Comprende la construcción de caminos para tener acceso al lugar donde se construirán las obras. Se desplazará la maquinaria, equipos y vehículos con la finalidad de facilitar el transporte de personal y los materiales para obra. •Topografía y Georeferencia del eje del canal Proceso mediante el cual con el empleo de equipo topográfico, se traslada de los planos al terreno, el eje del canal de riego. Se deberán instalar puntos de Georeferencia, monumentación de hitos, estacas de corte y relleno, taludes. El eje del canal deberá replantearse cuantas veces sea necesario. • Desbroce y limpieza de la franja del canal Se realiza una vez replanteado el eje del canal y definido el ancho de franja. Consiste en la eliminación mecanizada de los árboles y raíces, así como la limpieza de la franja del canal, de tal manera de facilitar el movimiento de tierras. Se refiere a todas las alteraciones del suelo que modificarán el relieve del terreno siendo estos costos muy importantes en un trabajo de irrigación ya que para la ejecución del mismo se necesita de maquinaria especializada para realizar los trabajos pesados de corte o relleno a fin de dejar a nivel de plataforma el eje del trazo del canal. En algunos casos se utiliza incluso explosivos, martillos y tablestacados. Una vez culminada la plataforma del canal, sobre ella se vuelve a replantear y mejorar el replanteo topográfico del eje del canal; sobre este eje trazado y según las dimensiones geométricas de la caja del canal, se procede a realizar la excavación con maquinaria (retroexcavadora) o en forma manual. En ambos casos, las aristas de la caja del canal deben ser debidamente refinadas. Consiste en las excavaciones que hay que realizar en el terreno para la construcción de obras de arte a lo largo del canal de riego. Pueden ser excavadas manualmente o con maquinaria. REVESTIMIENTO DE PIEDRA EMBOQUILLADA Y CANTEADA. REVESTIMIENTO DE CONCRETO REVESTIMIENTO DE GUNITA En las pérdidas por infiltración de agua que puede darse a través de suelos no cohesivos generalmente se utilizan revestimientos con concreto simple de f’c=100kg/cm² o f’c=140kg/cm² dependiendo del espesor del revestimiento, el mismo que está en función de las dimensiones geométricas de la caja del canal. Consiste en instalar las estructuras metálicas que han sido proyectadas en la construcción de las obras. Entre ellas tenemos: instalación de compuertas, rejillas para material de arrastre y material flotante, pasarela de los puentes, mecanismos de cizayas de las compuertas, etc. Las compuertas de emergencia se instalan en la parte posterior de la pantalla frontal y tienen por objeto un cierre violento de las ventanas u orificios de captación. Las compuertas de regulación están ubicadas detrás de las compuertas de emergencia y tienen por objeto regular y controlar el caudal de ingreso. El revestimiento de un canal no tiene ninguna función estructural, sino que solo impermeabiliza el canal para que la perdida por infiltración sea pequeña Las secciones más utilizadas para el diseño de canales son las rectangulares y trapezoidales. Para evitar la erosión y la sedimentación de la caja del canal, se debe hacer un buen cálculo de la velocidad del agua. El programa HCANALES es una herramienta fundamental y de gran ayuda en el diseño de secciones hidráulicas, por la rapidez con que se obtienen los resultados. Para la elección del valor del talud de forma práctica, se recomienda un valor de 1 para canales revestidos y 1.5 para canales sin revestir. Se deben considerar conscientemente todas las condiciones hidráulicas y no hidráulicas para el diseño de un canal de riego. Se recomienda usar los software por la rapidez de los resultados. Para una mayor duración y efectividad de las compuertas se recomienda capacitar a los usuarios sobre el manejo y mantenimiento de dichas estructuras metálicas. VILLON BÉJAR, MÁXIMO.(1981) “Hidráulica de Canales”, Lima, Editorial Hozlo, 487 p. VEN TE CHOW, “Hidráulica de canales abiertos” http://www.alsintec.com/infrastructure/alstom_wb.asp http://www.monografias.com/trabajos19/canales/canales.s html FRANCISCO CORONADO DEL AGUILA, “Diseño y construcción de canales” GRACIAS ................
