Cap 3-Diseno de Canales -PPT

DISEÑO DE CANALE CANALESS Un canal es 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 un lugar a otro.

S.Santos H.

Material del canal Canal no revestido El canal se traza en el terreno natural: tierra, roca u otro material. Generalmente se utilizan en canales secundarios de sistemas de riego y en sistemas de drenaje.

S.Santos H.

Canal revestido 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. 10cm) en canales trapezoidales, para canales rectangulares el  espesor es mayor que para canales trapezoidales desde un mínimo de 10 cm, hasta un máximo de 20cm.

S.Santos H.

Canal revestido •

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 técnicoeconómica.

S.Santos H.

P.E Olmos Tinajones - Túnel Trasandino

S.Santos H.

S.Santos H.

Pendiente y Rasante del canal Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta: •

•

Los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren. 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.

Sistema de Canales de Drenaje

Pendiente y Rasante del canal Para definir la pendiente de fondo se prueba con diferentes cajas hidráulicas, chequeando siempre si la velocidad obtenida es soportada  por el tipo de material donde se construirá el  canal. Valores de 1/1000,2/1000,3/1000,5/1000, 0.8/1000 ó 0.2/1000 son usuales en la costa del  Perú.  Asimismo se debe tener en cuenta que el fondo del canal debe estar por encima del nivel   freático de lo contrario cuando el canal este vació la presión hidrostática puede dañar el  canal.

S.Santos H.

S.Santos H.

Elementos de Plano de Canal

Sección(es) Típica(s)

Cuadro de Características Hidráulicas y Geométricas

Planta Cuadro de Elementos de Curva PI

Perfil longitudinal

(Km)

P I- 0

0 +0 00

P I -1 P I -2

0 +0 20 0 +0 31

P I- 3 P I -4 P I -5 P I -6 P I -7 P I- 8

S.Santos H.

Progresiva

Angulo

L(m)

G

M

S

Radio

Tangente

(m)

T(m)

Lc (m)

E (m)

C (m)

F ( m)

PC (m)

PT(m)

20 11

39 31

0 +0 455

14.5

28

0 +0 86

4 0. 5

38

0 +1 33

47

26

30

0 0 . 46 25 12 2 5

45 105 . 96 09 35 2 0. 8 13 05 13 1 . 23 06 95 3 9 2 0 6 . 28 03 52 1 . 19 79 33 37 1 20 . 85 80 3 7 1 41 . 67 10 89

0 +1 53

20

29

30

0 0 . 51 48 72 1 3

1 5 3 . 94 91 70 43 7 . 72 30 81 94 0 . 51 11 55 5 7 7 . 63 80 58 45 0 . 49 43 10 92 1 47 . 12 58 2 5 1 54 . 84 89 07

21 49.5

74 45

0 +1 74 0 +2 235

0 30

Angulo (radianes)

0 0 . 68 06 78 4 1 0 0 . 54 97 78 7 1

1 5 5 . 31 17 78 59 1 0. 2 10 17 61 0 . 91 27 30 4 9 1 0 0 . 14 20 58 0 . 86 03 77 63 1 4. 6 88 22 1 4 2 4. 8 98 39 75 1 0 2 . 82 02 91 68 5 . 49 77 87 14 0 . 39 00 93 6 1 5 . 4 28 80 9 0 . 37 54 47 64 2 7. 7 66 32 7 3 3 3. 2 64 11 44

0

0

0.4 8869219

10 2.49328003 4.88692191 0.30613629 4.83843791 0.29704274 42.4505427 47.3374646

0

0

0. 6 63 22 51 2

35 120 . 51 46 65

0 0

23 . 21 28 79 1 2 . 01 67 23 8 4 2 2 7 . 89 77 08

1. 9 06 84 98 5 7 3. 2 92 71 8 1 9 6. 5 05 59 72

0 1 . 29 15 43 6 5 0 0.7 8539816

15 113 . 03 31 08 1 9. 3 73 15 47 3 . 78 20 34 8 7 1 8 0 . 54 45 07 3 . 02 04 67 35 1 60 . 59 64 2 5 17 9 9 . 69 58 50 20.7106781 39.2699082 4.11961001 38.2683432 3.80602337 197.455591 236.7 25499

P I -9

0 +2 51

2 7. 5

14

30

0 0 . 25 30 72 7 4

25

P I- 10

0 +2 645

13.5

32

30

0 0.56723201

0

3 . 18 04 01 7 6 . 32 68 18 54 0 . 20 14 87 1 6 6 . 30 99 48 46 0 . 19 98 76 26 0

0

0

0

2 4 0. 3 34 4 2 2 46 . 66 12 38

0 256.980836 256.980836

Membrete

Perfil Longitudinal  •

Una vez definido el trazo del canal, se procede a dibujar el perfil longitudinal de dicho trazo, 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. El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información. (Ver Planos) PROGRESIVA  Kilometraje    0    0    0    0    0 (Km)    0    2    4    6    8    0    0    0    0    0  Cota de terreno    +   +    +    +    +    0    0 0 0 0  Cota de rasante COTA DE    3    3    5    6    6    7    3    9  Pendiente    1    9    6    3 TERRENO  .    0  .  .  .  .    8    8    7    7    7    0    0    0    0    0  Indicación de las deflexiones del     8    8 8 8 8 trazo con los elementos de curva COTA DE    0    0    0    0    0    9    9    9    9    9    5    7    3    9 RASANTE  .    1  .  .  .  .  Ubicación de las obras de arte    7    7    6    6    5    0    0    0    0    0    8    8 8 8 8  Sección o secciones hidráulicas del  PENDIENTE 0.02 0.004 canal, indicando su kilometraje  Tipo de suelo SECCION TIPO I II  TIPO

DE SUELO

 Franco arenoso

S.Santos H.

Características Hidráulicas y Geométricas B1

B2

W

β

T

m

1

H

B.L

1

y

z θ

b

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 ó 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 B : borde libre (H –  y) H: altura total del canal. Tipo

Q (m3/s)

S

n

b (m)

y (m)

A (m2)

V (m/s)

S.Santos H.

P (m)

R  (m)

B (m)

H (m)

W (m)

z

F

Características Hidráulicas y Geométricas B1

B2

W

β

T

m

1

H

B.L

1

y

z θ

b

Tipo

Q (m3/s)

S

n

b (m)

y (m)

A (m2)

V (m/s)

W: z: F: B1:

ancho total del canal  talud lateral  número de Froude Banqueta, corona, incluye vía de mantenimiento del canal.  Ancho Mínimo 1.20m (buguis), 4m (autos), ssegún 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 P (m)

R  (m)

B (m)

H (m)

W (m)

z

F

Clase de terreno

 Tabla

Ángulos de fricción interno y Pesos Específicos de suelos (Valores medios)

 β 

S

(Ton/m3)

Tierra de terraplén seca

37°

1.40

Tierra de terraplén húmeda

45°

1.60

Tierra de terraplén empapada

30°

1.80

 Arena seca

33°

1.60

 Arena húmeda

40°

1.80

 Arena empapada

25°

2.00

 Légamo diluvial seco

43°

1.50

 Légamo diluvial húmedo

20°

1.90

 Arcilla seca

45°

1.60

 Arcilla húmeda

22°

2.00

Gravilla seca

37°

1.83

Gravilla húmeda

25°

1.86 

Grava de cantos húmedos

45°

1.80

Grava de cantos rodados

30°

1.80

S.Santos H.

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 S.Santos H.

Borde Libre Espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna 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. Según la USBR (United States Bureau of  Reclamation) recomienda estimar el borde libre con la siguiente fórmula

C

Bl: Borde libre en metros y: Tirante del canal en m.

1.5 2.5

Q < 0.56 m3 /s  Hasta 84.95 m3 /s

C : constante En forma práctica se diseña un borde libre del canal igual a un 5 a 30% del tirante.

Bl = (0.05 – 0.3)y 

Canal Miguel Checa 19 m3 /s - P.E Chira Piura

S.Santos H.

Diseño de Canales por Sección de Máxima Eficiencia (SME)

S.Santos H.

Diseño de Canales por Sección de Máxima Eficiencia (SME)

S.Santos H.

Diseño de Canales por Sección de Mínima Infiltración (SMI)

S.Santos H.

Diseño de Canales por SME y SMI

S.Santos H.

Diseño de Canales No Erosionables Velocidad mínima (Vmin) Las partículas sólidas que son transportadas por el flujo se sedimentan) debido a una baja velocidad. Velocidades límites -Dubuat 

Se entiende por velocidad límite o velocidad mínima a la velocidad que debe adquirir el flujo para evitar la sedimentación en un canal y aquella que no permita el crecimiento de plantas acuáticas. En la práctica se toman valores de

Crecimiento de algas debido a baja velocidad del flujo

Velocidades de Sedimentación

Material arcilla arena fina arena gruesa

velocidad mayores que 0.4 m/s

Velocidad de Sedimentación 0.081 m/s 0.16 m/s 0.216 m/s

Velocidades límites -Dubuat  S.Santos H.

Diseño de Canales No Erosionables

Velocidad Máxima de Erosión

Velocidad máxima y Fuerza Tractiva Crítica

Revestimiento

Es aquella velocidad que no causará erosión del cuerpo del canal, un valor más alto de velocidad podría producir  movimiento de las partículas del lecho del  canal.

 Arena suelta muy ligera

Variación de Velocidad Máxima (m/s ) 0.30 0.45

Suelo arenoso

0.45

0.60

Suelo arenoso grueso

0.60

0.75

Tierra vegetal, suelo aluvial  Tierra vegetal arcillosa

0.75

0.85

Cuando el agua fluye en un canal, se desarrolla una fuerza que actúa en la Suelo arcilloso duro dirección del flujo sobre el lecho del canal y  Suelo con grava es conocida como Esfuerzo Cortante ó Conglomerado Fuerza Tractiva.

0.90

1.15

1.30

1.50

1.50

1.80

1.80

2.40

 Roca sedimentaria suave

2.40

El valor medio de la fuerza tractiva unitaria  Roca dura es igual a: Concreto f ’c 140 kg/cm2

3.00

4.50

3.80

4.40

Concreto f’c 210 kg/cm2

6.60

7.40

   W  hS  

S.Santos H.

Diseño de Canales por Máxima Fuerza Tractiva Para el diseño de canales estables, los esfuerzos cortantes o fuerzas de arrastre del flujo sobre las  paredes de un canal es:  



  W  hS 

Estas fuerzas no deben ser  mayores a los esfuerzos cortantes críticos de fondo y de talud que se requiere para iniciar el  movimiento y no exista arrastre de material. S.Santos H.

Transporte de sedimentos

Diseño de Canales por Máxima Fuerza Tractiva

S.Santos H.

Diseño de Canales por Máxima Fuerza Tractiva

S.Santos H.

Diseño de Canales por Máxima Fuerza Tractiva El esfuerzo cortante crítico de talud ( crt     ) se halla con el siguiente criterio:

   

crt 

crf  

  tg      cos   1      tg   

  : ángulo de la pendiente lateral del canal   : ángulo de reposo del material de del canal 

S.Santos H.

2

S.Santos H.

Bibliografía Pag web de la ANA , MINAG- Perú http://www.ana.gob.pe/media/389716/manualdise%C3%B1os-1.pdf  Villón Béjar, Máximo; “Hidráulica de canales” Ven Te Chow “Hidráulica de canales”

S.Santos H.