Cap 3-Diseño de Canales

 

Cap 3 D i seño d dee Canale Canaless 

III. DISEÑO 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.

3.1 Material del canal

 Los canales pueden ser revestidos o no revestidos. Canal no revestido  El canal se traza en el terreno natural: tierra, tierra , roca u otro material. Canal revestido  El revestimiento tiene por finalidad proteger al canal de la fuerz fuerzaa 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) como puede verse en la figura 3.1, para canales rectangulares el espesor es mayor que para canales trapezoidales desde un mínimo de 10 cm, hasta un máximo de 20cm.

3.1 Clases deFig revestimiento

 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.

 S.Santo  S.Sant os H . 

 

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3.2 Pendiente y Rasante del canal  Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta:    Las cotas de captación y entrega del agua. agu a.    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. ag ua. obtenida ida es    Para definir la rasante del fondo es importante comprobar si la velocidad obten  soportada por el tipo de material donde se construirá constr uirá 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.

Perfill LLo Perfi ongit ngi tud udii nal nal  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)  Datos que debe contener un perfil longitudinal  Ejemplo: PROGRESIVA (Km) 0

0

0

0

0

0

0

0

0

0 + 0 0

0 0

0

+ +

+ +

8 6

4 2

0

COTA DE TERRENO 3

3

5

1.

0.

9.

6. 0

0

0 0

3. 7 0 8



8



COTA DE RASANTE 0

0

0

0

5.

1.

7.

3.

9.

8

5 6

6 7

0

9 9

9 9

7

SECCION TIPO TIPO DE SUELO



0 9

PENDIENTE

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        



7 8

8 8

9

7 8

8

   Kilometraje (Progresiva)



6 3

7 6

8

0

0 8

0.02

0 0 8 8

0.004

 I II  Franco arenoso

 



 S.Santo  S.Sant os H . 

 

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3.3 Características Hidráulicas y Geométricas

B1

B2

W T

m

1

H

β 

B.L 

1

y

z θ 

b  Fig 3.2 Elementos Geométricos Geométricos de la Sección T Transversal ransversal de un Conducto Conducto

 Las características hidráulicas y geométricas están dadas por el tipo de sección transversal e hidráulica del fluido: Tipo

Q 3

(m /s /s))

S

n

z

b

y

A

V

P

R

B  

H

W

(m)

(m)

(m)

(m)

2

(m) (m) (m )

(m/s) (m)

 L

Tipo: Q: S: n: b:  y:  A: V:  P:  R:  B :  H: W:  z:  F:

tipo de canal a describir caudal de diseño pendiente del fondo del canal coeficiente de rugosidad de Manning. ancho de solera ó ancho de plantilla., ancho de la base de un canal profundidad del agua o tirante área de la sección transversal velocidad del agua perímetro mojado radio hidráulico borde libre (H –   y) y) altura total del canal. ancho total del canal talud lateral número de Froude

 B1:

Banqueta, corona, incluye vía de mantenimiento del canal.  Ancho Mínimo 1.20m (buguis), 4m (autos), ssegú ssegúnn la importancia del canal. En algunos casos la banqueta puede ir en ambos márgenes. Berma del camino, puede ser: 0,5, 0,75, 1,00 m.

 L

 B2:

F

m:

talud de dique de relleno, los valores de diseño varían entre 1.5 y 2; de acuerdo a la contextura del relleno.

θ:  β:  

ángulo de de fricción inclinación de las ángulo interna delparedes terrenolaterales de corte con la horizontal

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T ab abla la 3.1  Ánguloss de fricc  Ángulo fr icción ión interno interno y Pe Peso soss E spe specífi cífico coss de sue suelo loss Clase de terreno 

(Valores medios)

Tierra de terraplén seca Tierra de terraplén húmeda Tierra de terraplén empapada  Arena seca  Arena húmeda  Arena empapada  Arcilla seca  Arcilla húmeda Gravilla seca Gravilla húmeda Grava de cantos húmedos Grava de cantos rodados

 A:  P:  Rh:  y

:

 

Área hidráulica perímetro mojado radio hidráulico Profundidad media

 R

h



 A  P 

 β  

 ( Ton/m m 3 )  S (Ton/

37° 45° 30° 33° 40° 25° 45° 22° 37° 25° 45° 30°

1.40 1.60 1.80 1.60 1.80 2.00 1.60 2.00 1.83 1.86 1.80 1.80

 y



 A T 

Talud Lateral (z)  Depende del material de construcción y el tipo de suelo del canal. T ab abla la 3.2 T aludes aludes apr apr op opii ad ados os par par a d dii sti stintos ntos tipo tiposs de ma mate terr i al

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 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

Borde Libre :B    L

 Espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente paraenel un cálculo debidopor a que las  fluctuaciones de la superficie del agua canal,delseborde puedelibre, originar causas incontrolables.  En forma práctica se diseña un borde libre del canal cana l igual a un 5 a 30% del tirante.  B L = (0.05 –  0.3)y  0.3)y Según la USBR, recomienda estimar el borde libre con la siguiente fórmula      √     √   B L:  y: C:

Borde libre en metros Tirante del canal en m. constante

C

Q

1.5 1.5 < 0.56 0.56 m /s 2.5 Hast Hastaa 84. 84.95 95 m /s

B orde lilib br e en ffunci unción ón de del caud caudal al

B orde lilibre bre eenn ffunci unción ón de de la planti plantilla lla del del canal

 Fuente: Villón Béjar, Máximo; “Hidráulica de canales”, Dpto. De Ingeniería Agrícola –  Instituto  Instituto Tecnológico de Costa Rica, Editorial Hozlo, Lima, 1981

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3.4 Diseño de Canales por Sección de Máxima Eficiencia (SME) 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 área dada tiene el menor Perímetro mojado por lo tanto si se diseña un canal con una sección de máxima eficiencia hidráulica se va a tener la seguridad de tener la mínima excavación posible. 2

 Analizando la ecuación de Manning: Q

 AR 

3

n

S 

 

 y manteniendo la pendiente de fondo y rugosidad constantes, se observa que a mayor Rh habrá mayor transporte de flujo (Q).  Rh =

 A  P 

 : aumenta cuando para una determinada área, disminuye el perímetro mojado → a menor P, mayor Q 

 Secc  Se ccii ón Tra Tr apezoi dal de Máxima Máxima E fificie cienc ncia ia  La SME trapezoidal hidráulica es por la que pasa un Qmax para un Pmín,



 

 P   y

 Fig 3.3 1

y

z

b  y

θ 



2( 1   z 2

 b

canal rectangular  



b  y

90º     z   0 ,



2( 1)      b

 sección trapezoidal con    



60º  



 

3  z 



3

 



 

60º  

  b  2   y  

 Relación entre el Rh y el Tirante:

 S.Santo  S.Sant os H . 

  2 y



1

2

3

 Rh



3

 y  

2

3 

    b 3   

…(   3.2 )

2 3 

3

 y  



 z ) …(3.1) 

0 

 

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3.4.1 Diseño de Canales por Sección de Mínima Infiltración (SMI) Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal. Sección de Mínima Infiltración: 

b



4( 1   z 2  z )  

 y

3.4.2 Diseño de Canales por SME SME y SMI b  y



Pr om (   1  z 2  z )  

 Relación plantilla vs tirante para, máxima eficiencia, mínima infiltración y el promedio de ambas.

3.5 Diseño de Canales No Erosionables Erosionables Un canal que no tiene revestimiento es no erosionable cuando no presenta sedimentación ni erosión. Mediante el cálculo de la Velocidad mínima o “velocidad que no sedimenta” 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 límites por debajo de las cuales el agua cesa de arrastrar diversas materias son: T ab abla la 3.5 V elocidad elocidadees de Sed Sedii menta entaci ción ón Velocidad de  Mateeria  Mat ri al  Se  Sed dim imeent nta ación arcilla 0.081 m/s arena fina 0.16 m/s arena gruesa 0.216 m/s  S.Santo  S.Sant os H . 

 

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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. acuáticas.  En la práctica se toman valores de velocidad mayores que 0.6 m/s Crecimiento de algas en canal debido a baja velocidad del flujo

Velocidad máxima y Fuerza Tractiva Crítica  Es aquella velocidad que no caus causará ará erosión del cuerpo del canal, un valor más alto de velocidad podría producir movimiento de las  partículas del lecho del canal. Cuando el agua fluye en un canal, se desarrolla una fuerza que actúa en la dirección del flujo sobre el lecho del canal y es conocida como Esfuerzo Cortante ó  Fuerza Tractiva. Tra ctiva. El valor medio de la fuerza tractiva unitaria es igual a:  Falla de puente debido a alta velocidad del  flujo entre los pilares

   W  hS      

T ab abla la 3.6 V eloc locii dad Máxim Máxi ma d dee EErr osi sió ón V ariac ari acii ón d dee

Revestimiento  Arena suelta muy ligera Suelo arenoso Suelo arenoso grueso Tierra vegetal, suelo aluvial Tierra vegetal arcillosa Suelo arcilloso duro Suelo con grava Conglomerado  Roca sedimentaria suave  Roca dura Concreto f’c 140 kg/ kg/cm cm Concreto f’c 210 kg/ kg/cm cm  S.Santo  S.Sant os H . 

V eloci locid d(m/s ad M áxima ma  ) áxi 0.30 0.45 0.45 0.60 0.60 0.75 0.75 0.85 0.90 1.15 1.30 1.50 1.50 1.80 1.80 2.40 2.40 3.00 4.50 3.8 3.800 4.4 4.400 6.6 6.600 7.4 7.400

 

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

 

  

  W  hS   

 Estas fuerzas no deben ser mayores a los esfuerzos cortantes críticos de fon fondo do y de talud que se requiere para iniciar el movimiento y no exista arrastre de material.  El esfuerzo cortante crítico de fondo (   crf   ) se halla por medio del Diagra Diagrama ma de Shields y c  rf   se puede aproximar mediante las ecuaciones de Zanke, si el diámetro medio de la  partícula es conocido: *

 cr   0.109 109  D

*

 cr   0.14 D

 D  6 :

  g       D   2        *

6   D  10 :

1 3

d   

*

10   D  20 :  cr   0.04 D

* 0.5

*  0..64

*  0..10

*

20   D  150 150 :  cr   0.013 013 D

 

 crf 





 cr     s  



 

 d  

* 0..29

*

 D  150 150 :  cr   0.055 055

 ccriri: tensión cortante adimensional crítico

d: : γ s:

 ccrf  rf :

diámetro del grano v: densidad relativa de la partícula (1.65) 3  peso específico del sedimento (≈2650 kgf/m  )

tensión cortante crítico de fondo viscosidad del agua

 Pero el Esfuerzo Cortante no está distribuido uniformemente a lo largo del perímetro mojado, los ingenieros Olsen y Florey (USBR) determinaron que la distribución del  Esfuerzo Cortante en canales trapezoidales, rectangulares y triangulares, tiene la  siguiente distribución típica: h  max max =0.75 crt crt  oc oc   crf  ghS crf =   

 Distribución de Esfuerzo Esfuerzo Cortante en la la Sección de un Canal Canal Trapezoidal

 crt  crt : esfuerzo cortante crítico de talud  crf  crf : esfuerzo cortante crítico de fondo  El esfuerzo cortante crítico de talud (   crt   ) se halla con el siguiente criterio: c  rt 

 S.Santo  S.Sant os H . 

 

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   

crt 

crf  

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

2

 

  : ángulo de la pendiente lateral del canal  : ángulo de reposo del material de del canal

o

      τ 

/ t x a

      τ 

m

o

      τ 

/ f x a

      τ 

m

 Esfuerzos Cortantes Cortantes máximos sobr sobree los lados y el fondo ddee varias secciones de can canales ales trapezoidales - USBR

 Ángulos de reposo de material material no cohesivo –  USBR  USBR  S.Santo  S.Sant os H .